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微生物的遗传和变异医学知识第一节遗传和变异现象2微生物的遗传和变异医学知识◼遗传（heredity或inheritance）亲代的性状在子代表现出来，使子代与亲代有相似的现象，叫遗传。从分子水平上讲，遗传就是遗传信息的复制和表

达。遗传即是生物的保守性——像。3微生物的遗传和变异医学知识◼变异（variation）•亲代与子代及子代各个体之间，无论在形态结构和生理机能方面，总会有差异，这种同类型不同个体之间的差异称为变异。从分子水平讲，是遗传信息

发生了变化。•变化——不像。•遗传和变异是生物体最本质的属性之一4微生物的遗传和变异医学知识◼意义：遗传和变异是一切生物存在和进化的基本要素。对于育种的意义：前提条件是稳定性，同时又有变化。在环境保护领域的应用

。◼遗传是相对的，变异是绝对的；遗传中有变异，变异中有遗传。◼遗传学（Genetics):研究生物遗传和变异现象的学科。5微生物的遗传和变异医学知识第二节微生物的遗传6微生物的遗传和变异医学知识一、遗传和变异的物质基础——DNA1、对DN

A的认识和研究历史◼孟德尔的理论（1865年）•豌豆实验•孟德尔定理的重新发现（1900年）◼DNA（及RNA）是遗传物质的研究历史7微生物的遗传和变异医学知识三个经典实验（1）肺炎链球菌的转化实验(F.Griffith，1928)8微生

物的遗传和变异医学知识1944年，O.T.Avery⚫在加热杀死的S型细菌中，必然存在某种活性物质——转化因子，促使小鼠体内R型活细菌转化为有毒性S型活细菌。⚫这种转化因子到底是什么物质呢？9微生物的遗传和变异医学知识噬菌体用放射性35S跟踪蛋白质表层用放射性31P跟踪

核心的DNA侵染搅拌分离细胞中无35S外表有35S细胞中有31P外表无31P（2）噬菌体感染实验（A.D.Hershy，M.Chase，1952）⚫在噬菌体侵染细菌过程中，蛋白质外壳留在细菌细胞外，只有DNA进入了细胞。证明遗传物质是DNA，而不

是蛋白质。10微生物的遗传和变异医学知识（3）病毒的拆开和重建实验(H.Fraenkel-Conrat,Singer.1956)⚫结论：烟草花叶病毒中的遗传物质是RNA，而不是蛋白质。（烟草花叶病毒）（车前草病毒）11微生物的遗传和变异医

学知识二、DNA的结构与复制（一）DNA结构⚫DNA由两条多个核苷酸组成的链配对而成，两条链彼此互补，以右手螺旋的方式围绕一根主轴而互相盘绕形成。四种碱基A（腺嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、G（鸟嘌呤）、C（胞嘧啶）相互配对。A~

T,G~C互相间通过氢键连接。1953年的克里克（FrancisCrick,1916-2004)（右）和沃森(JamesWatson,1928-)在实验室里，他们两人因为发现了DNA的分子结构，而在1962年与威尔金斯

一起获得诺贝尔生理学和医学奖。12微生物的遗传和变异医学知识核苷酸的结构13微生物的遗传和变异医学知识四种碱基的结构14微生物的遗传和变异医学知识DNA分子结构15微生物的遗传和变异医学知识A与T、G与C的配对

（依靠氢键连接）16微生物的遗传和变异医学知识17微生物的遗传和变异医学知识1、DNA的存在形式⚫真核生物：染色体（DNA+组蛋白），丝状结构，所有染色体由核膜包成一个细胞膜⚫原核生物：DNA细丝构成环状的染色体，质粒2、基因:是

一切生物体内储存信息的，有自我复制能力的遗传功能单位。是具有固定起点和终点的核苷酸或密码的线性序列。3、遗传信息的传递:中心法则18微生物的遗传和变异医学知识(二）DNA的复制——半保留复制⚫以亲代DNA分子的两条链为模板合

成各自的互补链，形成两个子代的DNA分子的过程称为复制，这个过程是半保留复制即合成新的DNA分子时，子代DNA的一条链来自亲代，另一条链为新合成的互补链。19微生物的遗传和变异医学知识过程：1、DNA解旋酶对DNA进行解旋.2、DNA结合蛋白

结合在打开的DNA单链上，不与双链结合，促使反应向偏向单链形成的方向进行，使DNA在大大低于Tm温度下发生双链的解离，双螺旋则在复制叉的前方分开，并在复制叉处稳定单链结构，阻止再形成双螺旋。20微生物的遗传和变异医学知识3、DNA复制在一段RNA引物的基础上加进脱

氧核苷酸。由RNA引物酶催化合成一段RNA。4、DNA聚合酶（I、II、III）催化DNA片段的延长。5、DNA连接酶。DNA后随链上的复制是不连续的，冈崎片段形成后，5’端的RNA引物通过DNA聚合酶I催化的切口移位而降解，并为DNA片段所置换，形成的切口由DNA连接酶

封闭。6、DNA回旋酶使松弛DNA变成负超螺旋21微生物的遗传和变异医学知识DNA变性伴随着许多物理性质的变化，特别有用的是增色效应。DNA变性过程中，A260值先是缓慢上升到达一个温度值后骤然上升，吸收值增加的中点称为融解温度（melti

ngtemperature，Tm）,即解链温度。一般Tm在85-95度之间，Tm取决于DNA的G+C含量，含量高，Tm也高。三、DNA的变性和复性（一）DNA变性DNA的双螺旋由氢键维持，当天然双螺旋DNA受热或其他因素作用下，两条链之间的结合力被破坏而分开成为单链DNA，即称为DNA变性

。22微生物的遗传和变异医学知识（二）DNA复性⚫热变性DNA若缓慢冷却，已分开的互补链又可重新形成天然DNA的过程叫复性或退火。复性的DNA是随机结合的。由DNA复性研究发展成的一种实验技术是分子杂交，杂交可以发生在DNA之间或DNA

与RNA之间，DNA之间杂交可用于估测DNA间的同源序列，不同生物在进化过程中相关性。DNA与RNA杂交可通过RNA转录来检测DNA中特定基因的存在。23微生物的遗传和变异医学知识四、RNA⚫RNA（核糖核酸）

和DNA很相似，不同的是以核糖代替脱氧核糖，以尿嘧啶(U)代替胸腺嘧啶(T)。尿嘧啶(U)代替胸腺嘧啶(T)24微生物的遗传和变异医学知识⚫RNA分子的主要生物功能是参与蛋白质的生物合成，可分为tRNA、rRNA、mRNA和反义RNA，都由DNA转录而来。1、m

RNA——messageRNA，信使RNA多聚核苷酸的一级结构，其上带有指导蛋白质合成的密码子（三联密码子）。它的生物功能是从DNA上把遗传密码即蛋白质中氨基酸排列顺序的信息接受过来，并起模板作用合成蛋白质。25微生物的遗传和变异医学知识26起始密码子微生物的遗传和变异医

学知识2、tRNA——transferRNA转移RNA是mRNA与氨基酸之间的接合体，带有能和mRNA互补的反密码子，3’末端AMP上结合氨基酸，反密码子与mRNA上的密码子互补。一个氨基酸有一种或多种tRNA。三叶草结构(Holley,1965)27微生物的遗传和变异

医学知识3、rRNA——ribosomalRNA⚫核糖体RNA:rRNA与蛋白质共同组成核糖体。原核生物：5S、16S、23S真核生物：5S、5.8S、16S、28S4、反义RNA——antisenseRNA与

mRNA序列相同的那条DNA链称为编码链，并把另一条链根据碱基互补原则指导mRNA合成的DNA链称为反义链，在DNA的复制、RNA转录和翻译以及传递氨基酸的过程中有调价或抑制作用。28微生物的遗传和变异医学知识五、微生物生长和蛋白质合成⚫微生物生长的主要活动是蛋白质的合成，同化的

碳和消耗的能量80-90%直接或间接用于蛋白质的合成。DNA的复制合成和RNA的复制合成最终目的在于蛋白质的合成。蛋白质合成的过程：①DNA复制②DNA转录：合成mRNA、tRNA、rRNA及反义RNA③mRNA翻译成蛋白质29微生物的遗传和

变异医学知识核酸和蛋白质的合成30微生物的遗传和变异医学知识核糖体蛋白质tRNA氨基酸31微生物的遗传和变异医学知识六、微生物的细胞分裂⚫微生物将倍增的核物质和蛋白质均等地分配给两个细胞，在细胞的中部合

成横隔膜并逐渐内陷，最终将两个子细胞分开，细胞分裂完成。32微生物的遗传和变异医学知识第二节微生物的变异33微生物的遗传和变异医学知识一、变异的实质——基因突变⚫基因突变：DNA因某种因素引起碱基的缺失、置换或插入，改变了基因内部原有的碱基排列顺序，从而引起其后代表型的改变34微

生物的遗传和变异医学知识（一）自发突变:⚫指微生物在自然条件下，没有人工参与而发生的基因突变1、多因素低剂量的诱变效应2、互变异构效应如T不以酮形式、而以烯醇式出现→G-TC以亚氨基形式出现→C-A二、突变的类型35微生物的遗传和变异医学知识自发突变的概率很低（突变频率）

，细菌为10-10.36微生物的遗传和变异医学知识（二）诱发突变⚫凡提高突变率的理化因子都可称诱变剂(mutagen)诱发突变的概率大大提高，可以达到10-4~10-5.1、物理诱变:（1）紫外辐射诱变作用机制：主要的生

物效应是DNA吸收紫外辐射，引起DNA结构的变化。引起DNA结构的变化有很多方面：DNA断裂、DNA交联、DNA与蛋白质交联、胞嘧啶与鸟嘌呤的水合作用及嘧啶二聚体的形成。37微生物的遗传和变异医学知识（2）DNA损伤的修复①光复活光复活：

光裂合酶在可见光下（300-500nm）会因获得光能而发生解离从而使二聚体重新分解成单体。381微生物的遗传和变异医学知识②切除修复：需要三种酶协同作用，不需要可见光的激活。首先在二聚体两侧核酸内切酶作用下造成单链断裂并切除二聚体。DNA聚合酶I作用下修复，最后DNA连接酶缝合新合成的D

NA片段和原DNA片段。③重组修复：必须在DNA进行复制的情况下进行，所以又称复制后修复。大肠杆菌可以在不切除胸腺二聚体情况下以带有二聚体的这一单链为模板而合成互补单链，但在二聚体附近留下了一个空隙，经过染色体交换，使空隙部分面对正常单链，DNA聚合

酶和连接酶将此修复。39暗复活：切除修复和重组修复③微生物的遗传和变异医学知识④SOS修复：DNA大范围损失作为一种求救信号引发设计DNA修复的多种细胞功能参加的诱导作用。正常的SOS系统被LexA蛋白所抑制，DNA损伤时激活RecA蛋白酶活性，使LexA蛋白失活，启动SOS系统。一旦

修复完成，SOS系统关闭。SOS系统是一种倾向差错的DNA修复机制，可造成突变。40微生物的遗传和变异医学知识⑤适应性修复：细菌由于长期接触低剂量诱变剂会产生修复蛋白酶，修复DNA上因甲基化而遭受的损伤。41微生物的遗传和变异医学知识2、化学诱变；⚫化学诱变可造成碱基对的置换

➢转换（transition）：嘌呤被另一嘌呤或嘧啶被另一嘧啶取代➢颠换（transversion）：嘌呤被嘧啶取代化学诱变对DNA作用形式有三类：（1）直接引起置换的诱变剂是一类可直接与核酸碱基发生化学反应的诱变剂。可与一个或几个核苷酸发生化学反应，引起DNA复制时碱基配对的转换。42微生

物的遗传和变异医学知识亚硝酸可使碱基发生氧化脱氨，使腺嘌呤A转变为次黄嘌呤H，胞嘧啶C变成尿嘧啶U，引起A=T向G-=C转换43微生物的遗传和变异医学知识（2）间接引起置换的诱变剂⚫这类诱变剂是一些碱基类似物，5-溴尿嘧啶（5-Bu）、5-氨基尿嘧啶（5-Au）、8-氮鸟嘌呤（8-NG）

、2-氨基嘌呤（2-AP）等。它们的作用是通过活细胞的代谢活动掺入到DNA分子后引起的，因此是间接的。（3）引起移码突变的诱变剂⚫由诱变剂引起DNA分子中的一个或少数几个核苷酸的增添、插入或缺失，从而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和转译错误的一类突变。44微生物的遗传和变异医学知

识45微生物的遗传和变异医学知识第三节基因重组基因重组：两个不同性状个体细胞的DNA融合，使基因重新组合，从而发生遗传变异，产生新品种，此过程称为基因重组。47微生物的遗传和变异医学知识一、杂交⚫杂交是在细胞水平上发生的一种遗传

重组方式。有性杂交，一般指性细胞间的接合和随之发生染色体重组，并产生新遗传型后的一种方式。凡能产生有性孢子的酵母菌或霉菌，原则上都可应用与高等动、植物杂交育种相似的有性杂交方法进行育种。48微生物的遗传和变异医学知识

二、转化transformation⚫受体菌直接吸收来自供体菌的DNA片段，通过交换，把它组合到自己的基因组中，从而获得供体菌部分遗传性状的现象，称为转化。转化后的受体菌称为转化子。49微生物的遗传和变异医学知识三、转导(transduction)通过温和噬菌体的媒介，

把供体细胞的DNA片段携带到受体细胞中，从而使后者获得了前者部分遗传性状的现象，称为转导。1、普遍转导(generalizedtransduction)噬菌体可误包供体菌中的任何基因(包括质粒)，并使受体菌实现各种性状的转导，此即普遍性转导。50微生物的遗传和变异医学知

识51裂解周期噬菌体微生物的遗传和变异医学知识2、局限转导(restrictedspecializedtransduction)⚫指通过某些部分缺陷的温和噬菌体把供体菌的少数特定基因转移到受体菌中的转导现象。52微生物的遗传和变异医学知识第四节遗传工程技术在环境保护中的应用

53微生物的遗传和变异医学知识一、遗传工程技术在环境保护中的应用（一）质粒育种⚫质粒是细菌体内一种独立于染色体外，与细菌细胞共生能独立复制和稳定地延续遗传的遗传单位，其基因由环状双链共价闭合DNA分子组成，长1-200kb。不带有重要基因，存在与否不对细菌产生致死

效应。⚫根据质粒的遗传性状，可以利用质粒间的传递，实现优良品种的培育。在基因工程中被用作基因转移的运载工具——载体。54细菌染色体质粒•质粒（plasmid）：存在于细菌染色体外或附加于染色体上的遗传物质，绝大多数由共价闭合双螺旋DNA分子构成。分子

量小。（具有抗菌性的质粒称为r质粒）1微生物的遗传和变异医学知识⚫目前已知的降解质粒有4类：•石油降解质粒•农药降解质粒•工业污染物降解质粒•抗重金属离子的质粒55微生物的遗传和变异医学知识二、基因工程技术在环境保护中的作用⚫基因工程是指在基因水平上的遗传工程

，又叫基因剪接或DNA体外重组。⚫通过人工方法将某一供体生物的DNA提取出来，在离体条件下，通过限制性内切酶将DNA切割成带有目的基因的DNA片段，再用DNA酶把它和质粒（载体）的DNA分子在体外连接重组，然后将重组体导入目标受体细胞中，通过在受体中的复制、扩增和表达，进一步筛选、分

离和提纯，得到新品种。56微生物的遗传和变异医学知识1、目的基因的获得2、DNA体外重组3、将重组体转入受体细胞4、重组体克隆的筛选和鉴定5、外源基因表达产物的分离与提纯57微生物的遗传和变异医学知识三、PCR技术在环境保护中的应用PCR(DNA缩合酶链反应)的原理和操作：①加热变性

：将待扩增的DNA置于94-95度高温水浴中加热②退火：将加热变性的单链DNA溶液的温度缓慢下降至55度，引物DNA碱基与单链模板DNA配对③延伸：冷至延伸温度时，加入TaqDNA聚合酶反应1min变性→复性→延伸，反复25-30次。将扩增产物进行琼脂糖凝胶电泳并观察。58微生

物的遗传和变异医学知识59微生物的遗传和变异医学知识PCR在环境微生物学的应用主要集中在：①研究特定环境中微生物区系的组成、结构，分析种群动态②监测环境中特定的微生物如致病菌和工程菌60微生物的遗传和变异医学知识