环境工程微生物学微生物遗传.pptx
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1、第第第第7 7章章章章 微生物的遗传微生物的遗传微生物的遗传微生物的遗传第五节第五节细菌基因转移和重组细菌基因转移和重组第一节第一节遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础第四节第四节 基因突变及修复基因突变及修复第二节第二节微生物的基因组结构微生物的基因组结构第三节第三节 质粒质粒遗传(遗传(inheritance)和变异()和变异(variation)是生命的最本质特性之一)是生命的最本质特性之一遗传型遗传型:表型(表现型)表型(表现型):生物的全部遗传因子生物的全部遗传因子,即基因组所携带的所有遗传信息即基因组所携带的所有遗传信息具有一定遗传型的个体,在特定环境条件具有一定遗传型的个体,在特
2、定环境条件下通过生长发育所表现出来的形态等生物下通过生长发育所表现出来的形态等生物学特征的总和。学特征的总和。表型是由遗传型所决定,但也和环境有关。表型是由遗传型所决定,但也和环境有关。第第第第7 7章章章章 微生物的遗传微生物的遗传微生物的遗传微生物的遗传表型饰变:表型饰变:表型的差异只与环境有关表型的差异只与环境有关特点:表现为全部个体的行为特点:表现为全部个体的行为,不涉及遗传物质不涉及遗传物质结构改变结构改变,只发生在转录只发生在转录,翻译水平上的表型变化翻译水平上的表型变化.橘生淮南则为橘,生于淮北则为枳。橘生淮南则为橘,生于淮北则为枳。表型饰变:表型饰变:Productionofa
3、redpigment(prodigiosin)bySerratiamarcescens.Fromlefttoright:slantculturegrownat25C,slantculturegrownat37C,brothculturegrownat25C,brothculturegrownat37C.遗传型变异(基因变异、基因突变):遗传型变异(基因变异、基因突变):生物体在某种外因或内因的作用下所引起的遗传物质结构生物体在某种外因或内因的作用下所引起的遗传物质结构或数量的改变或数量的改变.(自发突变频率通常为(自发突变频率通常为1010-6-6-10-10-9-9)微生物在遗传学研究中担当
4、重要角色:微生物在遗传学研究中担当重要角色:t微生物细胞结构简单,营养体一般为单倍体,方便建立纯系。微生物细胞结构简单,营养体一般为单倍体,方便建立纯系。t很多常见微生物都易于人工培养,快速、大量生长繁殖很多常见微生物都易于人工培养,快速、大量生长繁殖。t对环境因素的作用敏感,易于获得各类突变株,操作性强。对环境因素的作用敏感,易于获得各类突变株,操作性强。生长周期、孟德尔第一节第一节遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础一、一、DNA作为遗传物质作为遗传物质二、二、RNA作为遗传物质作为遗传物质三、朊病毒的发现与思考三、朊病毒的发现与思考第一节第一节遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础一、一、
5、DNA作为遗传物质作为遗传物质1、经典转化实验、经典转化实验(F.Griffith1928年年)肺炎链球菌:肺炎链球菌:S型型(菌体具荚膜,菌落表面光滑,有致病能力)(菌体具荚膜,菌落表面光滑,有致病能力)R型型(菌体无荚膜,菌落表面粗糙,无(菌体无荚膜,菌落表面粗糙,无致病能力)致病能力)一、一、DNA作为遗传物质作为遗传物质第一节第一节遗传的物质基础遗传的物质基础分别用降解分别用降解DNADNA、RNARNA、蛋白质的酶、蛋白质的酶作用于有毒的作用于有毒的S S型菌细胞抽提物型菌细胞抽提物只有只有DNADNA被酶降解破坏的抽提物无转化活性被酶降解破坏的抽提物无转化活性DNADNA是转化所必
6、需的转化因子是转化所必需的转化因子第一节第一节遗传的物质基础遗传的物质基础AveryAvery在四十年代以更精密的实验设计重复了以上实验在四十年代以更精密的实验设计重复了以上实验一、一、DNA作为遗传物质作为遗传物质第一节第一节遗传的物质基础遗传的物质基础 1944 1944年,年,AveryAvery证实证实DNADNA是遗传物质,这是是遗传物质,这是2020世纪生物科世纪生物科学的重大发现,现代生物学正是建立在这个基础之上。在此学的重大发现,现代生物学正是建立在这个基础之上。在此之后,建立之后,建立DNADNA分子结构模型的科学家获得了诺贝尔奖,阐分子结构模型的科学家获得了诺贝尔奖,阐述述
7、DNADNA生物合成机理的科学家获得了诺贝尔奖,发明生物合成机理的科学家获得了诺贝尔奖,发明DNADNA复制复制技术的科学家也获得了诺贝尔奖。可是,技术的科学家也获得了诺贝尔奖。可是,DNADNA的发现者或确的发现者或确定者始终没有被授予诺贝尔奖。定者始终没有被授予诺贝尔奖。AveryAvery完成这项惊世之作时完成这项惊世之作时已经已经6767岁岁,当诺贝尔奖委员会认识到他的发现伟大之时,他当诺贝尔奖委员会认识到他的发现伟大之时,他已经谢世了。已经谢世了。第一节 遗传的物质基础2、噬菌体感染实验、噬菌体感染实验(A.D.Hershey和和M.Chase1952年年)把把携带有噬菌体的携带有噬
8、菌体的E.coli培养在含培养在含32P和和35S作为磷源作为磷源和硫源的培养基中和硫源的培养基中,从而制备出含从而制备出含32P-DNA的核心和含的核心和含35S-蛋白质外壳的噬菌体蛋白质外壳的噬菌体,接下来进行以下实验接下来进行以下实验:第一节第一节遗传的物质基础遗传的物质基础T2噬噬菌菌体体感感染染实实验验(1952年年)第一节第一节遗传的物质基础遗传的物质基础二、二、RNA作为遗传物质作为遗传物质植物病毒的重建实验植物病毒的重建实验(H.Fraenkel-Conrat1956年年)材料材料:烟草花叶病毒烟草花叶病毒(tobaccomosaicvirusTMV)霍氏车前花叶病毒霍氏车前花
9、叶病毒(HolmesribgrassvirusHRV)第一节第一节遗传的物质基础遗传的物质基础二、二、RNA作为遗传物质作为遗传物质第一节第一节遗传的物质基础遗传的物质基础三、朊病毒的发现与思考三、朊病毒的发现与思考亚病毒的一种:具有传染性的蛋白质致病因子,迄今为止尚未亚病毒的一种:具有传染性的蛋白质致病因子,迄今为止尚未发现该蛋白内含有核酸。发现该蛋白内含有核酸。其致病作用是由于动物体内正常的蛋白质其致病作用是由于动物体内正常的蛋白质PrPc改变折叠状态为改变折叠状态为PrPsc所致,而这二种蛋白质的一级结构并没有改变。所致,而这二种蛋白质的一级结构并没有改变。第一节第一节遗传的物质基础遗传
10、的物质基础三、朊病毒的发现与思考三、朊病毒的发现与思考人的库鲁病人的库鲁病(kuru)、克雅氏病、克雅氏病(CreutzfeldtJakobdisease,CJD)等等羊搔痒症羊搔痒症(scrapie)牛海绵状脑病牛海绵状脑病(spongiformencephalopathy)引起人与动物的致死性中枢神经系统疾病引起人与动物的致死性中枢神经系统疾病Prusiner(1982)Prusiner(1982)提出提出羊搔痒病因子羊搔痒病因子是一种蛋白质侵染颗粒是一种蛋白质侵染颗粒(proteinaceous infectious particleproteinaceous infectious pa
11、rticle),并将之称做),并将之称做PrionPrion或或VirinoVirino。-朊病毒朊病毒1997年,Stanley B.Prusiner荣获诺贝尔奖第一节第一节遗传的物质基础遗传的物质基础三、朊病毒的发现与思考三、朊病毒的发现与思考1)蛋白质是否可以作为遗传物质?)蛋白质是否可以作为遗传物质?prion是生命的一个特例?还是仅仅为表达调控的一种形式?是生命的一个特例?还是仅仅为表达调控的一种形式?2)蛋白质折叠与功能的关系?)蛋白质折叠与功能的关系?DNARNARNA蛋白质蛋白质第二节第二节微生物的基因组结构微生物的基因组结构一、概念一、概念基因组(基因组(genomegeno
12、me):):一个物种的单倍体的所有染色体及其所包含的遗传信息的总称一个物种的单倍体的所有染色体及其所包含的遗传信息的总称原核生物(如细菌),多为单倍体原核生物(如细菌),多为单倍体(在一般情况下只有一条染色体)(在一般情况下只有一条染色体)真核微生物,多条染色体,真核微生物,多条染色体,例如啤酒酵母有例如啤酒酵母有1616条染色体。条染色体。有时为双倍体有时为双倍体第二节第二节微生物的基因组结构微生物的基因组结构二、微生物与人类基因组计划二、微生物与人类基因组计划人类基因组计划人类基因组计划(HumanGenomeProject)1985年提出;年提出;1990年正式开始实施;年正式开始实施;
13、2001年年2月,测序工作完成;月,测序工作完成;后基因组时代(后基因组时代(PostgenomeEra)第二节第二节微生物的基因组结构微生物的基因组结构二、微生物与人类基因组计划二、微生物与人类基因组计划微生物基因组测序工作是在人类基因组计划的促进下开始的,微生物基因组测序工作是在人类基因组计划的促进下开始的,最开始是作为模式生物,后来不断发展,已成为研究微生物学最开始是作为模式生物,后来不断发展,已成为研究微生物学的最有力的手段。的最有力的手段。第二节第二节微生物的基因组结构微生物的基因组结构二、微生物与人类基因组计划二、微生物与人类基因组计划被选择进行全基因组测序的微生物:被选择进行全基
14、因组测序的微生物:1、人类基因组计划中的模式生物、人类基因组计划中的模式生物2、与人类生活关系密切的微生物、与人类生活关系密切的微生物重要的致病菌及一些工业生产菌重要的致病菌及一些工业生产菌3、对阐明生物学基本问题有价值的微生物、对阐明生物学基本问题有价值的微生物例如一些古生菌:如例如一些古生菌:如Methanococcusjannaschii(詹氏甲烷球菌詹氏甲烷球菌)等,它们是微生等,它们是微生物世界多样性的代表,它们的序列比较有助于找出其进化关系。物世界多样性的代表,它们的序列比较有助于找出其进化关系。第二节 微生物的基因组结构三、微生物基因组结构的特点三、微生物基因组结构的特点1、原核
15、生物(细菌、古生菌)的基因组、原核生物(细菌、古生菌)的基因组1)染色体为)染色体为双链环状的双链环状的DNA分子(单倍体);分子(单倍体);第二节第二节微生物的基因组结构微生物的基因组结构三、微生物基因组结构的特点三、微生物基因组结构的特点1、原核生物(细菌、古生菌)的基因组、原核生物(细菌、古生菌)的基因组1)染色体为)染色体为双链环状的双链环状的DNA分子(单倍体);分子(单倍体);2)基因组上遗传信息具有连续性;)基因组上遗传信息具有连续性;微生物基因组微生物基因组DNA绝大部分用来编码蛋白质、绝大部分用来编码蛋白质、RNA;用作为复制;用作为复制起点、启动子、终止子和一些由调节蛋白识
16、别和结合的位点等信起点、启动子、终止子和一些由调节蛋白识别和结合的位点等信号序列。号序列。一般不含内含子,遗传信息是连续的而不是中断的。一般不含内含子,遗传信息是连续的而不是中断的。真核生物基因组的一个重要特点就是含有内含子真核生物基因组的一个重要特点就是含有内含子第二节第二节微生物的基因组结构微生物的基因组结构三、微生物基因组结构的特点三、微生物基因组结构的特点1、原核生物(细菌、古生菌)的基因组、原核生物(细菌、古生菌)的基因组第二节第二节微生物的基因组结构微生物的基因组结构三、微生物基因组结构的特点三、微生物基因组结构的特点1、原核生物(细菌、古生菌)的基因组、原核生物(细菌、古生菌)的
17、基因组1)染色体为)染色体为双链环状的双链环状的DNA分子(单倍体);分子(单倍体);2)基因组上遗传信息具有连续性;)基因组上遗传信息具有连续性;3)功能相关的结构基因组成操纵子结构;)功能相关的结构基因组成操纵子结构;4)结构基因的单拷贝及)结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝;基因的多拷贝;5)基因组的重复序列少而短;)基因组的重复序列少而短;操纵子(操纵子(operonoperon):):功能相关的几个基因前后相连,再加上一个共同的调节基因和一组功能相关的几个基因前后相连,再加上一个共同的调节基因和一组共同的控制位点(启动子、操作子等)在基因转录时协同动作。共同的控制位点(启动子、操
18、作子等)在基因转录时协同动作。操纵子(操纵子(operonoperon):):功能相关的几个基因前后相连,再加上一个共同的调节基因和一组功能相关的几个基因前后相连,再加上一个共同的调节基因和一组共同的控制位点(启动子、操作子等)在基因转录时协同动作。共同的控制位点(启动子、操作子等)在基因转录时协同动作。第二节第二节微生物的基因组结构微生物的基因组结构三、微生物基因组结构的特点三、微生物基因组结构的特点2、真核微生物(啤酒酵母)的基因组、真核微生物(啤酒酵母)的基因组1)典型的真核染色体结构;)典型的真核染色体结构;2)没有明显的操纵子结构;)没有明显的操纵子结构;啤酒酵母基因组大小为啤酒酵母
19、基因组大小为13.5106bp,分布在,分布在16条染色体中。条染色体中。3)有间隔区(即非编码区)和内含子序列;)有间隔区(即非编码区)和内含子序列;4)重复序列多;)重复序列多;第三节第三节质粒质粒质粒(质粒(plasmid):):一种独立于染色体外,能进行自主复制的细胞质遗传因子,主要存在于各种微生物细胞中。转座因子(转座因子(transposableelement):):位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置的DNA序列,广泛分布于原核和真核细胞中。质粒和转座因子是细胞中除染色体以外的另外两类遗传因子质粒和转座因子是细胞中除染色体以外的另外两类遗传因子第三节第三节质粒质粒一、质粒的分子
20、结构一、质粒的分子结构通常以共价闭合环状通常以共价闭合环状(covalentlyclosedcircle,简称,简称CCC)的的超螺旋双链超螺旋双链DNA分子存在于细胞中;分子存在于细胞中;也发现有线型双链也发现有线型双链DNA质粒和质粒和RNA质粒;质粒;质粒分子的大小范围多在质粒分子的大小范围多在1kb到到100Kb左右;左右;第三节第三节质质粒粒二、质粒的主要类型二、质粒的主要类型在某些特殊条件下,质粒有时能赋予宿主细胞以特殊的机能,在某些特殊条件下,质粒有时能赋予宿主细胞以特殊的机能,从而使宿主得到生长优势。从而使宿主得到生长优势。质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的;质粒所含的基因
21、对宿主细胞一般是非必需的;二、质粒的主要类型二、质粒的主要类型1、致育因子致育因子(Fertilityfactor,F因子因子)又称又称F质粒,其大小约质粒,其大小约100kb,这是最早发现的一种与大肠杆菌,这是最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖现象(接合作用)有关的质粒。的有性生殖现象(接合作用)有关的质粒。携带携带F质粒的菌株称为质粒的菌株称为F+菌株菌株(相当于雄性),无(相当于雄性),无F质粒的质粒的菌株称为菌株称为F-菌株(相当于雌性)。菌株(相当于雌性)。第三节第三节质质粒粒二、质粒的主要类型二、质粒的主要类型1、致育因子致育因子(Fertilityfactor,F因子因子)F因子
22、能以游离状态因子能以游离状态(F+)和和以与染色体相结合的状态以与染色体相结合的状态(Hfr)存在于细胞中存在于细胞中.有关内容在讲细菌的接合作用有关内容在讲细菌的接合作用(conjugation)时具体介绍)时具体介绍第三节第三节质质粒粒2、抗性因子(抗性因子(Resistancefactor,R因子)因子)主要包括抗药性和抗重金属二大类,简称主要包括抗药性和抗重金属二大类,简称R质粒。质粒。R100质粒质粒(89kb)可使宿主对可使宿主对下列药物及重金属具有抗性:下列药物及重金属具有抗性:汞(汞(mercuricion,mer)四环素(四环素(tetracycline,tet)链霉素链霉素
23、(Streptomycin,Str)、磺胺磺胺(Sulfonamide,Su)、氯霉素氯霉素(Chlorampenicol,Cm)夫西地酸(夫西地酸(fusidicacid,fus)并且负责这些抗性的基因是并且负责这些抗性的基因是成簇地存在于抗性质粒上。成簇地存在于抗性质粒上。抗性质粒在细菌间的传递是细菌抗性质粒在细菌间的传递是细菌产生抗药性的重要原因之一。产生抗药性的重要原因之一。第三节第三节质质粒粒二、质粒的主要类型二、质粒的主要类型3、产细菌素的质粒(产细菌素的质粒(Bacteriocinproductionplasmid)第三节第三节质质粒粒二、质粒的主要类型二、质粒的主要类型4、毒性
24、质粒(毒性质粒(virulenceplasmid)许多致病菌的致病性是由其所携带的质粒引起的,这些质粒许多致病菌的致病性是由其所携带的质粒引起的,这些质粒具有编码毒素的基因,其产物对宿主(动物、植物)造成伤害。具有编码毒素的基因,其产物对宿主(动物、植物)造成伤害。产毒素大肠杆菌是引起人类和动物腹泻的主要病原菌之一,产毒素大肠杆菌是引起人类和动物腹泻的主要病原菌之一,其中许多菌株含有为一种或多种肠毒素编码的质粒。其中许多菌株含有为一种或多种肠毒素编码的质粒。苏云金杆菌含有编码苏云金杆菌含有编码内毒素内毒素(伴孢晶体中伴孢晶体中)的质粒的质粒第三节第三节质质粒粒二、质粒的主要类型二、质粒的主要类
25、型5、代谢质粒(Metabolic plasmid)质粒上携带有有利于微生物生存的基因,如能降解某些基质质粒上携带有有利于微生物生存的基因,如能降解某些基质的酶,进行共生固氮,或产生抗生素(某些放线菌)等。的酶,进行共生固氮,或产生抗生素(某些放线菌)等。将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用的简单形式,环境保护方面具有重要的意义。的简单形式,环境保护方面具有重要的意义。假单胞菌:假单胞菌:具有降解一些有毒化合物,如芳香簇化合物具有降解一些有毒化合物,如芳香簇化合物(苯苯)、农药、农药(2,4-dichlorophenoxyacetic
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