细菌的生长和遗传变异课件.ppt

<p>单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。,细菌吸收营养物质以后，在酶的催化下进行各种新陈代射反应，如果同化作用大于异化作用，则细胞质的量不断增加，表现在细胞自身就是体积或重量的不断增加。,这种现象叫生长,。生长到一定阶段，细菌以二分裂的方式形成两个子细胞，这就是,繁殖,，其特征是细菌个体数增加。细菌的生长繁殖很快，适宜的环境下每隔,20,30 min,分裂一次。,细菌有没有年轻、年老之分？,回答：有，但是细菌的所谓菌龄和人的老年、中年、幼年的概念不同。人是按出生之时算起，年纪越小越年轻，越大就越老。细菌则不然，细菌是以分裂法进行繁殖的，一般繁殖一代的时间，只要,20,30min,，而且在一大群细菌中也无法区分每个细菌的年老年轻。因此细菌的所谓年龄是指一群细菌在一定的环境条件下生长而表现出来的待征。换句话说，描述细菌的生长往往用群体繁殖和生长所表现出来的待征来代表。,一、细菌生长测定方法,(,一,),直接测定,1,、显微镜直接计数法 显微镜直接计数法又称全数法。它又分成下述几种：,(1),涂片染色法 将已知体积的待测样品，均匀地涂布在载玻片的已知面积内，经固定染色后计数菌数。一般藉助目测微尺的直径标准来计算细菌的数量。,(2),计数器测定法 采用特殊的细菌或血球计数器进行测定。操作过程是取一定体积的待测细菌样品放于计数器的测定小室与载玻片之间，由于测定小室的体积是已知的，因此根据得到的计数值就可以计算出细菌含量。,(3),比例计数法 将待测样品溶液与等体积的血液混合，然后涂片，在显微镜下测定细菌与红血球数的比例，因血液中的红血球数已知,(,男性,400,500,万个,mL,，女性,350,450,万个,mL),，由此可以测得细菌数量。,血球计数板法,2,、比浊计数法,这是测定悬浮细胞的快速方法。其原理是细菌细胞是不透光的，光束通过悬浮液时会引起光的散射或吸收，降低透光度，在一定范围内透光度与溶液的混浊度即细胞浓度成正比，籍此可以测定细菌浓度。采用这种方法时，为了得到实际的细胞绝对含量，通常须将已知细胞浓度的样品按上述测定程序制成标准曲线，然后根据透光度或光密度值从标准曲线中直接查得细菌含量。,（1）制标准曲线（,OD,600,）,（2）测菌液浊度，查图表得出细菌数量,浊度仪或721分光光度仪,(,二,),间接计数法,间接计数法又称活菌计数法。它是通过测定样品中活的细菌数量来间接地表示细菌的含量。因此，这种方法不含死的细菌细胞，而且测定所需的时间也较长。它分下述几种方法：,1,、平板计数法,将待测细菌样品先作,10,倍梯度稀释，然后取相应稀释度的样品涂布到平板中，或与未经融化的固体培养基混合、摇匀，培养一定时间后观察并计数生长的细菌数，最终根据细菌数和取样量计算出细菌浓度。一般计数平板的细菌生长菌落数以,30,300,个为宜。菌落数太多，计数时费时费力；菌落数太少，则计数结果误差太大。平板计数法是采用最广的一种活菌计数法。,提问：,前述方法中计数的不都是活菌，如何分辨菌死活？,繁殖,提问：,细菌繁殖的可见现象是什么？,产生菌落,（,固体培养基培养）,、菌液混浊,（,液体培养基培养）,计数原理,：,一个,细菌,可繁殖成,一个,菌落,或,一群细菌,.,缺点：,慢,分,固体培养法和液体培养法,无菌水,平板计数法,固体培养法,第一步：菌样巧妙稀释,得到不同稀释度 （,10,-,x,）菌液,菌样被,无菌水,不同稀释倍率后,平板培养图,10,-,2,10,-3,10,-4,10,-5,各取,1,ml,，,均匀,涂布,于冷固体培养基平板上或与温热液态固体培养基,混合,冷却。,第三步：培养,稀释度过低，菌落密集无法计数,可以计数，但数量过多，费时费力,数量合适，统计计算，作为结果,数量太少，误差因素太大，,不做计数,第二步：接种平板,每一个细菌会生成一个菌落,一般计数平板的细菌生长菌落数以,30300,个为宜。,第四步,：,计数,细菌数量=？,细菌数量=,数出的菌落数/,稀释度,例如：10,-5,稀释度时菌落数为125个,细菌数量=125/10,-5,=1.2510,7,个/,mL,平板计数法是采用最广的一种活菌计数法,如国标法水中,细菌总数,的测定 。,注意：,作空白，取平行样（23组）均值，减小误差,平均,2,、液体计数法,液体计数法是根据统计学原理设计的一种方法。具体做法是；先将待测细菌样品作,10,倍梯度稀释，然后取相应稀释度的样品分别接钟到,3,管或,5,管,组的数组液体培养基中，培养一定时间后观察各管及各组中细菌是否生长，记录结果，再查已专门处理好的最可能数,(most probable number,，,MPN),表，得出细菌的最终含量。因此，这种方法又叫最可能数法或,MPN,法。,稀释液体计数法,特点：,液体培养、统计学查表计数,又称,MPN,法,（或最可能数法）,M,ost,P,robable,N,umber,例如,测定,SRB,（,硫酸盐还原菌，,厌氧,）的数量,提问：,能用稀释平板法计数吗？为什么？,一般,不能，厌氧菌暴露在空气中不能生长,（除非厌氧培养箱）,对这类菌可以利用它们生长时产生的,硫化亚铁黑色特征,进行,深层隔氧液体培养,，按,MPN,法进行计数。,3,3 2 0,10,-4,10,-5,10,-6,3,10,-,10,-,2,10,-3,10,-4,10,-5,（1）稀释,（2）稀释接种样品,在液体表面加一层无菌液体石蜡隔绝氧气，,恒温37培养14天,记录变黑的试管情况,（3）培养,1,ml,+,9,ml,培养基,提问：,为什么有些试管变黑有些没有？,稀释程度、取样概率,(4)统计查表计算,根据,不同稀释度变黑试管,统计出,数量指标,三,位数及其中,最低稀释度,（取,变黑的管数最多,、,稀释度又最低,的,生长管数,，为,第一位,数字，,后面两个稀释度的,生长管数,后两位数）,提问：,上例情况而言统计数量是几？,查表,表,MPN,表,320,10,-4,MPN,三管法测数统计表,水中大肠菌群,、,铁细菌、硝化菌、亚硝化菌,也,用这种方法进行数量统计。,个菌/毫升,细菌最可能数,通过其他精确的计数法，确定的各种,数量指标,时,细菌数量的最可能值,上面例子中数量指标“,320,”对应的细菌最可能数为,9.5,个菌/毫升,，,最低稀释度为10,-4,，,折算出样品中菌浓度为,？,个菌/毫升。,3,、薄膜计数法,对于某些细菌含量较低的测定样品,(,如空气或饮用水,),，可采用薄膜计数法。将待测样品通过带有许多小孔但又不让细菌流出的微孔滤膜，藉助膜的作用将细菌截留和浓缩，再将膜放于固体培养基表面培养，然后类似于板计数那样计算结果。这种方法的要求是样品中不得含有过多的悬浮性固体或小颗粒。,原理：,膜抽滤,（细菌浓缩）,+,膜平板培养,+,计数,（1）抽滤,（滤器及膜事先灭菌）,薄膜计数法,（2）滤膜培养,膜有菌面冲上,薄膜,微孔滤膜,（,0.45um）,要求：,样品洁净,如空气或饮用水,。,？,堵孔、菌太多难以分散,（3）统计计数,提问：,假如 测出,2,50,个菌落，抽滤了,50,ml,自来水，自来水中菌浓度是多少呢？,25050,ml=5,个/,ml,自来水,样品中的细菌数量=,菌落数抽滤样品的体积数,提问：,如何用活菌计数法测定较脏的水样？,减少滤液体积、无菌水稀释,(,三,),重量法,细菌细胞尽管很微小，但是仍然具有一定的体积和重量，因此藉助群体生长后的细胞重量，可以采用测定重量的方法直接来表示细菌生长的多少或快慢。,1,、测定细胞干重,2,、细胞含氮量,3,、,DNA,含量,已知,单个细菌的平均重量 除法计算,细菌的,湿,重量,10,-15,10,-11,g/,个细胞,干重约为,湿重的1020,。,1.干重法,方法：,含菌水样在105110下进行干燥恒重,（,本质测水中悬浮物重量,MLSS,或,MLVSS,）,。,提问：已知什么条件通过测定细菌群体 重量知道其数量？,悬浮物无机物+有机物（包括细菌）,提问：,如何确定悬浮物中有机物与无机物的量？,高温,(550,),灼烧,无机物化学性质稳定，高温下不会分解,提问：,什么情况下可以直接用悬浮物的重量表示细菌的重量？,悬浮物中绝大多数是细菌,。,（1）悬浮物中绝大多数为细菌时,细胞数目=,MLSS,个体细菌的平均干重量,离心沉淀,滤膜过滤,计算,105110,下进行干燥,恒重,称重,或,MLSS,悬浮物,（2）除细菌外还有大量无机悬浮物时,W,无,ML,V,SS,挥发性悬浮物,MLSS,W,无,=细菌群体的干重量,细胞数目=,ML,V,SS,个体细菌的平均干重量,550,下灼烧,2,h,称重,105110,下进,行干燥恒重,称重,MLSS,（3）有大量,非细菌有机悬浮物,时,提问：,如何测定呢？,不能用重量法，应改用其他方法。,总体来说,重量法,方法,误差较大,，一般只作为菌数粗略估算,如,活性污泥测定,（,以重量,MLSS,、,MLVSS,间接表示细菌数量,）,2.,细胞含,N,量法,大多数生物包括细菌，细胞内的,蛋白质氮含量,比较稳定，一般为蛋白质干重1516，,平均为16,。,还需要,测定哪些条件,可以由以上比例确定,菌样,中细菌浓度？,如何试验操作,及,计算,呢？,3.,DNA,含量法,同种细菌的,DNA,含量一致,可通过测定,DNA,的含量来表示细菌的生长量,少量纯细菌培养时细菌数量的测定,。,精确性非常高，,对样品纯度以及仪器和人员的要求较高，,总污染物,影响酶促反应的方程表达式,v,总污染物微生物利用速度；,V,（,KX,),最大速度；,X,微生物浓度,K,s,饱和常数,Ks,劳伦斯方程,忽略,KX,KX,(四)其它生理生化,指标,法,提问,：,v,指什么？,COD,降解,v,O,2,消耗,v,产物产生,v,？求,作试验！,提问：,当你需要测定某水样中细菌数量时，你该如何选择方法？,视要求、水样菌量、测试条件等等灵活选取,“生、老、病、死”,（根据投食方式,）,分,间歇式培养,（分批培养）,、,连续式培养,两种情况,1、,间歇培养和生长曲线,提问：,如何人工进行细菌间歇培养？,只有开始时的,一次性投料和接种细菌,（其余时间细菌根据环境变化自行生灭）,二、细菌的生长特性,（“坐吃山空型”）,应用,：,生理特性研究、生物发酵和生物治污,（1）,按细菌重量绘制的生长曲线,曲线,：,群体重量,W(mg,/,l),时间,t,细菌,内源呼吸,生长率,上,升,阶段,及细菌大量,死亡,阶段,mg/L,活,细,菌,重,量,t,0,时间,曲线,t,点切线斜率值=,?,t,重量增长速率,t,生长率,下,降,阶段,如以活细菌个数或细菌重量为纵坐标，培养时间为横坐标，即可画得一曲线，此曲线称为细菌的生长曲线。,生长速率上升阶段,提问：,为什么培养初期细菌群体重量增长速率随时间不断增大？,A.,营养物丰富,，细菌增殖；,B.,细菌在细胞内以糖原、油滴等形式,储存营养物,，细菌,个体重量增大,增长率,生,上升阶段,mg/,mL,0,时间,t,活,细,胞,重,量,生长速率下降阶段,提问：,为什么生长速率,较前,下降了？,生长率,下,降,阶段,mg/,mL,0,时间,t,活,细,胞,重,量,营养物浓度（好氧细菌还包括氧气）下降,这些限制性因素还不是十分严重，细菌的代谢速度变慢，没有停止,代谢产物积累,对细菌的某些酶产生抑制,内源呼吸及死亡阶段,内源呼吸,+,毒物浓度更高,（个体）,瘦,死,（群体）,死亡率大于出生率,从曲线上反映为活细菌重量的进一步持续下降。,提问：,此时细菌的出生率是否为零呢？为什么？,不是，利用死亡细菌的残体营养,(“化做红泥更护花或人吃人”),各种生物具有类似的规律,实验室通常采用细菌的,数量变化绘制生长曲线,，虽然两种曲线在本质上是相同的，但数量曲线也有它自身的特点和用途,。,（,2,）,按细菌数目的对数绘制的生长曲线图,生,长,速,率,稳定期,衰老期,细,菌,数,目,的,对,数,值,0,时间,t,细菌的数量很大，都是,10的,n,次方,，取对数作图时方便，010代表110,10,总菌数,活菌数,缓,慢,期,对,数,期,0,+,_,缓慢期,“万事开头难”,特征：,细,菌,缓,数,慢,目,期,的,对,数,值,0,时间,t,提问：,为什么会出现迟缓期呢？,代谢活跃，,个体体积、重量增高,不立即进行细胞分裂、增殖，,数量不变甚至减少,适应环境（,合成相应的酶,），营养储备（,用于复制合成,）,提问：,根据上述原因选择接种何种状态的细菌迟缓期会较长？,对数期的细菌、稳定期或衰亡期、受损细胞、富集培养基的细菌,后三种,稳定期细胞,基本耗尽了各种辅酶或其他细胞成分,受损细胞,养伤修复,富集培养基细菌需要,合成“自力更生”酶,菌种本身的,遗传特性（如,转基因高效菌,）和接种数量,也会影响迟缓期的长短。,在实际工作中如接种菌种以启动新的水处理设施，投加新鲜污泥时，接种的细菌不习惯于新环境，会出现或长或短的迟缓期，,迟缓期的出现会增加操作时间，降低工作效率,采用处于,高效菌群对数期,的菌种,、,增大接种量,、,尽量保持,接种前后所处的培养介质和条件一致,等方法来缩短或消除迟缓期,提问：,我们可以通过哪些手段缩短迟缓期呢？,对数期,（青年）,所有细菌均繁殖,故称,对数期,。（相当于重量法细菌曲线的,增长率上升阶段,）,细菌数目,X,增长率倍率,的,对数,与时间成正比。,特点,平均代时,（繁殖一代的时间）,最短,提问：,细菌的代时与哪些因素有关？,细,菌,数,目,的,对,对,数,数,期,值,0,时间,t,如大肠杆菌在,20,时其代时是,35,条件下的,2,倍；,伤寒杆菌在含,0.125,的蛋白胨培养基中的代时为,800,min,，,而在含,1.0,时仅为,40,min,。,四个时期,繁殖速度最快,种类遗传,、个体健康情况(,营养、环境条件,),提问：,哪个时期,（迟缓期、对数期、稳定期、衰亡期）,代时最具有种属代表性？为什么？,最短值,无限长（休眠）,对数期,代时,最短值,细菌代时通常指,最适条件下,的,对数期代时,稳定,期,（中年）,出生率死亡率,细,菌,缓,数,慢,目,期,的,对,稳定期,对,数,衰老期,数,期,值,0,t,时间,死亡,原因,营养短缺、代谢毒物增多,（相当于重量变化曲线中的增长率下降阶段,）,死亡期,（老年）,死亡率出生率,（相当于重量法的内源呼吸阶段）,提问：,如何给细菌延年益寿呢？,补营养,、,环保,（去除环境毒物）,人类群体有类似规律吗,？,如果把地球看作是封闭的间歇式培养基，人类看作是细菌，人口若不加控制，必将经历由于资源枯竭，污染物遍地而引发的大灭绝,。,自救,节约、节育,防止,“,营养物消耗过快,”,，,环保,防止,“,有害代谢物毒性抑制,”,。,细菌的生长曲线和废水生物处理的关系,2,、连续培养,连续培养与间歇培养不同，它的特点是一方面连续进料，另一方面又连续出料的培养方式。它又分为两种：恒浊连续培养和恒化连续培养。,(1),恒浊连续培养,培养基提供足够量的营养元素，细菌保持最大速率生长。通过控制进料流速使装置内细菌浊度保持一定，保持理论上的对数生长期，可获得大量菌体或与菌体代谢相平衡的代谢产物。这种方式往往用于细菌的生理生化研究。,恒浊连续培养,恒浊,培养基浊度恒定（,实质是细菌数量恒定,）,新鲜培养基,光电池,光源,流速控制阀,出水,很少,应用,反馈控制,(2),恒化连续培养,这种方式与水处理装置的运行方式比较相似。固定恒定的进料流速，又以同样的速率排出，进水组分及反应器中营养物浓度基本不变。这种方式往往有一种限制性营养生长因子控制生长。,恒化连续培养,恒化,？,新鲜培养基,流速控制阀,出水,应用：,环境工程、生物工程、实验室研究（,细菌生理特性研究、细菌的快速筛选等,）。,流速恒定,进料营养物总量,目前,污水连续生物处理法均,类似,于,恒化连续培养,；（流速不完全恒定）,污(废)水连续处理中的细菌生长状态,不同的生物反应器,，,细菌的生长状态可能不同！,乃至同一 反应器内,不同位置处,连续生物处理中的细菌状态表,细菌的生,长阶段,应用举例,特点,迟缓期,无,连续化稳定操作中没有这一阶段,对数生长期,高负荷活性污泥法,(大部分区域),稳定期,生物膜法,常规活性污泥法,(大部分区域),生长繁殖快，代谢活力强，能大量,去除废水中有机物。,（,缺点是细菌,表面的,粘液层和荚膜尚未形成,，运,动很活跃，不易自行凝聚成菌胶,团，,沉淀性能差,，致使出水水质有,机物浓度相对较高,）,衰老期,低浓度污水延时,曝气法,污泥的厌氧消化,营养物浓度过低，难以满足其他阶,段细菌的生长需要,虽然比对数生长期的差，但仍有相,当的代谢活力，细菌体内积累了大,量贮存物，如异染粒、聚,羟基,丁酸等，体表的粘液层和荚膜强化,了细菌的生物吸附能力，,自我絮,凝、聚合能力强，在二沉池中泥水,分离效果好，,出水水质好,。,1:0.40.8,BOD.d,-,细菌与降解,BOD,重量比,1:0.4以下,进水,对数期,稳定期,衰老期,平推流式活性污泥法,占优势,第二节 细菌的遗传与变异,所谓细菌的遗传性是指每种细菌所具备的亲代性状在子代重现，其子代的性状与亲代基本上一致的现象。,一种生物的亲代和子代以及个体之间，在形态结构和生理机能方面都有所差异，这一现象叫做变异。,一、细菌的遗传,(,一,),细菌遗传的物质基础,遗传学的研究表明，一切生物遗传变异的物质基础是核酸。含有,DNA,的微生物中遗传物质是,DNA,。,不含有,DNA,，只含有,RNA(,核糖核酸,),的微生物中，遗传物质是,RNA,。,(,二,),核酸的结构,核酸是一种多聚核苷酸,(polynucleotide),，水解过程如下：,核苷的戊糖和碱基的差异又分为,DNA,及,RNA,如表,31,。,核苷的戊糖和碱基的差异又分为,DNA,及,RNA,如表,31,。,(,二,),核酸的结构,核酸是一种多聚核苷酸,(polynucleotide),，水解过程如下：,1,、,DNA,的双螺旋结构,1953,年华生,(Watson),和克里克,(Crick),通过,X,射线衍射法观察,DN,核苷的戊糖和碱基的差异又分为,DNA,及,RNA,如下表：,James Dewey Watson,（,1928,）,Francis Harry Compton Crick,（,1916,）,1953,年，,DNA,双螺旋结构模型被提出来了，两位创立者是美国生物化学家沃森（,James Dewey Watson,，,1928,）和英国生物物理学家克里克（,Francis Harry Compton Crick,，,1916,）。,获,1962,年的诺贝尔,生理学医学奖,。,富兰克林拍摄的,DNA,晶体的,X,射线衍射照片，这张照片正是发现,DNA,结构的关键,1,、,DNA,的双螺旋结构,1953,年华生,(Watson),和克里克,(Crick),通过,X,射线衍射法观察,DNA,结构，提出了,DNA,双螺旋结构模型：,(1),两条走向相反的多核苷酸链，以右手方向沿同一轴心平行盘绕成双螺旋，螺旋直径为,2nm,。,(2),两条链间借碱基对的氢键相连。,A,与,T,之间有,2,个氢键，,G,与,C,之间有,3,个氢键,(RNA,链中,4,与,U,之间为,2,个氢键，,G,与,C,之间为,3,个氢键,),。这种碱基相配的关系称为碱基互补或碱基配对。,(3),一个,DNA,分子可含几十万或几百万个碱基对，两个相邻的碱基对之间的距离为,0.34nm,，每个螺旋的距离为,3.4nm,。,DNA,双螺旋模型,DNA,分子双螺旋结构模型的发现，是生物学史上的一座里程碑：,为,DNA,复制提供了构型上的解释，使人们对,DNA,作为基因的物质基础不再怀疑,奠定了分子遗传学的基础。,DNA,双螺旋模型在科学上的影响是深远的,2,、,RNA,在细胞里的三种类型,(1),信使,RNA(mRNA),它是以,DNA,的一条单链为模扳在,RNA,聚合酶的催比下，按碱基互补原则合成的,(,见图,36),。由于传达了,DNA,的遗传信息，故称信使,RNA,。,（从细胞核,细胞质）,(2),转移,RNA(tRNA),它存在于细胞质里，在蛋白质合成过程中起转移氨基酸的作用,(,图,37,和图,38),。,根据,mRNA,的遗传密码依次准确地将合成多肽的原料,氨基酸运送到工厂，是氨基酸的特异运输车。,tRNA,的二级结构：,三叶草形状,RNA,三叶草型的二级结构可分为：氨基酸接受区、反密码区、二氢尿嘧啶区、,T,C,区和可变区。除氨基酸接受区外，其余每个区都含有一个突环和一个臂。如图所示：,tRNA,的三级结构：倒“,L”,形，所有的,tRNA,折叠后形成大小相似及三 维构象相似的三级结构，这有利于携带的氨基酸的,tRNA,进入核糖体的特定部位。如图所示：,(3),核糖体,RNA,约占细胞总,RNA,的,80,，它的主要成分是核糖体核酸,(rRNA),和蛋白质。一个核糖体包含有大小两个亚基，它是蛋白质合成的主要场所，即,提供一个环境能使,tRNA,对应到,mRNA,上的,密码子,，而合成,蛋白质,。,rRNA,：是组成核糖体的主要成分，核糖体是合成蛋白质的中心。,(,三,)DNA,的复制,DNA,的复制过程包括解旋和复制。首先,DNA,双螺旋分子在解旋酶的作用下，两条多核苷酸链的碱基对之间的氢键断裂，分离成两条单链，然后各自以原有的多核苷酸链，按照碱基排列顺序，合成一条互补的新链，复制后的,DNA,双链，由一条新链和一条旧链构成。新链的碱基与旧链的碱基以氢键相连接成新的双螺旋结构，称为半保留复制，整个复制过程是边解旋边复制的，如图,39,。,(,四,),微生物中的,DNA,1,、原核微生物中的,DNA,原核微生物中的,DNA,不与蛋白质结合，也没有核膜，而是以单独裸露状态存在，通常也称染色体，绝大多数微生物的,DNA,是双链的,(,有的呈环状、有的呈线状,),，只有少数微生物的,DNA,是单链的。细菌的,DNA,拉直时比细胞长许多倍，如大肠杆菌的长度为,2m,，其,DNA,长度为,1100m,至,1400m,，它在细胞中央，高度折叠形成具有空间结构的一个核区。由于含有磷酸根，而带有很高的负电荷。,此外，还有少量的,DNA(,约占细胞中总,DNA l,),存在于细胞质中，称为质粒,(plasmid),。,DNA,几乎全部集中在染色体上，每种生物的染色体数目是一定的，如细菌只有一个环状染色体。染色体上含有大量不同的基因，基因数目为几个到几百甚至几千个不等，染色体是遗传信息主要贮藏场所。,除染色体外另有一类较小环状,DNA,分子独立存在于染色体外，也携带少数基因，这就是质粒，在细胞分裂中也能进行复制，传给后代，并具有一套与细胞核染色体相对独立的遗传信息，表现一定的遗传特性。,质粒一般只存在于细菌。,质粒存在与否不影响微生物细胞的生存，只有当宿主细胞表现某种特性时才能被检出。丧失质粒仅丧失由其决定的某些持性。常见的质粒有,F,因子，,R,因子，产细菌素因子及降解质粒等等。有的质粒能通过细胞和细胞的接触而转移，使受体细胞获得该质粒决定的遗传性状。最近发现某些酵母菌也有质粒。,大肠杆菌质粒的分子结构示意图,质粒能够“友好”地“借居”在宿主细胞中。一般来说，质粒的存在与否对宿主细胞生存没有决定性的作用，但是，质粒的复制则只能在宿主细胞内完成。,质粒是基因工程最常用的,运载体,，它存在于许多细菌以及酵母菌等生物中，是细胞染色体外能够自主复制的很小的环状,DNA,分子，,最常用的质粒是大肠杆菌的质粒,。大肠杆菌的质粒中常含有抗药基因，如抗四环素的标记基因。细菌质粒的大小只有普通细菌染色体,DNA,的百分之一左右。,质粒,的特点,细胞染色体外能自主复制的小型环状,DNA,分子,质粒是基因工程中最常用的运载体,最常用的质粒是大肠杆菌的质粒,存在于许多细菌及酵母菌等生物中,质粒的存在对宿主细胞无影响,质粒的复制只能在宿主细胞内完成,2,、真核微生物中的,DNA,真核微生物的,DNA,与蛋白质结合，主要存在于细胞核的染色体上，在普通显微镜下可看到真核微生物染色体，外面包有核膜，构成真正的细胞核，真核微生物细胞核中,DNA,的量大于原核微生物核区中,DNA,的量，,DNA,也存在于真核微生物的叶绿体、线粒体等细胞器中，但是量很少。一般不超过细胞核,DNA,的,1,，并且不与蛋白质相结合。,(,五,),遗传信息的传递和表达,生物体的遗传信息大多都贮存在,DNA,上，只有少数病毒的遗传信息贮存在,RNA,上。遗传信息的传递和表达可概括为,3,个步骤，以,DNA,为例说明如下：,1,、将携带遗传信息的,DNA,复制；,2,、将,DNA,携带的遗传信息转录到,RNA,上；,3,、将,RNA,获得的信息翻译成蛋白质。,这,3,个步骤在分子遗传学中称为中心法则。,DNA,贮存的信息通过碱基排列的序列传给后代，以,DNA,一条链为模板以碱基互补原则合成,mRNA,的过程称为转录，转录必须忠实无误。,mRNA,包括四种碱基,A,、,G,、,C,、,U,，而蛋白质中含有,20,种氨基酸，,根据实验证明,3,个碱基序列决定一个氨基酸的遗传密码，共有,64,个密码。,编码字典见表,32,。其中,61,个密码分别代表,20,种氨基酸。每一种氨基酸有,1,个到,6,个密码不等，另外,3,个密码,UAA,、,UAG,、,UGA,为肽链终止信号，不代表任何氨基酸。密码,AUG,代表蛋氨酸，也是肽链合成的起动信号。,mRNA,携带着由,DNA,转录来的遗传信息。这些信息蕴藏在,mRNA,的,3,字密码上，密码的序列决定了蛋白质中氨基酸的序列。在蛋白质合成中，核糖体的小亚基主要识别,mRNA,的起动密码子,AUG,，并搭到,mRNA,的链上移动，直到遇到,mRNA,的终止信号,UAA,、,UAG,、,UGA,时，合成工作终止。,tRNA,按,mRNA,密码的指示，依赖一种强特异性的氨基酰,tRNA,合成酶，将不同的氨基酸活化，活化后的氨基酸被特异的,tRNA,携带，按排列顺序结合到核糖体的大亚基上，缩合成肽链，如图,311,。蛋白质或者多肽链是各种遗传性状的物质基础。,(,六,),基因表达的调控,基因是具有遗传功能的,DNA,分子上的片段，平均含有,1000,个碱基对。一个,DNA,分子中含有许多基因，不同基因分子含碱基对的数量和排列序列不同，并具有自我复制能力。各种基因在染色体上均有其特定的位置称为位点，如果染色体上基因缺失、重复、或在新的位置上和别的基因相邻，改变了原有的排列序列，都会引起某些性状的变异。,由于基因的功能差异，又可分为结构基因、调节基因和操纵基因。,结构基因,决定某一种蛋白质分子结构相应的一段,DNA,，可将携带的特定遗传信息转录给,mRNA,，再以,mRNA,为模板合成特定氨基酸序列的蛋白质。,调节基因,调节基因带有阻遏蛋白，控制结构基因的活性。平时阻遏蛋白与操纵基因结合，结构基因无活性，不能合成酶或蛋白质，当有诱导物与阻遏蛋白结合时，操纵基因负责打开控制结构基因的开关，于是结构基因就能合成相应的酶或蛋白质。,操纵基因,操纵基因,O,位于结构基因的一端，与,系列结构基因合起来形成一个操纵子。,基因表达是基因经过转录、翻译、产生有生物活性的蛋白质的整个过程,例如大肠杆菌中降解乳糖的酶由,3,个蛋白质,Z,、,Y,和,A,所组成。受结构基因,z,、,y,及,a,控制，当培养基中不存在乳糖时，调节基因,I,的阻遏蛋白与操纵基因结合，结构基因就不能表达出来，当培养基中除乳糖外无其它碳源时，乳糖是诱导物，与调节基因,I,的阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白丧失与操纵基因结合的能力，此时操纵基因“开动”，结构基因,z,、,y,及,a,合成蛋白质,Z,、,Y,和,A,，从而形成分解乳糖的酶,(,如图,312,所示,),，培养基中乳糖就被大肠杆菌分解利用，当乳糖全部被利用后，阻遏蛋白就与操纵基因结合，操纵基因“关闭”，酶的合成停止。遗传性状的表现是在基因控制下个体发育的结果，即从基因到表现型必需通过酶催化的代谢活力来实现，而酶的合成直接受基因控制，一个基因控制一种酶，或者说一种蛋白质的合成控制一个生化步骤，从而控制新陈代谢决定遗传性状的表现。,二、细菌的变异,细菌的遗传性状发生变化称为细菌的变异，主要是由基因突变和基因重组造成的,(,图,3,14),。,(,一,),基因突变,微生物群体中偶而会出现个别在形态或生理方面有所不同的个体，个体的变异性能够遗传，产生变株。这是由于某些原因，引起生物体内的,DNA,链上碱基的缺乏、置换或插入，改变了基因内部原有的碱基排列顺序,(,基因型的改变,),，引起表现型突然发生了可遗传的变化。当后代突然表现和亲代显然不同的遗传的表现型时，这样的变异称为突变。,突变的主要特点有：,(1),突变的发生是无定向的,(2),突变发生的频率很低，即稀有性。突变率是指每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的机率，通常为,10,5,10,10,(3),自发性,(4),独立性,(5),稳定性,(6),可逆性,(7),诱变性。通过人为施加诱变剂处理后突变率可大大提高，一般可提高,10,105,倍。,根据突变发生机理，突变可分为点突变和染色体畸变两大类。,根据突变发生过程是否受人为诱变剂影响可分为自发突变和诱发突变两大类。,(,二,),基因重组,两个不同性状的个体细胞，其中一个细胞,(,供体细胞,),的,DNA,与另一个细胞,(,受体细胞,),的,DNA,融合，使基因重新排列，遗传给后代，产生新品种或表达新的遗传性状，称为基因重组。,在基因重组时，不发生任何碱基对结构上的变比。重组后的生物体表现出重组后的新的遗传性状。微生物中基因重组的形式很多。,在真核微生物中,，基因重组是通过二个配子相互融合的有性繁殖的过程中发生的，故称为杂交。,在原核 微生物中,通常只是部分遗传物质的转移和重组，如转化、转导和接合等都是基因重组在细胞水平上的反映。,.,转化,（,Transformation,）,是供体细胞研碎物中的,DNA,片段直接吸收进入活的受体细胞的基因重组方式。受体细胞获得了供体细胞的部分遗传性状。,.,接合（,Conjugation,）,：,是遗传物质通过细胞与细胞的直接接触而进行的转移和重组。,接合,高频重组菌（,Hfr,）,.,转导（,Transduction,）,：,遗传物质通过噬菌体的携带而转移的基因重组称为转导,.,（）普遍性转导,完全转导,流产转导,（）局限性转导,普遍性转导,.,溶原性转换（,Lysogenic conversion,）,：,温和噬菌体的,DNA,整合到宿主菌染色体,DNA,后，成为溶原状态导致遗传性变异,。,溶原性转换,三、遗传工程,遗传工程是,70,年代初发展起来的生物技术。按照人们预先设计的生物蓝图，通过对遗传物质的直接操纵、改组、重建，实现对遗传性状的定向改造。目前采用的基本方法是：把遗传物质从一种生物细胞中提取出来，在体外施行“外科手术”，然后再把它导入另,种生物细胞中，改变其遗传结构，使之产生符合人类需要的新遗传持性，定向地创造新生物类型。由于它采用了对遗传物质体外施工，类似工程设计那样，具有很高的预见件、精确性与严密性，因此称为遗传工程。,遗传工程包括两个水平的研究：,是细胞水平；另一是基因水平。所以，又可把它分为细胞工程和基因工程。实际上目前研究的主要内容是基因工程，因此，,狭义的讲，遗传工程就是基因工程,。,基因工程的别名,操作环境,操作对象,操作水平,基本过程,结果,基因拼接技术或,DNA,重组技术,生物体外,基因,DNA,分子水平,剪切,拼接,导入,表达,人类需要的基因产物,基因操作的基本步骤示意图,载体质粒,外源,DNA,片段,外源,DNA,插入,剪切,引入宿主细胞,选出含有重组,DNA,的细胞扩增,a,b,b,A,A,b,a,b,A,b,b,基因工程的基本程序是：（,1,）获得目的基因（外源,DNA,片段）（,2,）将目的基因连接到载体上，得杂化载体；（,3,）将杂化载体（环状的,DNA,）引入宿主细胞（受体细胞），使目的基因及载体上其它基因得以转录和翻译。,基因工程的基本程序,四、遗传工程在环境工程中的应用,1,、用于环境监测,2,、用于被污染环境的净化,例如：用,DNA,探针可以检测饮用水中病毒的含量。此方法的特点是快速、灵敏，,1,吨水中有,10,个病毒也能检测出来。,通过基因工程方法怎样进行环境监测,？,1,）用基因工程产物,“,超级细菌”分解石油，可以大大提高细菌分解石油的效率。具体方法：将能分解三种烃类的假单孢杆菌的基因都转移到能分解另一种烃类的假单孢杆菌内，创造出了能同时分解四种烃类的“超级细菌”。,2,）用基因工程培养出“吞噬”汞和降解土壤中,DDT,的细菌，以及能够净化镉污染的植物。,3,）通过基因重组构建新的杀虫剂，取代生产过程中耗能多、易造成环境污染的农药，并试图通过基因工程回收和利用工业废物。,通过基因工程方法怎样净化被污染的环境？,本章到此结束！,</p>