细菌的遗传变异

*,*,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,第六章 细菌的遗传与变异,一、几个概念,1、遗传,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。,2、遗传型,某一生物所含有的遗传信息即DNA中正确的核苷酸序列。生物体通过这个核苷酸序列控制蛋白质或RNA的合成，一旦功能性蛋白合成，可调控基因表达。,3、表型,某一生物体所具有的一切外表特征及内在特性的总和，是遗传型在合适环境条件下的具体体现。是一种现实性。,4、变异,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。,特点：几率极低(一般为10-510-6)；性状变化幅度大；变化后的新性状是稳定的、可遗传的。,第一节 微生物遗传的物质基础,一、基因组和质粒,（一）基因组,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，是由双条环状双螺旋DNA长链组成的，含有的遗传基因，控制着细菌的遗传与变异。,（二）质 粒,质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。,质粒示意图,细菌的质粒,二、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”。,第二节 微生物的主要变异,一、形态与结构的变异,（一）形态变异,自然形成或诱导产生的L型细菌，老龄培养物中出现的衰老型，都属于形态变异。在特定组织器官中发生形态的改变，如炭疽在猪咽部不呈竹节状而呈弯曲且粗细不均匀；猪丹毒在慢性病猪心脏内不呈杆菌而为长丝状。,菌落变异,R菌落,S菌落,（二）、,荚膜变异：,有荚膜细菌在特定条件下丧失形成荚膜的能力。炭疽杆菌在营养丰富且CO2达10%20%培养条件下，产生荚膜，在普通培养基中不产生荚膜。无毒炭疽芽胞菌的弱毒株失去成形荚,膜能力。,（三）、芽胞变异,强毒疽炭杆菌在42.5高温下培养毒力变弱，且失去形成芽孢能力。,（四）、鞭毛变异：环境条件的改变而使细菌失去形成鞭毛的能力。也叫HO变异。,在普通琼脂上生长有鞭毛且呈弥漫,性薄膜状生称H型细菌,变形杆菌,在0.1%碳酸琼脂中生长不形成鞭毛,而生成局限性孤立菌落叫O型细菌,二、培养特性变异,（一）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,（二）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）,三、毒力变异,（一）增强毒力的方法,1连续通过易感动物,2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。,3实验动物腹腔内放置胶囊病原菌。,（二）减弱毒力的方法,1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。,2在较高温度下培养。,强毒炭疽 42.5下培养弱毒,3在含有某些特殊化学物质的培养基中培养。,法国学者卡-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13年传230代（每15天/代）而获得的一株毒性低而抗原性完整的变异菌株,可作成活疫苗给人接种以预防结核病。即著名的 卡介苗BCG,4在含有抗血清，噬菌体或抗生素的培养基中培养。,5长期的人工培养。,6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%CO,2,的条件下选育的。,7通过基因工程的方法。去除毒力基因可获得无毒力株。,四、生化特性变异,（一）营养缺陷型变异,由于细菌代谢过程缺陷所造成的必须加入某种物质才能生长，这种变异叫营养缺陷型变异。,例 鼠伤寒沙门氏菌野生型以铵盐为氮源合成氨基酸和蛋白质变异株须供给色氨酸或组氨酸方能生长。,（二）诱导酶产生,大肠杆菌本身不生半乳糖苷酶，但培养基中加入乳糖后，产生半乳糖苷酶，分解乳糖。,（三）终末产物阻遏,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。,例：大肠杆菌产生色AA合成酶合成色aa，但培养物中加入色aa时，色aa合成酶类被抑制。,（四）耐药性变异。,原来对某种药物敏感的细菌，可发生变异而形成能耐受该药的耐药性，有的甚至形成必须有该药方能生长的“依药性”。,含链霉素培基痢疾杆菌 依链株(耐药菌株)长期培养,第三节 微生物变异的机理,一、非遗传性变异,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。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到粗糙型菌落。目前对非遗传变异的机理还不太清楚。,二、遗传性变异,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。,（一）基因突变,又称为突变。是基因内部结构的细微变化，如DNA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。,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。,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10,-6,10,-9,。,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。,（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DNA，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。,研究对象：,Streptococcus,pneumoniae,（肺炎双球菌）,S,型菌株：有致病性，菌落表面光滑，有荚膜,R,型菌株：无致病性，菌落表面粗糙，无荚膜,1928,年，,Griffith,进行了以下几组实验：,（,1,）动物实验,对小鼠注射活,R,菌或死,S,菌,小鼠存活对小鼠注射活,S,菌,小鼠死亡对小鼠注射活,R,菌和热死,S,菌,小鼠死亡,抽取心血分离活的,S,菌,（2）细菌培养实验,热死S菌不生长活R 菌长出R菌热死S菌+活R 菌长出大量R菌和10,-6,S菌,（3）S型菌的无细胞抽提液试验活R菌+S菌无细胞抽提液长出大量R菌和少量S菌,以上实验说明：加热杀死的S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R型细胞并使R型细胞获得稳定的遗传性状,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、,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转导：以温和噬菌体为媒介，将供体菌的部分遗传物质转移给受体细菌的过程叫转导。,Pr 只含S不含P,DNA只含P不含S,原理,步骤,1：用含同位素,35,P,32,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15%放射击性；沉淀中含85%放射性,2：让T,2,感染上述大肠杆菌使其具有S,35,P,32,标记,3：,3接合：细菌之间通过性柔毛的直接接触，由供体细菌将质粒DNA转移给受体细胞的过程。,质粒有F质粒、R质粒、CoL质粒（细菌素的合成基因）。,（1）F+菌：F因子也叫致育因子或性因子，此因子含有使细菌产生性柔毛的基因，具有F因子的细菌体即具有性柔毛，被称为雄性菌或F+菌。,（2）F菌：没有F因子的菌体不具有性柔毛叫雌性菌或F菌。F+菌与F菌通过性柔毛接触时，F+菌中的F因子环状双股DNA的一条链裂开，由游离端进入F菌，再复制成双股环状DNA，使原来F菌变成F+菌。,（3）Hfr菌（高频重组菌）：少数F,+,菌的F因子还可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Hfr菌。,（4）F菌：高频重组菌中的F质粒有时会从染色体上脱离下来，终止其Hfr状态，脱离下的F质粒有时可带有染色体上几处邻近的基因，这种质粒叫F质粒。具有F质粒细菌叫F菌。,接合,第四节 人工获得变异品系的方法,一、筛选：采用一定的方法筛选出天然的强毒或弱毒株,二、人工诱变,1物理因素：温度，紫外线，激光，射线,2化学因素：5-溴（氟）尿嘧啶，2-氨基嘌呤，可,渗入到DNA中，从而使DNA的碱基对发生置换。,3生物因素：噬菌体、实验动物。,三、基因工程的方法,1 目的基因的分离；,2 目的基因与载体DNA的体外重组；,3 重组载体导入受体细胞；,4 外源基因的复制与表达；,5 表达产物的检测。,四、基因工程,（一）基因工程的概念,基因工程，也称遗传工程。基因工程技术是用人工方法将所需某一供体生物的遗传物质-DNA分子提出，在离体条件下进行切割后，与作为载体的DNA分子连接，然后导入某一受体细胞中，使外来的遗传物质在受体细胞中进行复制和表达，从而产生一种新物种。,（二）基因工程的应用,1医学方面：,人类的遗传性疾病已发现多达2000多种。根据推理，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20-25年。,2农业方面,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。,3环境保护方面,美国Chakrabartz等经过多年研究，在1978年获得能降解多种烃类的新菌株。,4其他,利用基因工程的方法生产基因工程苗、合成肽苗等。,一、理论上的意义,（一）奠定了分子生物学发展的基础,细菌结构简单，为单倍体的单细胞生物，一旦基因突变，即能表达出来。,第 五 节,微生物变异在理论和实践上的意义,细菌生长繁殖迅速。细菌在液体培养基中，周围环境对其作用直接而均匀。在固体培养上能形成肉眼可见的具有一定特征的菌落。,细菌营养要求简单，有利于作营养需要分析和代谢途径的研究，容易获得营养缺陷。,细菌种类较多，其生物性状又很丰富，便于选择。,（二）定向培育优良菌种（毒种）,掌握微生物变异的规律，是育种工作的基础。定向培育是指用某一特定环境长期处理某一微生物群体，同时不断对它们进行移种、传代，以达到积累和选择理想的新菌株（毒种）的目的。,近年来已开始用基因重组的方法，人工创造一些新菌种。,二、实际应用,（一）诊断、防治传染病,1在诊断方面,细菌发生变异后，其形态、生理各种特性都与原来的菌种不同，往往出现一些非典型菌株，诊断传染病时应予注意。,2在预防方面,无毒或弱毒菌株除可在自然界寻找到外，亦可用人工方法改变有毒菌株进行定向培育。,3在治疗方面,由于耐药株的不断出现与增加，故选用抗菌药物时，针对性要强，必要时先作药敏试验，并正确掌握用药时机和剂量，以达到将体内病原菌全部消灭掉。,（二）,菌种的衰退复壮和保藏,1.衰退的防止,不论在实验室还是在生产中，必须严格