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1、第 六 章 细菌的遗传变异与分类命名,第六章 微生物的遗传变异与育种,理想的工业发酵菌种应符合以下要求,遗传性状稳定； 生长速度快，不易被噬菌体等异种微生物污染； 目标产物的产量尽可能接近理论转化率； 目标产物最好能分泌到细胞外，以降低产物抑制并利于分离； 尽可能减少产物类似物的产量，以提高目标产物的产量并利于分离； 培养基成分简单、来源广、价格低廉； 对温度、pH、离子强度、剪切力等环境因素不敏感； 对溶氧的要求低，便于培养及降低能耗。,微生物是研究现代遗传学和其它许多主要的生物学基本理论问题中最热衷的研究对象。 对微生物遗传规律的深入研究，不仅促进了现代分子生物学和生物工程学的发展，而且为
2、育种工作提供了丰富的理论基础，促使育种工作从不自觉到自觉、从低效到高效、从随机到定向、从近缘杂交到远缘杂交的方向发展。,研究微生物遗传学的意义,一、遗传与变异的概念,遗传和变异是生物体的最本质的属性之一。 遗传(heredity)：亲代生物的性状在子代得到表现；亲代生物传递给子代一套实现与其相同形状的遗传信息。特点：具稳定性。 遗传型（genotype）：又称基因型，指某一生物个体所含有的全部基因的总和；-是一种内在可能性或潜力。 遗传型 + 环境条件 表型 表型（phenotype）：指生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和;-是一种现实存在，是具一定遗传型的生物在一定条件下所表现出的具
3、体性状。,概述,变异(variation):生物体在外因或内因的作用下，遗传物质的结构或数量发生改变。变异的特点：a.在群体中以极低的几率出现，（一般为10-610-10）；b.形状变化的幅度大； c. 变化后形成的新性状是稳定的，可遗传的。,例如：粘质沙雷氏菌：在25下培养，产生深红色的灵杆菌素；在37下培养，不产生色素；如果重新将温度降到25，又恢复产色素的能力。,遗传与变异的概念,二、遗传变异的物质基础,种质连续理论：1883-1889年间Weissmann提出。认为遗传物质是一种具有特定分子结构的化合物。 基因学说：1933年摩尔根（Thomas Hunt Morgan）发现了染色体，
4、并证明基因在染色体上呈直线排列，提出了基因学说，使得遗传物质基础的范围缩小到染色体上。 DNA是遗传变异的物质基础的证明：利用微生物为实验对象进行的三个著名实验的论证（肺炎球菌的转化试验、噬菌体感染试验、病毒的拆开与重建试验），才使人们普遍接受核酸才是真正的遗传物质。,经典试验1. 肺炎链球菌的转化试验,加S菌DNA 加S菌DNA及DNA酶以外的酶 加S菌的DNA和DNA酶 加S菌的RNA 加S菌的蛋白质 加S菌的荚膜多糖,活R菌,长出S菌,只有R菌,1944年O.T.Avery、C.M.MacLeod和M。McCarty从热死S型S. pneumoniae中提纯了可能作为转化因子的各种成分，
5、并在离体条件下进行了转化试验：,只有S型细菌的DNA才能将S. pneumoniae的R型转化为S型。且DNA纯度越高，转化效率也越高。说明S型菌株转移给R型菌株的，是遗传因子。,分离后的S型细胞物质对R型细胞的转化,结论,细胞生物的遗传物质是双链DNA 病毒的乙醇物质可以是单链的或双链的DNA或RNA， 即：ssDNA，dsDNA，ssRNA或dsRNA。,三、 DNA和RNA的分子结构和复制,遗传物质的复制-双链DNA的复制 （半保留复制）,密码子（coden）：由3个核苷酸顺序决定，负载遗传信息的基本单位 不对称转录：只有DNA双链的一股才作为有意义链被转录，这种现象又称不对称转录。 起
6、始密码子：AUG，甲硫氨酸或甲酰甲硫氨酸 终止密码子：UAA、UGA、UAG,遗传密码 指DNA链上各个核苷酸的特定排列顺序,DNA与遗传密码,核外DNA的种类,核外染色体,真核生物的“质粒” 原核生物的质粒,线粒体 细胞质基因叶绿体 （质体）中心体 动 体 共生生物：卡巴颗粒 酵母菌的2m质粒,F因子 R因子 Col质粒 Ti质粒 巨大质粒 降解性质粒,真核生物的染色体,DNA双螺旋结构,核小体,浓缩的染色质,中期染色体,原核生物的染色体,原核生物的染色体与细胞质没有核膜分开， 因此三个过程紧密联系,转录,加工过程中内含子被切除,细胞核,转运到细胞质外,翻译,细胞质,真核生物,四、质 粒 质
7、粒是细菌染色体外的遗传物质，多为环状双螺旋DNA分子。质粒可以自身复制，随宿主菌分裂传到子代菌体。在一定条件下，质粒可以转移，也可丢失。质粒是自行复制单位，有的需与核质染色体的复制同步，称为严紧型复制。,质粒编码细菌各种重要的生物学性状.编码性菌毛的质粒称致育质粒或F质粒;编码细菌各种毒力因子的质粒称毒力质粒或Vi质粒;而细菌对抗菌药物或重金属盐类的抗性则有R质粒所决定.一种质粒可同时具有几种编码功能.,质粒示意图,细菌的质粒,质粒图谱范例,几种代表性质粒：,1. F因子（fertility factor）：又称致育因子或性因子，62106Dalton，94.5kb，相当于核染色体DNA2%的
8、环状双链DNA，足以编码94个中等大小多肽，其中1/3基因（tra区）与接合作用有关。存在于肠细菌属、假单胞菌属、嗜血杆菌、奈瑟氏球菌、链球菌等细菌中，决定性别。,最初发现于痢疾志贺氏菌（Shigella dysenteriae），后来发现还存在于Salmonella、Vibrio、Bacillus、Pseudomonas和Staphylococcus中。 R因子由相连的两个DNA片段组成，即抗性转移因子（resistence transfor factor， RTF ）和抗性决定R因子（r-determinant），RTF为分子量约为11106Dalton，控制质粒copy数及复制，抗性决定
9、质粒大小不固定，从几百万到100106Dalton以上。其上带有其它抗生素的抗性基因。,2. R因子（resistence factor）,R100质粒(89kb)可使宿主对下列药物及重金属具有抗性： 汞（mercuric ion ，mer）四环素（tetracycline，tet ）链霉素(Streptomycin, Str)、磺胺(Sulfonamide, Su)、氯霉素(Chlorampenicol, Cm)、夫西地酸（fusidic acid，fus） 并且负责这些抗性的基因是成簇地存在于抗性质粒上。,产大肠杆菌素因子。 大肠杆菌素是由E.coli的某些菌株所分泌的细菌素，能通过抑制复
10、制、转录、转译或能量代谢等而专一地杀死其它肠道细菌。其分子量约41048104Dalton。大肠杆菌素都是由Col因子编码的。 凡带Col因子的菌株，由于质粒本身编码一种免疫蛋白，从而对大肠杆菌素有免疫作用，不受其伤害。,3. Col因子（colicinogenic factor）,降解性质粒 只在假单胞菌属中发现。它们的降解性质粒可为一系列能降解复杂物质的酶编码，从而能利用一般细菌所难以分解的物质做碳源。这些质粒以其所分解的底物命名，例如有分解CAM（樟脑）质粒，XYL（二甲苯）质粒，SAL（水杨酸）质粒，MDL（扁桃酸）质粒，NAP（奈）质粒和TOL（甲苯）质粒等。,4. 降解性质粒,即诱
11、癌质粒。 Ti质粒长200kb，是一个大型质粒。当前，Ti质粒已成为植物遗传工程研究中的重要载体。一些具有重要性状的外源基因可借DNA重组技术设法插入到Ti质粒中，并进一步使之整合到植物染色体上，以改变该植物的遗传性，达到培育植物优良品种的目的。,5. Ti质粒（tumor inducing plasmid）,是近年来在Rhizobium（根瘤菌属）中发现的一种质粒，分子量为200300106 Dalton，比一般质粒大几十倍到几百倍，故称巨大质粒，其上有一系列固氮基因。,6. 巨大质粒（mega质粒）,五、转座因子和毒力岛,（一）转座因子 近年来发现微生物的某些DNA片段作为一个独立单位可以
12、在染色体上移动，此种移动甚至发生在不同种细菌之间。这种可移动的DNA片段称之为转座因子。细菌的转座因子有三种类型：插入序列、转座子以及某些特殊的噬菌体。,（二）毒力岛 毒力岛是20世纪90年代提出的一个新概念。毒力岛是指病原菌的某个或某些毒力基因群，分子结构与功能有别于细菌染色体，但位于细菌染色体之内，因此称之为“岛”。其生物学意义尚不清楚,推测其与细菌的毒力变异有关。,第一节常见的细菌变异现象,形态、结构变异 毒力变异 耐药性变异 菌落变异 生化特性变异,1.形态结构变异,3-6%食盐鼠疫杆菌多形态性(衰残型)。 琼脂培基,形态结构变异,青霉素、溶菌酶正常形态细菌 L型变异 抗体或补体 (部
13、分或完全失去胞壁),正常霍乱弧菌,霍乱弧菌L型,形态结构变异,特殊结构的变异 42-43炭疽杆菌失去形成芽胞能力, 毒性降低 10-20天 变形杆菌（H） 0.1%石炭酸 （O） 迁徙生长 单个菌落,连续通过易感动物 和其他微生物共生或被温和噬菌体感染。 例如魏氏梭菌与八叠球菌共生时毒力变强，无毒的白喉棒状杆菌被温和-噬菌体感染后产生白喉毒素，成为有毒细菌。,增强毒力的方法,2.毒力变异,毒力变异,棒状噬菌体白喉棒状杆菌 获得白喉毒素,减弱毒力的方法,通过非易感动物 例如：马尔他强毒布氏杆菌连续通过鸡育成弱毒株；猪丹毒苗GC42系将强毒株通过豚鼠传370代后又通过鸡传42代育成弱毒。 在较高温
14、度下培养。强毒炭疽 42.5下培养弱毒 在含有某些特殊化学物质的培养基中培养。著名的 卡介苗BCG,在含有抗血清，噬菌体或抗生素的培养基中培养。 长期的人工培养。 在特殊气体条件下培养。 如无荚膜炭疽芽胞苗是半强毒株在含50%血清的培养基上，在50% CO2的条件下选育的。 通过基因工程的方法。去除毒力基因可获得无毒力株。,3.耐药性变异,细菌对某种抗菌药物有敏感变成耐药的变异称为耐药性变异。 金黄色葡萄球菌耐青霉素的菌株已从1946年的14%上升至目前的80%。 有些细菌还表现为同时耐受多种抗菌药物，即多重耐药性，甚至产生药物依赖性。 含链霉素培基痢疾杆菌依链株(耐药菌株) 长期培养,4.菌
15、落变异,光滑型粗糙型变异 S型（smooth）菌落：光滑，湿润，边缘整齐。 R型（rough）菌落：菌落表面粗糙，枯干，边缘不整齐。 一般来说，SR毒力由强变弱，但炭疽杆菌，结核分支杆菌， 正常菌落为R型S型，毒力减弱,R菌落,S菌落,D菌落的变异,当细菌接触某些化学物质时如CuSO4, LiCl形成细小菌落叫D菌落。（dwarf clone, 侏儒菌落）,5.生化特性变异,乳糖操纵子,第二节 细菌变异的机制,一、突变（ mutation ） 指生物体的表型突然发生的可遗传的变化。 染色体畸变细胞学上可以看到染色体的变 基因突变细胞学上看不到遗传物质的变化 突变体（mutant） 发生了突变的
16、微生物细胞或菌株 野生型（wild type） 从自然界分离到的任何微生物在其发生突变前的 原始菌株,(一)突变的特点,不对应性：突变的性状与突变原因之间无直接的对应关系。 自发性：突变可以在没有人为诱变因素处理下自发地产生。 稀有性：突变率低且稳定。 独立性：各种突变独立发生，不会互相影响。 可诱发性：诱变剂可提高突变率。 稳定性：变异性状稳定可遗传。 可逆性：从原始的野生型基因到变异株的突变称为正向突变（forward mutation），从突变株回到野生型的过程则称为回复突变或回变（back mutation或reverse mutation）。,变量试验又称波动试验或彷徨试验。 1943年，S. E. Luria 和M. Delbrck 根据统计学原理，设计了左方的实验。,1. 变量试验fluctuation test,2.涂布试验,原理与变量试验相同，方法更为简便，且可计算突变率。,(二) 突变机制,诱变剂（mutagen
