第七章细菌的遗传变异

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1、第七章第七章 细菌的遗传与变异细菌的遗传与变异一、几个概念一、几个概念1 1、遗传、遗传 生物的上一代将自己的遗传因子传递给下生物的上一代将自己的遗传因子传递给下一代的行为或功能，具有极其稳定的特性。一代的行为或功能，具有极其稳定的特性。 2 2、变异、变异 是生物体在某种外因或内因作用下引起的是生物体在某种外因或内因作用下引起的遗传物质结构改变，亦即遗传型的改变。遗传物质结构改变，亦即遗传型的改变。 特点：几率极低特点：几率极低( (一般为一般为10-510-510-6)10-6)；性；性状变化幅度大；变化后的新性状是稳定的、可状变化幅度大；变化后的新性状是稳定的、可遗传的。遗传的。第一节第

2、一节 微生物遗传的物质基础微生物遗传的物质基础一、基因组和质粒一、基因组和质粒（一）基因组（一）基因组 细菌的基因组位于核体，是遗传的主要物质细菌的基因组位于核体，是遗传的主要物质基础。核体又称染色体，是由两条环状双螺旋基础。核体又称染色体，是由两条环状双螺旋DNADNA长链组成的，含有的遗传基因，控制着细菌长链组成的，含有的遗传基因，控制着细菌的遗传与变异。的遗传与变异。（二）质（二）质 粒粒 质粒是细菌染色体外的遗传物质，多为环状质粒是细菌染色体外的遗传物质，多为环状双螺旋双螺旋DNADNA分子。分子。 质粒可以自身复制，随宿主菌分裂传到子代质粒可以自身复制，随宿主菌分裂传到子代菌体。菌体

3、。 在一定条件下，质粒可以转移，也可丢失。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。制同步，称为严紧型复制。质粒示意图质粒示意图细菌的质粒二、转座因子和毒力岛二、转座因子和毒力岛（一）转座因子（一）转座因子 近年来发现微生物的某些近年来发现微生物的某些DNADNA片段作为一个片段作为一个独立单位可以在染色体上移动，此种移动甚至发独立单位可以在染色体上移动，此种移动甚至发生在不同种细菌之间。生在不同种细菌之间。 这种可移动的这种可移动的DNADNA片段称之为转座因子。片段称之为转座因子。 细菌

4、的转座因子有三种类型：插入序列、转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。座子以及某些特殊的噬菌体。（二）毒力岛（二）毒力岛 毒力岛是毒力岛是2020世纪世纪9090年代提出的一个新概念。年代提出的一个新概念。毒力岛毒力岛是指病原菌的某个或某些毒力基因群，分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，因此称之为色体之内，因此称之为“岛岛”。第二节第二节 微生物的主要变异微生物的主要变异 一、形态与结构的变异一、形态与结构的变异（一）形态变异（一）形态变异 自然形成或自然形成或诱导产生的

5、诱导产生的L L型细菌型细菌，老龄培养，老龄培养物中出现的物中出现的衰老型衰老型，都属于形态变异。，都属于形态变异。 在在特定组织器官特定组织器官中发生形态的改变，如炭疽中发生形态的改变，如炭疽在猪咽部不呈竹节状而呈弯曲且粗细不均匀；猪在猪咽部不呈竹节状而呈弯曲且粗细不均匀；猪丹毒在慢性病猪心脏内不呈杆菌而为长丝状。丹毒在慢性病猪心脏内不呈杆菌而为长丝状。菌落变异菌落变异R菌落S菌落（二）、荚膜变异：（二）、荚膜变异： 有荚膜细菌在特定条件下丧失形成荚膜的有荚膜细菌在特定条件下丧失形成荚膜的能力。能力。 炭疽杆菌炭疽杆菌-CO2-CO2达达10%20%-10%20%-产生荚膜产生荚膜，在普通培

6、养基中在普通培养基中不产生荚膜不产生荚膜。无毒炭疽芽胞菌。无毒炭疽芽胞菌的弱毒株失去成形荚膜能力。的弱毒株失去成形荚膜能力。（三）、芽胞变异（三）、芽胞变异 强毒炭疽杆菌强毒炭疽杆菌在在42.542.5高温下培养高温下培养毒力变弱，且失去形成芽孢能力。毒力变弱，且失去形成芽孢能力。 （四四）、鞭鞭毛毛变变异异：环环境境条条件件的的改改变变而而使使细细菌菌失失去去形成鞭毛的能力。也叫形成鞭毛的能力。也叫HOHO变异。变异。 在普通琼脂上生长在普通琼脂上生长有鞭毛且呈弥漫有鞭毛且呈弥漫 性薄膜状生称性薄膜状生称H H型细菌型细菌变形杆菌变形杆菌 在在0.1%0.1%碳酸琼脂中生长碳酸琼脂中生长不形

7、成鞭毛不形成鞭毛 而生成局限性孤立菌落叫而生成局限性孤立菌落叫O O型细菌型细菌二、培养特性变异二、培养特性变异（一）光滑型（一）光滑型粗糙型变异粗糙型变异 S S型（型（smoothsmooth）菌落：光滑，湿润，边缘整齐。）菌落：光滑，湿润，边缘整齐。 R R型型（roughrough）菌菌落落：菌菌落落表表面面粗粗糙糙，枯枯干干，边边缘缘不整齐。不整齐。一一般般来来说说，SRSR毒毒力力由由强强变变弱弱，但但炭炭疽疽杆杆菌菌，结结核核分分支杆菌，正常菌落为支杆菌，正常菌落为R R型型SS型，毒力减弱型，毒力减弱（二）（二）D D菌落的变异菌落的变异当当细细菌菌接接触触某某些些化化学学物物

8、质质时时如如CuSO4, CuSO4, LiClLiCl形形成成细细小小菌落叫菌落叫D D菌落。（菌落。（dwarf clone, dwarf clone, 侏儒菌落）侏儒菌落）三、毒力变异三、毒力变异（一）增强毒力的方法（一）增强毒力的方法1 1连续通过易感动物连续通过易感动物2 2和其他微生物共生。和其他微生物共生。例如魏氏梭菌与八叠球菌共生时毒力变强。例如魏氏梭菌与八叠球菌共生时毒力变强。（二）减弱毒力的方法（二）减弱毒力的方法1 1通过非易感动物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；例如：马尔他强毒布氏杆菌连续通过鸡育成弱毒株；猪丹毒苗猪丹毒苗GC42GC42系将

9、强毒株通过豚鼠传系将强毒株通过豚鼠传370370代后又通代后又通过鸡传过鸡传4242代育成弱毒。代育成弱毒。2 2在较高温度下培养。在较高温度下培养。 强毒炭疽强毒炭疽 42.5 42.5下培养下培养弱毒弱毒 3 3在含有某些特殊化学物质的培养基中培养。在含有某些特殊化学物质的培养基中培养。法国学者卡法国学者卡- -介二氏将有毒的牛型结核杆菌菌株介二氏将有毒的牛型结核杆菌菌株 在含胆汁的甘油马铃薯培养基中培养在含胆汁的甘油马铃薯培养基中培养1313年传年传230230代（每代（每1515天天/ /代）代）而获得的一株毒性低而抗而获得的一株毒性低而抗原性完整的变异菌株原性完整的变异菌株, , 可

10、作成活疫苗给人接种以预可作成活疫苗给人接种以预防结核病。即著名的防结核病。即著名的 卡介苗卡介苗BCGBCG4 4在含有抗血清，噬菌体或抗生素的培养基中培养。在含有抗血清，噬菌体或抗生素的培养基中培养。5 5长期的人工培养。长期的人工培养。6 6在特殊气体条件下培养。在特殊气体条件下培养。如如无无荚荚膜膜炭炭疽疽芽芽胞胞苗苗是是半半强强毒毒株株在在含含50%50%血血清清的的培培养养基上，在基上，在50% CO50% CO2 2的条件下选育的。的条件下选育的。7 7通通过过基基因因工工程程的的方方法法。去去除除毒毒力力基基因因可可获获得得无无毒毒力株。力株。 四、生化特性变异四、生化特性变异（

11、一）营养缺陷型变异（一）营养缺陷型变异由由于于细细菌菌代代谢谢过过程程缺缺陷陷所所造造成成的的必必须须加加入入某某种种物物质质才才能生长，这种变异叫营养缺陷型变异。能生长，这种变异叫营养缺陷型变异。例例 鼠伤寒沙门氏菌野生型鼠伤寒沙门氏菌野生型以铵盐为氮源合成氨基以铵盐为氮源合成氨基酸和蛋白质变异株酸和蛋白质变异株须供给色氨酸或组氨酸方能生长。须供给色氨酸或组氨酸方能生长。（二）诱导酶产生（二）诱导酶产生大大肠肠杆杆菌菌本本身身不不产产生生半半乳乳糖糖苷苷酶酶，但但培培养养基基中中加加入入乳乳糖后，产生半乳糖苷酶，分解乳糖。糖后，产生半乳糖苷酶，分解乳糖。（三）终末产物阻遏（三）终末产物阻遏细

12、菌合成氨基酸的酶类可被自身的合成产物所抑制细菌合成氨基酸的酶类可被自身的合成产物所抑制而不能生成。而不能生成。例：大肠杆菌产生色例：大肠杆菌产生色AAAA合成酶合成酶合成色合成色aaaa，但培，但培养物中加入色养物中加入色aaaa时，色时，色aaaa合成酶类被抑制。合成酶类被抑制。（四）耐药性变异。（四）耐药性变异。 原原来来对对某某种种药药物物敏敏感感的的细细菌菌，可可发发生生变变异异而而形形成成能能耐耐受受该该药药的的耐耐药药性性，有有的的甚甚至至形形成成必必须须有有该该药药方方能能生长的生长的“依药性依药性”。 含链霉素培基含链霉素培基痢疾杆菌痢疾杆菌 依链株依链株( (耐药菌株耐药菌株

13、) ) 长期培养长期培养 第三节第三节 微生物变异的机理微生物变异的机理一、非遗传性变异一、非遗传性变异 非遗传性变异，即基因无变化，只因外界环非遗传性变异，即基因无变化，只因外界环境暂时的影响而表现出的变异。境暂时的影响而表现出的变异。 例如炭疽杆菌菌落正常表现为粗糙型，但有例如炭疽杆菌菌落正常表现为粗糙型，但有人证明在厌氧的条件下，在含有血清或血液的培人证明在厌氧的条件下，在含有血清或血液的培养基中，菌落变为光滑型。养基中，菌落变为光滑型。 如果在有氧的条件下，普通琼脂培养又可见如果在有氧的条件下，普通琼脂培养又可见到粗糙型菌落。目前对非遗传变异的机理还不太到粗糙型菌落。目前对非遗传变异的

14、机理还不太清楚。清楚。 二、遗传性变异二、遗传性变异 由于微生物基因发生了改变，使其相应的性由于微生物基因发生了改变，使其相应的性状也发生改变，并可以遗传下去，这种变异称为状也发生改变，并可以遗传下去，这种变异称为遗传性变异。遗传性变异的机理包括基因突变和遗传性变异。遗传性变异的机理包括基因突变和基因重组两方面。基因重组两方面。（一）基因突变（一）基因突变 又称为突变。是基因内部结构的细微变又称为突变。是基因内部结构的细微变化，如化，如DNADNA分子上排列的碱基对发生的变化。分子上排列的碱基对发生的变化。基因突变可分为碱基置换和移码两种类型。基因突变可分为碱基置换和移码两种类型。 在细菌突变

15、中，以基因突变较为常见。按其在细菌突变中，以基因突变较为常见。按其发生的原因，可分为自发突变和诱发突变两类。发生的原因，可分为自发突变和诱发突变两类。 自发突变是指没有人为影响的外界条件下，自发突变是指没有人为影响的外界条件下，自然发生的突变，突变率一般是自然发生的突变，突变率一般是1010-6-61010-9-9。 诱发突变是指微生物受某些物理、化学因素诱发突变是指微生物受某些物理、化学因素的作用发生了突变，这种现象称为诱变。的作用发生了突变，这种现象称为诱变。 （二）基因重组（二）基因重组 将一个不同性状个体细胞内的遗传基因转移到将一个不同性状个体细胞内的遗传基因转移到另一个个体细胞内并使

16、之发生遗传变异的过程，称另一个个体细胞内并使之发生遗传变异的过程，称为基因重组。细菌的基因重组有转化、转导、溶原为基因重组。细菌的基因重组有转化、转导、溶原性转换和接合等四种方式。性转换和接合等四种方式。1、转化：受体菌直接由外界环境中摄取供体菌游离转化：受体菌直接由外界环境中摄取供体菌游离DNADNA，整合于自身的基因组中，因而获得该供体菌，整合于自身的基因组中，因而获得该供体菌的遗传信息的过程。的遗传信息的过程。v研究对象：（肺炎双球菌）研究对象：（肺炎双球菌）vS型菌株：有致病性，菌落表面光滑，有荚膜型菌株：有致病性，菌落表面光滑，有荚膜vR型菌株：无致病性，菌落表面粗糙，无荚膜型菌株：

17、无致病性，菌落表面粗糙，无荚膜l1928年，年，Griffith进行了以下几组实验：进行了以下几组实验：l（1）动物实验）动物实验对小鼠注射活对小鼠注射活R菌或死菌或死S菌菌 小鼠存活小鼠存活对小鼠注射活对小鼠注射活S菌菌小鼠死亡小鼠死亡对小鼠注射活对小鼠注射活R菌和热死菌和热死S菌菌 小鼠死亡小鼠死亡l 抽取心血分离活的抽取心血分离活的S菌菌（2）细菌培养实验）细菌培养实验热死热死S菌菌不生长不生长活活R 菌菌长出长出R菌菌热死热死S菌菌+活活R 菌菌长出大量长出大量R菌和菌和10-6S菌菌（3）S型菌的无细胞抽提液试验型菌的无细胞抽提液试验活活R菌菌+S菌无细胞抽提液菌无细胞抽提液长出大量

18、长出大量R菌和少菌和少量量S菌菌以上实验说明：加热杀死的以上实验说明：加热杀死的以上实验说明：加热杀死的以上实验说明：加热杀死的S S型细菌细胞内可能存在型细菌细胞内可能存在型细菌细胞内可能存在型细菌细胞内可能存在一种转化物质，它能通过某种方式进入一种转化物质，它能通过某种方式进入一种转化物质，它能通过某种方式进入一种转化物质，它能通过某种方式进入R R型细胞并型细胞并型细胞并型细胞并使使使使R R型细胞获得稳定的遗传性状型细胞获得稳定的遗传性状型细胞获得稳定的遗传性状型细胞获得稳定的遗传性状v加S菌DNAv加S菌DNA及DNA酶以 外的酶v加S菌的DNA和DNA酶v加S菌的RNAv加S菌的蛋

19、白质v加S菌的荚膜多糖活R菌长出S菌只有R菌1944年、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，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。2 2转转导导：以以温温和和噬噬菌菌体体为为媒媒介介，将将供供体体菌菌的的部部分分遗遗传物质转移给受体细菌的过程叫转导。传物质转移给受体细菌的过程叫转导。Pr 只含只含S不含不含PDNA只含只含P不含不含S原理原理步骤1：用含同位素：用含同位素35, P32的培养基培养大肠杆菌

20、的培养基培养大肠杆菌吸附10分钟后搅动离心上清液沉 淀结果：上清液中含结果：上清液中含15%放射击性；沉淀中含放射击性；沉淀中含85%放射性放射性2：让：让T2感染上述大肠杆菌使其具有感染上述大肠杆菌使其具有S35P32标记标记3：3 3接合：细菌之间通过性柔毛的直接接触，由供接合：细菌之间通过性柔毛的直接接触，由供体细菌将质粒体细菌将质粒DNADNA转移给受体细胞的过程。转移给受体细胞的过程。质粒有质粒有F F质粒、质粒、R R质粒、质粒、CoLCoL质粒（细菌素的合成基质粒（细菌素的合成基因）。因）。（1 1）F+F+菌：菌：F F因子也叫致育因子或性因子，因子也叫致育因子或性因子， 此因

21、子含有使细菌产生性柔毛的基因，具有此因子含有使细菌产生性柔毛的基因，具有F F因子的细菌体即具有性柔毛，被称为雄性菌或因子的细菌体即具有性柔毛，被称为雄性菌或F+F+菌。菌。 （2 2）F F菌：没有菌：没有F F因子的菌体不具有性柔毛叫雌因子的菌体不具有性柔毛叫雌性菌或性菌或F F菌。菌。 F+ F+菌与菌与F F菌通过性柔毛接触时，菌通过性柔毛接触时，F+F+菌中的菌中的F F因因子环状双股子环状双股DNADNA的一条链裂开，由游离端进入的一条链裂开，由游离端进入F F菌，菌，再复制成双股环状再复制成双股环状DNADNA，使原来，使原来F F菌变成菌变成F+F+菌。菌。（3 3）HfrHf

22、r菌（高频重组菌）：少数菌（高频重组菌）：少数F F+ +菌的菌的F F因子还可因子还可整合到受体菌的染色体上，与染色体一起复制，整整合到受体菌的染色体上，与染色体一起复制，整合后的细菌能以高效率转移染色体上的基因，叫合后的细菌能以高效率转移染色体上的基因，叫HfrHfr菌。菌。 （4 4）FF菌：高频重组菌中的菌：高频重组菌中的F F质粒有时会从染色体质粒有时会从染色体上脱离下来，终止其上脱离下来，终止其HfrHfr状态，脱离下的状态，脱离下的F F质粒有时质粒有时可带有染色体上几处邻近的基因，这种质粒叫可带有染色体上几处邻近的基因，这种质粒叫FF质质粒。具有粒。具有FF质粒细菌叫质粒细菌叫

23、FF菌。菌。 接合接合第四节第四节 人工获得变异品系的方法人工获得变异品系的方法一一、筛筛选选：采采用用一一定定的的方方法法筛筛选选出出天天然然的的强强毒毒或或弱弱毒株毒株二、人工诱变二、人工诱变1 1物理因素：温度，紫外线，激光，物理因素：温度，紫外线，激光，射线射线2 2化学因素：化学因素：5-5-溴（氟）尿嘧啶，溴（氟）尿嘧啶，2-2-氨基嘌呤，可氨基嘌呤，可 渗入到渗入到DNADNA中，从而使中，从而使DNADNA的碱基对发生置换。的碱基对发生置换。3 3生物因素：噬菌体、实验动物。生物因素：噬菌体、实验动物。三、基因工程的方法三、基因工程的方法 1 1 目的基因的分离；目的基因的分离

24、；2 2 目的基因与载体目的基因与载体DNADNA的体外重组；的体外重组；3 3 重组载体导入受体细胞；重组载体导入受体细胞；4 4 外源基因的复制与表达；外源基因的复制与表达；5 5 表达产物的检测。表达产物的检测。基因工程的应用基因工程的应用1 1医学方面：医学方面： 人类的遗传性疾病已发现多达人类的遗传性疾病已发现多达20002000多种。根多种。根据推理，可利用基因移植的方法，使健康基因代据推理，可利用基因移植的方法，使健康基因代替遗传病人的缺失基因，实现这个理想尚需替遗传病人的缺失基因，实现这个理想尚需20-2520-25年。年。 2 2农业方面农业方面 可以通过基因工程手段将固氮菌

25、的固氮基因可以通过基因工程手段将固氮菌的固氮基因移植到玉米、小麦等作物根际土壤细菌中去，或移植到玉米、小麦等作物根际土壤细菌中去，或直接转移到小麦、玉米等细胞内，使之具有固氮直接转移到小麦、玉米等细胞内，使之具有固氮能力，这样可以大大减少氮肥供应。能力，这样可以大大减少氮肥供应。3 3环境保护方面环境保护方面 美国美国ChakrabartzChakrabartz等经过多年研究，在等经过多年研究，在19781978年年获得能降解多种烃类的新菌株。获得能降解多种烃类的新菌株。4 4其他其他 利用基因工程的方法生产基因工程苗、合成利用基因工程的方法生产基因工程苗、合成肽苗等。肽苗等。菌种的衰退复壮和

26、保藏菌种的衰退复壮和保藏 1.1.衰退的防止衰退的防止 不论在实验室还是在生产中，必须严格控制不论在实验室还是在生产中，必须严格控制菌种的移种代数，即尽量避免不必要的移种和传菌种的移种代数，即尽量避免不必要的移种和传代，以降低突变几率。代，以降低突变几率。 2.2.菌种的复壮菌种的复壮 通过纯种分离，可把退化菌种中的一部分仍通过纯种分离，可把退化菌种中的一部分仍保持原来有典型性状的单细胞分离出来，经过扩保持原来有典型性状的单细胞分离出来，经过扩大培养，就可恢复原菌株的典型性状。对于退化大培养，就可恢复原菌株的典型性状。对于退化的病原微生物菌株，可通过接种敏感的动物以提的病原微生物菌株，可通过接

27、种敏感的动物以提高菌株的毒性。高菌株的毒性。 3.3.菌种的保藏菌种的保藏 通通过过菌菌种种选选育育获获得得的的较较为为理理想想的的生生产产菌菌株株后后，如如何何在在生生产产过过程程中中能能比比较较长长时时间间地地保保持持它它的的优优良良性性状状不不衰衰退退、不不死死亡亡、不不被被杂杂菌菌污污染染，这这就就是是菌菌种种保保藏工作的目的。藏工作的目的。菌种保存的基本原理：菌种保存的基本原理： 菌种保存就是人工地创造条件，使微生物的代菌种保存就是人工地创造条件，使微生物的代谢处于不活动状态，以保持遗传性的稳定，减少其谢处于不活动状态，以保持遗传性的稳定，减少其变异性。变异性。 常常见见的的菌菌种种保保藏藏方方法法有有以以下下几几种种，可可根根据据微微生生物物本本身身的的特特点点和和研研究究、教教学学、生生产产工工作作的的需要选择保藏方法：需要选择保藏方法：（1 1）斜面低温保藏法）斜面低温保藏法（2 2）液体石蜡封存法）液体石蜡封存法（3 3）砂土保藏法）砂土保藏法（4 4）冷冻真空干燥保藏法）冷冻真空干燥保藏法