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1、DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity第一篇微生物学基础第5章细菌遗传与变异 BacterialGenetics DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity教学大纲n n掌握内容掌握内容：细菌的遗传物质；基因转移与重组方：细菌的遗传物质；基因转移与重组方式的种类及定义；噬菌体及其相关概念。式的种
2、类及定义；噬菌体及其相关概念。 n n熟悉内容熟悉内容：细菌的变异类型；噬菌体与宿主菌相：细菌的变异类型；噬菌体与宿主菌相互关系。互关系。n n了解内容了解内容：细菌的变异现象；细菌遗传变异研究：细菌的变异现象；细菌遗传变异研究的实际意义。的实际意义。DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity问题n n微生物的概念及种类？n n医学微生物学的主要研究内容是什么？DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUnive
3、rsityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity第一节 与细菌遗传相关的物质n n细菌染色体n n质粒n n噬菌体n n转座子DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity细菌染色体n n细菌染色体chromosomeuu一条环状双螺旋DNA长链uu按一定构型反复回旋而成的松散网状结构DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartm
4、entofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityn n毒力岛(Pathogenicityisland):指病原菌的某个或某些毒力基因群,其分子结构与功能不同于细菌染色体,但位于染色体内,故称之.n nDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityn n毒力岛最早是用来描述泌尿道致病性大肠杆菌的两个相对分子质量很大的、编码许多毒力相关基因的、不稳定的染色体DNA片段。近年来人们发现在许多病原性细菌中都存在着毒力岛，毒力
5、岛的定义也有了较大的改变。DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity毒力岛具有以下特点：n n1.1.编码细菌毒力基因簇的一个相对分子质量较大编码细菌毒力基因簇的一个相对分子质量较大的的(20(20100kb100kb左右左右) )染色体染色体DNADNA片段；片段；n n2.2.一些毒力岛的两侧具有重复序列和插入元件一些毒力岛的两侧具有重复序列和插入元件, ,但但是也可以没有；是也可以没有；n n3.3.毒力岛往往位于细菌染色体的毒力岛往往位于
6、细菌染色体的tRNAtRNA基因位点内基因位点内或附近或附近, ,或者位于与噬菌体整合有关的位点，肠或者位于与噬菌体整合有关的位点，肠致病性大肠杆菌致病性大肠杆菌(EPEC)(EPEC)的的LEELEE毒力岛就位于转运毒力岛就位于转运RNAselCRNAselC位点；位点；n n4.4.毒力岛毒力岛DNADNA片段的片段的G+Cmol%G+Cmol%、密码使用和宿、密码使用和宿主细菌染色体有明显差异，主细菌染色体有明显差异， 有的比宿主细胞的有的比宿主细胞的G+Cmol%G+Cmol%明显高，明显高， 有的有的 明显低；明显低；DepartmentofMicrobiology,HarbinMe
7、dicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityn n5.5.毒力岛编码的基因产物许多是分泌性蛋白和细毒力岛编码的基因产物许多是分泌性蛋白和细胞表面蛋白胞表面蛋白, ,如溶血素、菌毛和血红素结合因子，如溶血素、菌毛和血红素结合因子， 一些毒力岛编码细菌的分泌系统（如一些毒力岛编码细菌的分泌系统（如型分泌系型分泌系统）、信息传导系统和调节系统；统）、信息传导系统和调节系统； n n6.6.一种病原菌可以有一个或几个毒力岛；一种病原菌可以有一个或几个毒力岛； n n7.7.一部分学者认为一部分学者认为, ,细菌的毒力岛应
8、该包括位于细菌的毒力岛应该包括位于噬菌体和质粒上的、与细菌的毒力有关的、其噬菌体和质粒上的、与细菌的毒力有关的、其G+CG+C百分比和密码使用与宿主细胞明显不同的百分比和密码使用与宿主细胞明显不同的DNADNA片段；片段；n n8.8.毒力岛可能与新发现的病原性细菌有关毒力岛可能与新发现的病原性细菌有关。DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityn n在沙门氏菌中已经发现了在沙门氏菌中已经发现了5 5个毒力岛。如果鼠伤寒沙门氏个毒力岛。如果鼠伤寒
9、沙门氏菌的菌的 SPI-1SPI-1毒力岛发生了突变，毒力岛发生了突变， 经口感染，对小鼠的毒经口感染，对小鼠的毒力可降低力可降低15155050倍。倍。 但是如果经过腹腔途径感染，但是如果经过腹腔途径感染， 则毒则毒力没有明显降低。这说明，力没有明显降低。这说明， SPI-1SPI-1毒力岛主要与肠道粘附毒力岛主要与肠道粘附和侵袭有关。经过腹腔途径感染，使鼠伤寒沙门氏菌逃避和侵袭有关。经过腹腔途径感染，使鼠伤寒沙门氏菌逃避了肠道屏障，了肠道屏障， SPI-1SPI-1毒力岛的作用就表现不出来。毒力岛的作用就表现不出来。 而而SPI-SPI-2 2毒力岛则不同。如果毒力岛则不同。如果 SPI-
10、2SPI-2毒力岛发生了突变，毒力岛发生了突变， 即使经即使经过腹腔途径感染，过腹腔途径感染， 伤寒沙门氏菌对小鼠的毒力也降低了伤寒沙门氏菌对小鼠的毒力也降低了1010000000倍，倍， 就不能够引起全身性感染就不能够引起全身性感染DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity三、细菌的三、细菌的型分泌系统型分泌系统uu型分泌系统（型分泌系统（型分泌系统（型分泌系统（type type secretion system secretion syst
11、em，TTSSTTSS）是一个由多组分蛋白复合体形成的跨膜通道）是一个由多组分蛋白复合体形成的跨膜通道）是一个由多组分蛋白复合体形成的跨膜通道）是一个由多组分蛋白复合体形成的跨膜通道uuTTSSTTSS与动植物的许多革兰氏阴性病原菌毒力因子的与动植物的许多革兰氏阴性病原菌毒力因子的与动植物的许多革兰氏阴性病原菌毒力因子的与动植物的许多革兰氏阴性病原菌毒力因子的分泌有关分泌有关分泌有关分泌有关uu编码编码编码编码TTSSTTSS的基因通常位于毒力岛上，约有的基因通常位于毒力岛上，约有的基因通常位于毒力岛上，约有的基因通常位于毒力岛上，约有20203030个个个个 DepartmentofMicr
12、obiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity质粒n n特点uu自主复制自主复制uu双股闭合环状双股闭合环状DNADNA分子分子uu编码某些表型编码某些表型uu可丢失和转移可丢失和转移n n分类uu表型表型FFF F质粒、质粒、R R质粒、质粒、ViVi质粒质粒DepartmentofMicr
13、obiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity噬菌体（phage）n n是侵噬细菌或真菌的病毒n n蝌蚪形、球形、杆状DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity噬菌体结构n n头部FF核心核心：DNADNA或或 RNARNAFF衣壳衣壳：蛋白质：蛋白质n n尾部FF蛋白质蛋白质FF与吸附宿主有关与吸附宿主有关DepartmentofM
14、icrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity噬菌体的复制DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity噬菌体感染细菌的结果n n溶菌性周期uu毒性噬菌体毒性噬菌体n n溶原性周期uu前噬菌体前噬菌体uu溶原性细菌溶原性细菌uu 温和噬菌体温和噬菌体DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniv
15、ersityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity溶菌周期n n吸附阶段n n生物合成阶段n n释放阶段DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity转座子n n转座子转座子 transposon,Tntransposon,Tnuu细细菌菌DNADNA内内一一段段核核苷苷酸酸序序列列，能能在在质质粒粒之之间间、质质粒粒与与染染色色体体之之间间自自行行转转移移位位置置，是是细细菌菌菌菌体体内内可
16、可移移动动的的遗遗传物质传物质转座酶转座酶ABCDEFGGFEDCBA800-1400bp800-1400bpDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity第二节细菌的变异现象n n形态结构变异形态结构变异：细菌：细菌L L型型 、H HOO变异变异 n n抗原性变异抗原性变异n n菌落变异菌落变异：S-RS-R变异变异n n毒力变异毒力变异n n耐药性变异耐药性变异DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniv
17、ersityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity主要的变异类型主要的变异类型形态结构变异抗原性变异菌落形态变异毒力变异耐药性变异DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity有荚膜的肺炎球菌有荚膜的肺炎球菌无荚膜的肺炎球菌无荚膜的肺炎球菌细菌形态结构变异细菌形态结构变异DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMi
18、crobiology,HarbinMedicalUniversityS S型菌落型菌落R R型菌落型菌落细菌菌落形态变异细菌菌落形态变异DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity卡介苗（BCG）n n卡-介（Calmette-Grin）二氏将有毒力的牛型结核分枝杆菌在含胆汁、甘油和马铃薯的培养基上经13年传230代，得到毒力减弱而抗原性稳定的菌株，用于结核病的预防。DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUni
19、versityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity第三节 细菌变异机制n n突变染色体畸变类型染色体畸变类型染色体畸变类型染色体畸变类型A A A AG G G G、X X X X代表不同的代表不同的代表不同的代表不同的DNADNADNADNA片段片段片段片段 野生型野生型倒位倒位重复重复缺失缺失置换置换插入插入DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity细菌的变异机制 基因突变 细菌基因
20、的转移和重组 1基因突变( (mutationmutation) )： 遗传物质结构发生突然改变 基因突变类型： 基因突变：点突变 染色体畸变：范围大 突变株： 野生株：DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity耐药性菌株在接触药物前已出现，抗菌药物的作用只是选择耐药株 DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUni
21、versity基因转移和重组n n基因转移uu供体菌供体菌DNADNA转移给受体菌的过程转移给受体菌的过程n n基因重组uu进进入入受受体体菌菌的的外外源源DNADNA能能够够复复制制，导导致致其其基基因因型发生改变成为重组体或重组菌型发生改变成为重组体或重组菌n n方式uu转转化化、接接合合、转转导导、溶溶原原性性转转换换、原原生生质质体体融融合合DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity转化transformation肺炎链球菌的转化试验肺炎
22、链球菌的转化试验肺炎链球菌的转化试验肺炎链球菌的转化试验 DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity转化n n受体菌直接摄取供体菌DNA片段并整合到自己的基因组中，从而获得新的遗传性状的过程。DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity噬菌体吸附大肠杆菌示意图噬菌体吸附大肠杆菌示意图Departmen
23、tofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity噬菌体裂解大肠杆菌示意图噬菌体裂解大肠杆菌示意图DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity噬菌体感染细菌的结果噬菌体感染细菌的结果pp溶菌性周期溶菌性周期uu毒性噬菌体毒性噬菌体毒性噬菌体毒性噬菌体pp溶原性周期溶原性周期uu前噬菌体前噬菌体前噬菌体前噬菌体uu溶原性细菌溶原
24、性细菌溶原性细菌溶原性细菌uu温和噬菌体温和噬菌体温和噬菌体温和噬菌体DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity 普遍性转导：完全转导和流产转导 普遍性转导模式图DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity局限性转导： 普遍转导：装配错误局限转导：脱落错误DepartmentofMicrobiolog
25、y,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity接合conjugationn nF质粒（fertilityplasmid）uu雄性菌（F+）uu雌性菌（F-）F F质粒接合转移模式图质粒接合转移模式图DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity接合conjugationn n概念：uu两个细菌接触，供体菌通过性菌毛将DNA直接转入受体菌内，使受体菌获得
26、新的遗传性状的过程。DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity转导transductionn n概概概概念念念念：以以以以噬噬噬噬菌菌菌菌体体体体为为为为媒媒媒媒介介介介，将将将将供供供供体体体体菌菌菌菌DNADNADNADNA片片片片段段段段转转转转移移移移到到到到受受受受体体体体菌菌菌菌内内内内，使使使使受受受受体体体体菌菌菌菌获得新的遗传性状。获得新的遗传性状。获得新的遗传性状。获得新的遗传性状。DepartmentofMicrobiolo
27、gy,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity转导转导 接合接合 转化转化DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity溶原性转换Lysogenicconversionn n溶原性细菌因染色体上整合有前噬菌体而获新遗传性状DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicro
28、biology,HarbinMedicalUniversity原生质体融合Protoplastfusionn n细菌形成原生质体后，在聚乙二醇作用下可以使两个细菌细胞发生融合。DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity高频重组株（HfrHfr）： F F质粒如整合到细菌染色体上时，则该细菌能以较高的频率转移染色体基因，与受体菌F F的染色体重组。 F F质粒在末端，F F- -菌获的F质粒的机会和很少。 DepartmentofMicrobiol
29、ogy,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity第四节细菌遗传学的应用n n在诊断、治疗和预防方面的应用n n检测致癌物质 n n在流行病学方面的应用n n在基因工程方面的应用DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityn n例例1 1：曲线曲线a a表示使用诱变剂表示使用诱变剂X X前青霉菌菌株前青霉菌菌株数和青霉素产量之间的关系，曲线数和青霉素
30、产量之间的关系，曲线b b、c c、d d表示使用诱变剂表示使用诱变剂X X后菌株数和产量之间的关后菌株数和产量之间的关系。下列说法正确的是（系。下列说法正确的是（ ）A A由由a a变为变为b b、c c、d d体现了变异的多方向性体现了变异的多方向性B BX X决定了青霉菌变异方向，加快了变异频率决定了青霉菌变异方向，加快了变异频率C C在在X X作用下青霉菌可能发生基因突变、基因重作用下青霉菌可能发生基因突变、基因重组组D Db b是最符合人们生产要求的变异类型是最符合人们生产要求的变异类型DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityD
31、epartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity第四节第四节 改变毒力的方法改变毒力的方法增强毒力的方法增强毒力的方法增强毒力的方法增强毒力的方法：回归易感动物（本动物或实验动物）：回归易感动物（本动物或实验动物）：回归易感动物（本动物或实验动物）：回归易感动物（本动物或实验动物）减弱毒力的方法减弱毒力的方法减弱毒力的方法减弱毒力的方法 长时间在体外连续培养传代长时间在体外连续培养传代长时间在体外连续培养传代长时间在体外连续培养传代：如病原菌在体外人工培养基上连：如病原菌在体外人工培养基上连：如病原菌在体外人工培养基上连：如病原菌在体外人工培养基上
32、连续多次传代续多次传代续多次传代续多次传代在高于最适生长温度条件下培养在高于最适生长温度条件下培养在高于最适生长温度条件下培养在高于最适生长温度条件下培养：如炭疽：如炭疽：如炭疽：如炭疽号疫苗是将炭疽杆号疫苗是将炭疽杆号疫苗是将炭疽杆号疫苗是将炭疽杆菌强毒株在菌强毒株在菌强毒株在菌强毒株在4242424243434343培养传代育成培养传代育成培养传代育成培养传代育成在含有特殊化学物质的培养基中培养在含有特殊化学物质的培养基中培养在含有特殊化学物质的培养基中培养在含有特殊化学物质的培养基中培养：如卡介苗是将牛型结核：如卡介苗是将牛型结核：如卡介苗是将牛型结核：如卡介苗是将牛型结核分支杆菌在含有
33、胆汁的马铃薯培养基上每分支杆菌在含有胆汁的马铃薯培养基上每分支杆菌在含有胆汁的马铃薯培养基上每分支杆菌在含有胆汁的马铃薯培养基上每15151515天传天传天传天传1 1 1 1代，持续传代代，持续传代代，持续传代代，持续传代13131313年后育成年后育成年后育成年后育成病原微生物的致病性与毒力病原微生物的致病性与毒力gogoDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity减弱毒力的方法减弱毒力的方法 续续续续在特殊气体条件下培养在特殊气体条件下培养在
34、特殊气体条件下培养在特殊气体条件下培养，如无荚膜炭疽芽孢苗是在含，如无荚膜炭疽芽孢苗是在含，如无荚膜炭疽芽孢苗是在含，如无荚膜炭疽芽孢苗是在含50%CO250%CO250%CO250%CO2的的的的条件下选育的；条件下选育的；条件下选育的；条件下选育的；通过非易感动物通过非易感动物通过非易感动物通过非易感动物，如猪丹毒弱毒苗是将强致病菌株通过豚鼠，如猪丹毒弱毒苗是将强致病菌株通过豚鼠，如猪丹毒弱毒苗是将强致病菌株通过豚鼠，如猪丹毒弱毒苗是将强致病菌株通过豚鼠370370370370代后，又通过鸡代后，又通过鸡代后，又通过鸡代后，又通过鸡42424242代选育而成；代选育而成；代选育而成；代选育
35、而成；通过基因工程的方法通过基因工程的方法通过基因工程的方法通过基因工程的方法，如去除毒力基因或用点突变的方法使毒，如去除毒力基因或用点突变的方法使毒，如去除毒力基因或用点突变的方法使毒，如去除毒力基因或用点突变的方法使毒力基因失活，可获得无毒力菌株或弱毒菌株。力基因失活，可获得无毒力菌株或弱毒菌株。力基因失活，可获得无毒力菌株或弱毒菌株。力基因失活，可获得无毒力菌株或弱毒菌株。在含有在含有在含有在含有抗血清、特异噬菌体或抗生素的培养基中培养抗血清、特异噬菌体或抗生素的培养基中培养抗血清、特异噬菌体或抗生素的培养基中培养抗血清、特异噬菌体或抗生素的培养基中培养，也都能，也都能，也都能，也都能使
36、病原微生物的毒力减弱。使病原微生物的毒力减弱。使病原微生物的毒力减弱。使病原微生物的毒力减弱。 山东畜牧兽医职业学院山东畜牧兽医职业学院 DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity毒力因子的调节n n病原菌的侵袭受多种环境因素的调节.氧浓度,渗透压,PH值,生长阶段等因素通过调节侵袭相关基因的表达影响细菌：n n温度n n铁n n钙n n渗透压DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepa
37、rtmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity 分类系统：纲、目、科、属、种分类系统：纲、目、科、属、种属（属（Genus, genera）：）：具有若干共性的种的组合，与其具有若干共性的种的组合，与其 他属有明显的差异。他属有明显的差异。种（种（Species）：）：微生物分类的基本单元，是一群性质相微生物分类的基本单元，是一群性质相 似的菌株，与其他菌株群体有明显差异。似的菌株，与其他菌株群体有明显差异。菌株（菌株（Strain）：）：是不同来源的某一种细菌的纯培养物。是不同来源的某一种细菌的纯培养物。 同一种细菌有许多菌株，其主要性状应完全相同。
38、同一种细菌有许多菌株，其主要性状应完全相同。细菌遗传与变异DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity 2、 细菌的命名细菌的命名国际细菌命名法规（国际细菌命名法规（The International Code of Nomenclature of Bacteria）双名法：双名法： 每一种细菌的拉丁名称由属名和种名二部分组成，属每一种细菌的拉丁名称由属名和种名二部分组成，属名第一个字母必须大写，其余均小写。如大肠杆菌的学名：名第一个字母必须大写，
39、其余均小写。如大肠杆菌的学名：Escherichia coli, E coli。 在现代细菌分类中，在属名和种名之后，还加上首次在现代细菌分类中，在属名和种名之后，还加上首次定名人（加括号）、现定名人和现名定名年份，用正体字。定名人（加括号）、现定名人和现名定名年份，用正体字。如大肠杆菌的学名：如大肠杆菌的学名：Escherichia coli （Migula）Castellani et Chalmers 1919, 指指Migula 于于1895年命名此菌为年命名此菌为Bacillus coli, Castellani 及及 Chalmers 于于1919年改为现名。年改为现名。细菌遗传与变异DepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversityDepartmentofMicrobiology,HarbinMedicalUniversity说了这么多，严重记不住！说了这么多，严重记不住！n n开开心吧！开开心吧！
