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1、第六章、微生物的遺傳與變異細(xì)菌的遺傳與變異一、細(xì)菌的遺傳遺傳(heredity或inheritance)：親子間的關(guān)系，指生物的上一代將自己的一整套遺傳因子傳遞給下一代的行為或功能，它具有極其穩(wěn)定的特性。細(xì)菌的遺傳與變異一、細(xì)菌的遺傳變異（variation）：生物體在某種外因或內(nèi)因的作用下所引起的遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)或數(shù)量的改變，亦即遺傳型的改變。特點：在群體中以極低的幾率(一般為105一101)出現(xiàn)；性狀變化的幅度大；變化后的新性狀是穩(wěn)定的、可遺傳的。細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的遺傳細(xì)菌遺傳物質(zhì)DNA 基本單位脫氧核苷酸脫氧脫氧核糖核糖堿基堿基磷酸磷酸AG C T細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的遺傳脫氧核苷酸的種

2、類（deoxyribonucleic acid）There are four nucleotides:those with cytosine(C),those with guanine(G),those with adenine(A),and those with thymine(T).AGCT腺嘌呤脫氧核苷酸腺嘌呤脫氧核苷酸鳥嘌呤脫氧核苷酸鳥嘌呤脫氧核苷酸胞嘧啶脫氧核苷酸胞嘧啶脫氧核苷酸 胸腺嘧啶脫氧核苷酸胸腺嘧啶脫氧核苷酸ATGCATGC細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的遺傳脫氧核苷酸的連接細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的遺傳 1953年華特生(James Watson)和克里克(Francis Crick)通

3、過X射線衍射法觀察DNA結(jié)構(gòu)，提出了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的遺傳DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)：DNA分子是由兩條反向平行的脫氧核糖核酸組成的螺旋狀長鏈細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的遺傳證明DNA是遺傳物質(zhì)的Griffth轉(zhuǎn)化實驗 如何證明如何證明DNA是遺傳物質(zhì)是遺傳物質(zhì)？（一）經(jīng)典轉(zhuǎn)化實驗（一）經(jīng)典轉(zhuǎn)化實驗（transformation）：）：F.Griffith，研究對象：研究對象：Streptococcus pneumoniae（肺炎雙球菌）（肺炎雙球菌）SIII型菌株：有莢膜，菌落表面光滑，有致病性型菌株：有莢膜，菌落表面光滑，有致病性RII型菌株：無莢膜，菌落表面粗糙，無致病性型菌

4、株：無莢膜，菌落表面粗糙，無致病性1928年，年，Griffith進(jìn)行了以下幾組實驗：進(jìn)行了以下幾組實驗：（1）動物實驗）動物實驗對小鼠注射活對小鼠注射活RII菌或死菌或死SIII菌菌 小鼠存活小鼠存活對小鼠注射活對小鼠注射活SIII菌菌小鼠死亡小鼠死亡對小鼠注射活對小鼠注射活RII菌和熱死菌和熱死SIII菌菌 小鼠死亡小鼠死亡 抽取心血抽取心血 分離分離 活的活的SIII菌菌Griffith轉(zhuǎn)化試驗示意轉(zhuǎn)化試驗示意混合培養(yǎng)混合培養(yǎng)RII型活菌型活菌SIII型活菌型活菌SIII型熱死菌型熱死菌RII型活菌型活菌SIII型活菌型活菌健康健康健康健康健康健康健康健康健康健康健康健康健康健康病死病死

5、病死病死病死病死（2）細(xì)菌培養(yǎng)實驗）細(xì)菌培養(yǎng)實驗（3）S型菌的無細(xì)胞抽提液試驗型菌的無細(xì)胞抽提液試驗以上實驗說明：加熱殺死的以上實驗說明：加熱殺死的SIII型細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)可型細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)可能存在一種轉(zhuǎn)化物質(zhì)，它能通過某種方式進(jìn)入能存在一種轉(zhuǎn)化物質(zhì)，它能通過某種方式進(jìn)入RII型型細(xì)胞并使細(xì)胞并使RII型細(xì)胞獲得穩(wěn)定的遺傳性狀，轉(zhuǎn)變?yōu)樾图?xì)胞獲得穩(wěn)定的遺傳性狀，轉(zhuǎn)變?yōu)镾III型細(xì)胞。型細(xì)胞。熱死熱死SIII菌菌不生長不生長活活 RII 菌菌長出長出RII菌菌熱死熱死SIII菌菌長出大量長出大量RII菌和菌和10-6SIII菌菌活活R菌菌+S菌無細(xì)胞抽提液菌無細(xì)胞抽提液長出大量長出大量R菌和菌和少量少量S

6、菌菌+活活RII菌菌平皿培養(yǎng)平皿培養(yǎng)加加S菌菌DNA加加S菌菌DNA及及DNA酶以外的酶酶以外的酶加加S菌的菌的DNA和和DNA酶酶加加S菌的菌的RNA加加S菌的蛋白質(zhì)菌的蛋白質(zhì)加加S菌的莢膜多糖菌的莢膜多糖活活R菌菌長出長出S菌菌只有只有R菌菌1944年年O.T.Avery、C.M.MacLeod和和M。McCarty從從熱熱死死S型型S.pneumoniae中中提提純純了了可可能能作作為為轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化因因子子的的各各種種成成分分，并在離體條件下進(jìn)行了轉(zhuǎn)化試驗：并在離體條件下進(jìn)行了轉(zhuǎn)化試驗：只只有有S型型細(xì)細(xì)菌菌的的DNA才才能能將將S.pneumoniae的的R型型轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化為為S型型。且且DN

7、A純純度度越越高高，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化效效率率也也越越高高。說說明明S型型菌菌株株轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移給移給R型菌株的，是遺傳因子。型菌株的，是遺傳因子。細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的遺傳微生物中的DNA：染色體細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的遺傳微生物中的DNA上含大量不同基因（Partial gene map of the operons）細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的遺傳微生物中的質(zhì)粒細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的遺傳RNA在細(xì)胞里有三種類型：信使RNA（mRNA)轉(zhuǎn)移RNA（tRNA)核糖體RNA（rRNA)細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的遺傳信使RNA（mRNA)約占總RNA的5%。不同細(xì)胞的mRNA的鏈長和分子量差異很大。它的功能是將DNA的遺傳信

8、息傳遞到蛋白質(zhì)合成基地 核糖核蛋白體。細(xì)菌的遺傳與變異第四章細(xì)菌的生長和遺傳變異細(xì)菌的遺傳轉(zhuǎn)移RNA（tRNA)約占總RNA的10-15%。它在蛋白質(zhì)生物合成中起翻譯氨基酸信息，并將相應(yīng)的氨基酸轉(zhuǎn)運到核糖核蛋白體的作用。已知每一個氨基酸至少有一個相應(yīng)的tRNA。RNA分子的大小很相似，鏈長一般在73-78個核苷酸之間。細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的遺傳tRNA的空間結(jié)構(gòu)細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的遺傳核糖體RNA（rRNA)約占全部RNA的80%是核糖核蛋白體的主要組成部分 rRNA 的功能與蛋白質(zhì)生物合成相關(guān)細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的遺傳DNA的復(fù)制：半保留復(fù)制（semiconservative replic

9、ation）細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的遺傳真核微生物DNA半保留復(fù)制過程細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的遺傳遺傳信息的傳遞和表達(dá)：中心法則細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的遺傳翻譯：將RNA獲得的信息（遺傳密碼：3個堿基序列決定一個氨基酸）翻譯成蛋白質(zhì)細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的遺傳密碼AUG為翻譯啟動信號細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的遺傳密碼UAA（UAG、UGA）為翻譯終止信號細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的遺傳基因表達(dá)的調(diào)控：結(jié)構(gòu)基因 調(diào)節(jié)基因 操縱基因細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的遺傳大腸桿菌乳糖操縱子負(fù)控制細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的遺傳大腸桿菌乳糖操縱子細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的遺傳大腸桿菌乳糖操縱子細(xì)菌的遺傳與變異

10、二、細(xì)菌的變異變異的途徑：基因突變（gene mutation）基因重組（gene recombination）基因突變類型：點突變(point mutation)倒位(inversion)易位(translocation)缺失(deletion)插入(insertion)基因重組類型：轉(zhuǎn)化(transformation)轉(zhuǎn)導(dǎo)(transduction)接合(conjugation)細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的變異基因突變：倒位(inversion)易位(translocation)細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的變異基因突變：缺失(deletion)插入(insertion)細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的變異基因突

11、變的主要特點：無定向性 稀有性 自發(fā)性 獨立性 穩(wěn)定性 可逆性 誘變性細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的變異基因突變無定向性的變量試驗證明細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的變異基因突變無定向性的影映試驗證明細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的變異根據(jù)基因突變的方式分類：自發(fā)突變（spontaneous mutation）誘發(fā)突變（induced mutation）細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的變異自發(fā)突變：外界環(huán)境的自然作用引起 或細(xì)菌自身的變化引起 回復(fù)突變：突變體回復(fù)野生表型 菌種退化問題誘發(fā)突變：人為利用物理化學(xué)因素（誘變劑）引起 誘變劑可以誘導(dǎo)各種類型的點突變 某些情況下突變能修復(fù)細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的變異常用誘變劑：紫外線 X射

12、線 r射線 化學(xué)誘變劑誘變育種：通過人工的方法處理微生物，使之發(fā)生突變，并應(yīng)用合理的篩選程序和方法，把適合人類需要的優(yōu)良菌種選育出來的過程。細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的變異誘變育種工作中應(yīng)考慮的幾個原則：選擇簡便有效的誘變劑 挑選優(yōu)良的出發(fā)菌株(original strain）處理單泡子(或單細(xì)胞)懸液 選用最適劑量 充分利用復(fù)合處理的協(xié)同效應(yīng)(synergism)利用和創(chuàng)造形態(tài)、生理與產(chǎn)量間的相關(guān)指標(biāo) 設(shè)計或采用高效篩選方案或方法細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的變異紫外線引起DNA中相鄰胸腺嘧啶堿基彼此結(jié)合細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的變異基因重組：轉(zhuǎn)化細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的變異Certain types of b

13、acteria can donate a piece of the their DNA to a recipient cell.The recombination is the bacterial equivalent of sexual reproduction in eukaryotes.Note that the entire DNA is not usually transferred,only a small piece.細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的變異基因重組：限制性轉(zhuǎn)導(dǎo)細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的變異基因重組：普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的變異基因重組：接合細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的變異基因重

14、組：接合過程細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的變異E.coli strains undergoing conjugation(TEM x27,700).細(xì)菌的遺傳與變異三、遺傳工程基因工程：用人工的方法通過體外基因重組和載體作用，使新構(gòu)建的遺傳物質(zhì)組合進(jìn)入新的個體，并在新的個體中得以穩(wěn)定遺傳和表達(dá)的過程。細(xì)菌的遺傳與變異基因工程的工具1、DNA的切割工具：限制性內(nèi)切酶分子剪刀2、DNA的縫合工具：DNA連接酶分子針線3、DNA的轉(zhuǎn)運工具：質(zhì)?；虿《痉肿虞d體細(xì)菌的遺傳與變異基因工程的工具1、限制性內(nèi)切酶（restriction endonucleases）能識DNA分子上某種特殊的核苷酸序列，并在二個特定的

15、堿基之間破壞其磷酸二酯鍵，從而將DNA分子的雙鏈交錯地切斷。細(xì)菌的遺傳與變異基因工程的工具2、DNA連接酶（DNA ligase）能在二個DNA分子片斷的末端之間形成磷酸二酯鍵，從而將DNA分子連接起來。細(xì)菌的遺傳與變異基因工程的工具3、DNA運載體 能自由進(jìn)出細(xì)胞，而且在裝載了外來DNA分子片斷后仍能照樣復(fù)制的小分子DNA。如：細(xì)菌質(zhì)粒DNA、噬菌體DNA、動物病毒DNA細(xì)菌的遺傳與變異基因工程的步驟1、取得目的基因2、目的基因與運載體結(jié)合3、雜種DNA分子進(jìn)入受體細(xì)胞細(xì)菌的遺傳與變異基因工程的步驟1、取得目的基因 限制性內(nèi)切酶處理DNA分子 反轉(zhuǎn)錄酶處理mRNA分子 化學(xué)方法合成DNA分子

16、細(xì)菌的遺傳與變異基因工程的步驟2、目的基因與運載體結(jié)合 如嵌合質(zhì)粒（chimera）細(xì)菌的遺傳與變異基因工程的步驟3、雜種DNA分子進(jìn)入受體細(xì)胞細(xì)菌的遺傳與變異基因工程在環(huán)境工程中的應(yīng)用1、在降解人工合成化合物和難降解物方面發(fā)揮重要作用2、教材例：降解石油的超級細(xì)菌、耐汞質(zhì)粒、降解染料的質(zhì)粒思 考 題1、直接計數(shù)法與間接計數(shù)法、保藏與復(fù)壯、分批培養(yǎng)與連續(xù)培養(yǎng)、基因與DNA分子、突變與重組分別有何不同？2、什么叫細(xì)菌的生長曲線？各期有何特點？3、證實DNA是遺傳物質(zhì)、DNA半保留復(fù)制的經(jīng)典實驗是什么？4、基因表達(dá)與細(xì)菌代謝有何聯(lián)系？5、試述波動試驗的實驗設(shè)計邏輯思想。6、遺傳密碼本質(zhì)是什么？能改變嗎？7、中心法則的含義和步驟？8、已知哪些化學(xué)和物理誘變劑引起突變？9、試討論細(xì)菌的突變效應(yīng)。10、轉(zhuǎn)化中的DNA片斷在染色體還是質(zhì)粒進(jìn)行？11、人類基因能在細(xì)菌質(zhì)粒插入并表達(dá)嗎？