环境工程微生物学微生物的遗传和变异3课件.ppt

1、LOGO环境工程微生物学主要内容主要内容l 微生物的遗传微生物的遗传(重点重点)l 微生物的变异微生物的变异l 基因重组基因重组l 遗传工程技术在环保中的应用遗传工程技术在环保中的应用(重点重点)微生物的遗传和变异（微生物的遗传和变异（重点重点）微生物的遗传微生物的遗传l 遗传和变异是一切生物遗传和变异是一切生物最本质最本质的属性。的属性。l 遗传遗传（保守性保守性/相对性相对性）l 变异变异（绝对性绝对性）育种育种/废水（气、固废）废水（气、固废）降解菌的筛选降解菌的筛选l 遗传和变异遗传和变异进化进化l 遗传学遗传学：研究生物遗传和变异现象的学科。：研究生物遗传和变异现象的学科。微生物的遗

2、传微生物的遗传l 遗传和变异的物质基础遗传和变异的物质基础DNADNAl DNADNA的结构与复制的结构与复制l DNADNA的的变性和复性变性和复性l RNARNA的类型和结构的类型和结构l 蛋白质的合成蛋白质的合成微生物的遗传微生物的遗传 一、遗传和变异的物质基础一、遗传和变异的物质基础DNADNA 三个经典实验三个经典实验（一）（一）经典转化实验经典转化实验（transformation）：（二）（二）噬菌体感染实验噬菌体感染实验（三）（三）植物病毒的重建实验植物病毒的重建实验经典转化实验经典转化实验S SR R噬菌体感染实验噬菌体感染实验噬菌体噬菌体1952.赫尔希和切斯赫尔希和切斯l

3、 1952年年l 赫尔希和切斯赫尔希和切斯l 噬菌体侵染噬菌体侵染 大肠杆菌实验大肠杆菌实验噬菌体感染实验噬菌体感染实验v为了证明核酸是遗传物质为了证明核酸是遗传物质，H.H.Fraenkel-Fraenkel-ConratConrat（19561956）用含用含RNARNA的烟草花叶病毒的烟草花叶病毒（TMVTMV）进行了著名的植物病毒重建实验。进行了著名的植物病毒重建实验。v将将TMVTMV在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就能将其在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就能将其蛋白质外壳与蛋白质外壳与RNARNA核心相分离。核心相分离。分离后的分离后的RNARNA在在没有蛋白质包裹的情况下，也能感染烟草并

4、使没有蛋白质包裹的情况下，也能感染烟草并使其患典型症状其患典型症状，而且在病斑中还能分离出正常，而且在病斑中还能分离出正常病毒粒子。病毒粒子。植物病毒的重建实验植物病毒的重建实验1 1、DNADNA的结构的结构 DNA DNA由两条多个由两条多个核苷酸核苷酸组成组成的链配对而成，两条链彼的链配对而成，两条链彼此互补，以此互补，以右手右手螺旋的方螺旋的方式围绕一根主轴而互相盘式围绕一根主轴而互相盘绕形成。绕形成。DNADNA的结构与复制的结构与复制19531953年年的的克里克克里克（Francis Crick,1916-2004)Francis Crick,1916-2004)（右）和右）和沃

5、森沃森(James(James Watson,Watson,19281928-)-)在实验室里，他们两人因为发现了在实验室里，他们两人因为发现了DNADNA的分子结构，而的分子结构，而在在19621962年与威尔金斯一起获得诺贝尔生理学和医学奖。年与威尔金斯一起获得诺贝尔生理学和医学奖。核苷酸的结构核苷酸的结构DNADNA的结构的结构 四种碱基四种碱基 A A（腺嘌呤）（腺嘌呤）T T（胸腺嘧啶）（胸腺嘧啶）G G（鸟嘌呤）（鸟嘌呤）C C（胞嘧啶）（胞嘧啶）DNADNA的结构的结构DNADNA分子结构分子结构DNADNA的结构的结构DNADNA的结构的结构 AT,GC AT,GC互相间通过互

6、相间通过 氢键氢键连接。连接。DNADNA的存在形式的存在形式染色体（染色体（DNADNA和蛋白和蛋白）1.1.基因基因l是一个具有遗传因子效应的是一个具有遗传因子效应的DNADNA片段片段，它是遗传物质，它是遗传物质的最小功能单位。的最小功能单位。l是生物染色体上的是生物染色体上的一段一段DNADNA，它储存了遗传信息，又它储存了遗传信息，又具有自我复制的能力。具有自我复制的能力。l基因具有特定的碱基顺序，即核苷酸顺序，它不仅可基因具有特定的碱基顺序，即核苷酸顺序，它不仅可以决定生物的某一个性状，而且还具有调控其他基因以决定生物的某一个性状，而且还具有调控其他基因表达活性的功能。基因既是一个

7、结构单位，也是一个表达活性的功能。基因既是一个结构单位，也是一个功能单位。功能单位。基因基因遗传因子遗传因子l 基因基因控制控制遗传性状，但遗传性状，但不等于不等于遗传性状。遗传性状。任何一个遗传性状的表达都是在基因控制任何一个遗传性状的表达都是在基因控制下的个体发育的结果。下的个体发育的结果。l 从基因型到表现型需要通过从基因型到表现型需要通过酶催化酶催化的代谢的代谢活动来实现。基因直接控制酶的合成，控活动来实现。基因直接控制酶的合成，控制制新陈代谢新陈代谢，从而决定遗传性状的表现。，从而决定遗传性状的表现。基因基因遗传因子遗传因子？遗传信息的传递遗传信息的传递分子生物学中心法则分子生物学中

8、心法则遗传信息通过遗传信息通过DNADNA的复制的复制和和蛋白质的表达蛋白质的表达1 1、DNADNA的复制的复制DNADNA具有独特的具有独特的半保留式半保留式的自我复制能力，确保了的自我复制能力，确保了DNADNA复制精确，并保证一切生物遗传性的相对稳复制精确，并保证一切生物遗传性的相对稳定。定。DNADNA的复制的复制DNADNA的复制的复制2 2、DNADNA的复制的酶的复制的酶（1 1）解旋酶）解旋酶（2 2）DNADNA聚合酶聚合酶（3 3）DNADNA连接酶连接酶 能使细胞中游离的四种脱氧核糖核苷三能使细胞中游离的四种脱氧核糖核苷三磷酸（磷酸（dATP,dCTP,dTTP.dGT

9、PdATP,dCTP,dTTP.dGTP）合成合成DNADNA(有适量有适量DNADNA和和Mg2+)Mg2+)；性质：性质：模板模板指导性的酶指导性的酶 5-35-3 产物产物DNADNA和天然的和天然的DNADNA性质相同性质相同l DNADNA的的变性变性：l 解链温度解链温度TmTm：l DNADNA的的复性复性：DNADNA的变性和复性的变性和复性DNADNA的变性的变性DNADNA复性复性mRNAmRNA叫信使叫信使 RNARNA，tRNAtRNA叫转移叫转移RNARNA，rRNArRNA（核糖体核糖体RNARNA）反义反义RNARNA起起调节作用调节作用，决定，决定mRNAmRN

10、A翻译合成速度。翻译合成速度。由由mRNAmRNA、tRNAtRNA、反义反义RNARNA和和rRNArRNA协作合成蛋白质协作合成蛋白质。RNARNA及其作用及其作用 DNADNA分子的四种碱基分子的四种碱基 A A（腺嘌呤）（腺嘌呤）T T（胸腺嘧啶）（胸腺嘧啶）G G（鸟嘌呤）（鸟嘌呤）C C（胞嘧啶）（胞嘧啶）RNARNA分子的四种碱基分子的四种碱基 A A（腺嘌呤）（腺嘌呤）U U（尿嘧啶）（尿嘧啶）G G（鸟嘌呤）（鸟嘌呤）C C（胞嘧啶）（胞嘧啶）蛋白质合成蛋白质合成蛋白质合成蛋白质合成mRNAmRNAmRNAmRNA+tRNAtRNAmRNA+mRNA+tRNAtRNA+rRN

11、ArRNA蛋白质合成蛋白质合成碱基配对碱基配对遗传密码遗传密码-氨基酸氨基酸mRNAmRNAtRNAtRNA蛋白质合成蛋白质合成6464蛋白质合成蛋白质合成mRNA mRNA 合成合成mRNA mRNA 合成合成1.1.识别功能识别功能 （起始；终止起始；终止）2.2.解旋功能解旋功能特点：特点：1.RNA1.RNA很短很短 2.2.单链单链蛋白质的合成蛋白质的合成蛋白质的合成蛋白质的合成蛋白质的合成蛋白质的合成蛋白质的合成蛋白质的合成蛋白质的合成蛋白质的合成蛋白质的合成蛋白质的合成蛋白质的合成蛋白质的合成蛋白质的合成蛋白质的合成蛋白质的合成蛋白质的合成蛋白质的合成蛋白质的合成蛋白质合成过程：

12、蛋白质合成过程：v 转录转录mRNAmRNA：由：由DNADNA转录成转录成mRNAmRNA，同时也转录成同时也转录成其他几种其他几种RNARNA；v 翻译翻译：由：由tRNAtRNA完成；完成；v 蛋白质合成蛋白质合成：依托核糖体，合成：依托核糖体，合成多肽多肽，v 经修饰、折叠、加工经修饰、折叠、加工，最终生成具有特定功，最终生成具有特定功能的蛋白质。能的蛋白质。蛋白质的合成蛋白质的合成第二节第二节 微生物的变异微生物的变异 一、变异的实质一、变异的实质在微生物遗传过程中，由于某种因素的影响，在微生物遗传过程中，由于某种因素的影响，DNADNA上的上的碱基碱基对发生差错对发生差错，出现碱基

13、的缺失、置换或插入，出现碱基的缺失、置换或插入，改变改变了基因了基因内原有的内原有的碱基顺序碱基顺序，导致后代性状的改变。当这种改变可，导致后代性状的改变。当这种改变可以遗传时，就是发生了突变。所以说以遗传时，就是发生了突变。所以说基因突变基因突变是微生物发是微生物发生变异的实质。生变异的实质。“嵌入染料嵌入染料”：吖啶橙，原黄素、溴化乙锭吖啶橙，原黄素、溴化乙锭二、突变的类型二、突变的类型突变的类型突变的类型 自发突变自发突变 诱发突变诱发突变第二节第二节 微生物的变异微生物的变异l 物理诱变，如物理诱变，如紫外线紫外线。l 化学诱变，利用化学物质促进突变。化学诱变，利用化学物质促进突变。紫

14、外线的作用机理：形成紫外线的作用机理：形成T T的二聚体的二聚体，从而导致从而导致DNADNA复制出现错误。复制出现错误。光复活性：光复活性：核苷酸切除修复酶核苷酸切除修复酶 遗传病、癌症遗传病、癌症突变的应用突变的应用可进行可进行定向培育和驯化定向培育和驯化。在环境工程中，常采用定向培育的方法来培育菌在环境工程中，常采用定向培育的方法来培育菌种（种（驯化驯化）。）。第二节第二节 微生物的变异微生物的变异诱变育种诱变育种三、基因重组三、基因重组基因重组是改变微生物遗传性状的另一途径。把基因重组是改变微生物遗传性状的另一途径。把来自不来自不同性状的个体细胞的遗传物质转移到一起，使基因重同性状的个

15、体细胞的遗传物质转移到一起，使基因重新组合，产生新品种新组合，产生新品种，称为基因重组或遗传重组，称为基因重组或遗传重组。重组是重组是分子水平分子水平上的一个概念，可以理解为遗传物质上的一个概念，可以理解为遗传物质分分子水平子水平的杂交。的杂交。第三节第三节 基因重组基因重组基因工程基因工程基因工程过程示意图基因工程过程示意图剪切酶剪切酶连接酶连接酶修饰酶修饰酶遗传工程技术在环保中的应用遗传工程技术在环保中的应用（1 1）石油石油降解功能菌的构建降解功能菌的构建（2 2）烃类和抗汞烃类和抗汞质粒菌的构建质粒菌的构建（3 3）脱色工程菌脱色工程菌的构建的构建（4 4）特殊环境特殊环境下的下的Q5

16、TQ5T工程菌的构建工程菌的构建（5 5）人工合成有机物人工合成有机物工程菌的构建工程菌的构建（6 6）重金属重金属污染的基因工程修复污染的基因工程修复 基因工程在环保方面的应用基因工程在环保方面的应用（1 1）石油降解功能菌的构建）石油降解功能菌的构建 l环境污染净化环境污染净化 2020世纪世纪7070年代年代美国生物学家美国生物学家ChakrabartyChakrabarty等对等对假单胞杆菌属假单胞杆菌属的不同菌种分解烃类化台物的遗传学进行了大量研究，发现的不同菌种分解烃类化台物的遗传学进行了大量研究，发现假单胞杆菌属的许多菌种的细胞内含有假单胞杆菌属的许多菌种的细胞内含有某种降解质粒

17、某种降解质粒，它们控制，它们控制着石油中着石油中烃类烃类降解菌酶降解菌酶的合成。的合成。基因工程在环保方面的应用基因工程在环保方面的应用(2)(2)烃类和抗汞质粒菌的构建烃类和抗汞质粒菌的构建 ChakrabartvChakrabartv等人同时将著油的假单胞菌体内能够阵解等人同时将著油的假单胞菌体内能够阵解辛烷、乙烷、癸烷辛烷、乙烷、癸烷功能的功能的0CT0CT质粒质粒和和抗汞质粒抗汞质粒MERMER向时转移向时转移到对到对20mg/L20mg/L汞敏感的汞敏感的恶臭假单胞菌体恶臭假单胞菌体内，结果使对汞敏感内，结果使对汞敏感的恶臭假单胞菌转变成了能抗的恶臭假单胞菌转变成了能抗505070m

18、g/L70mg/L汞，且能同时汞，且能同时分解烷烃的抗汞质粒菌。分解烷烃的抗汞质粒菌。基因工程在环保方面的应用基因工程在环保方面的应用（3 3）脱色工程菌的构建）脱色工程菌的构建基因工程在环保方面的应用基因工程在环保方面的应用 目前，已经将含有降解偶氮染料质粒的编号目前，已经将含有降解偶氮染料质粒的编号K24K24和和K46K46两株两株假单胞菌假单胞菌通过质粒转移技术培育出兼有分解两种偶氮染料通过质粒转移技术培育出兼有分解两种偶氮染料功能的功能的脱色工程菌脱色工程菌。（4 4）特殊环境下的）特殊环境下的Q5TQ5T工程菌的构建工程菌的构建基因工程在环保方面的应用基因工程在环保方面的应用 Q5

19、TQ5T工程菌工程菌是由将嗜温菌是由将嗜温菌pseudomounaspseudomounas putdaputda pawl pawl 中能中能降解甲苯和二甲苯的质粒降解甲苯和二甲苯的质粒TOLTOL转移到转移到嗜冷菌嗜冷菌Q5Q5 菌株体内构建菌株体内构建而成的。而成的。该该Q5TQ5T工程菌在工程菌在0 0摄氏度时仍能正常利用浓度为摄氏度时仍能正常利用浓度为1000mg/L1000mg/L的的甲苯作为碳源，这对寒冷地区进行废水生物处理既有十分重甲苯作为碳源，这对寒冷地区进行废水生物处理既有十分重要的意义。要的意义。（5 5）人工合成有机物人工合成有机物工程菌的构建工程菌的构建A.多氯联苯多

20、氯联苯PCBs基因工程在环保方面的应用基因工程在环保方面的应用基因工程在环保方面的应用基因工程在环保方面的应用B.除草剂：除草剂：阿特拉津阿特拉津B.除草剂：除草剂：阿特拉津阿特拉津B.除草剂：除草剂：阿特拉津阿特拉津基因工程在环保方面的应用基因工程在环保方面的应用C.有机磷有机磷 农药农药（中国期刊网）（中国期刊网）基因工程在环保方面的应用基因工程在环保方面的应用国外国外国外国外（中国期刊网）（中国期刊网）基因工程在环保方面的应用基因工程在环保方面的应用国内国内基因工程在环保方面的应用基因工程在环保方面的应用（6）重金属污染）重金属污染的基因工程修复的基因工程修复基因工程在环保方面的应用基因工程在环保方面的应用lDNADNA的结构与复制的结构与复制l蛋白质的合成蛋白质的合成lDNADNA的变性和复性的变性和复性重点提示！重点提示！