细菌遗传与变异

1、 表型变异（非遗传） 基因变异（遗传） 细菌变异 基因突变 基因转移与重组 自发突变 诱变 转化 接合 转导 溶原性转换 原生质体融合 细菌的遗传物质是DNA，细菌基因组是指染色体 和染色体以外遗传物质的总称。 细菌遗传物质之细菌染色体 DNA replication 双向复制 细菌遗传物质之细菌质粒 n前噬菌体、溶原周期或溶菌周期均与噬菌体 基因组相关，亦参与细菌的遗传与变异。 细菌遗传物质之噬菌体基因组 细菌遗传物质之转座因子 是一类在细菌的染色体、质粒或噬菌体之间自行移动的遗传 成分。 是基因组中一段特异的具有转位特性的独立的DNA序列。 插入序列 （insertion sequence

2、, IS） 序列长度一般超过2kbp，除携带与转座有关的 基因外，还携带其他特殊功能的基因（耐药 性基因、重金属抗性基因、肠毒素基因和其 他结构基因等）。 耐药性基因 耐药性基因 Tn Tn insertion n概念：一种运动性的DNA分子，具有独特结构可捕 获和整合外源性基因，使之转变成为功能性基因的 表达单位。 n定位：细菌的染色体和质粒或转座子上 n基本结构：两端的保守末端+中间的可变区 n整合子（integron, In） n操纵子 概念：细菌的许多相关基因串联排列在染色体的 特定部位，其上游有启动子和操纵基因序列，共同 构成一个转录单位，即为操纵子。 在操纵子的上游还有一个调节基因

3、，编码的蛋白 能调节操纵子的活动。如大肠埃希菌乳糖操纵子。 -半乳糖甘酶 透过酶 乙酰化酶 2 基因突变 Gene Mutation 细菌遗传物质的结构发生细菌遗传物质的结构发生突然而稳定突然而稳定的改变，的改变， 是是DNA序列的永久性变化。（序列的永久性变化。（不考虑不考虑细菌表型是否细菌表型是否 有可察觉的改变）有可察觉的改变） 基因突变或称点突变：基因突变或称点突变：由于由于DNA（RNA病毒和噬菌体的病毒和噬菌体的RNA ）链上的一对或少数几对碱基被另一个或少数几个碱基对取代）链上的一对或少数几对碱基被另一个或少数几个碱基对取代 发生改变的突变类型。发生改变的突变类型。 染色体畸变：

4、染色体畸变：是是DNA链上大段发生变化或损伤所引起的突变链上大段发生变化或损伤所引起的突变 类型。这里包括染色体类型。这里包括染色体DNA链上的插入（链上的插入（insertion）、缺失（）、缺失（ deletion）、重复（）、重复（duplication）、易位（）、易位（translocation）、倒）、倒 位（位（inversion）等。）等。 错义突变无义突变 沉默突变 天门冬 酰胺酸 酪氨酸 基因突变的结局 表型变异（非遗传） 基因变异（遗传） 细菌变异 基因突变 基因转移与重组 自发突变 诱变 转化 接合 转导 溶原性转换 细胞融合 彷徨试验：随机的、非定向的突变是在接触噬

5、菌体之前就已发生，噬菌体对突变 仅起筛选而不是诱导作用。 n回复突变与抑制突变 细菌由野生型变为突变型是正向突变。 有时突变株经过又一次突变可恢复为野生型的性状， 这种第二次突变称为回复突变。 回复突变并没有改变正向突变的DNA序列，而是一 个抑制基因突变抑制了第一次突变所致的性状改变。 回复突变往往不是基因型回复，而是表型的回复。 突变型细菌及其分离： 营养缺陷突变型 营养物质筛选 抗性突变型 药敏试验 条件致死性突变型 温度敏感试验 某一野生型菌株因发生基因突变而某一野生型菌株因发生基因突变而丧失丧失合成一种或合成一种或 几种生长因子、碱基或氨基酸的能力，几种生长因子、碱基或氨基酸的能力，

6、只有从周围环境只有从周围环境 或培养基中获得这些或培养基中获得这些营养或其前体物营养或其前体物（precursor） 才能才能正常生长繁殖的变异类型，称为正常生长繁殖的变异类型，称为营养缺陷型营养缺陷型。 营养缺陷型突变株营养缺陷型突变株 在遗传学、分子生物学、遗传育种在遗传学、分子生物学、遗传育种和遗传工程等研究中和遗传工程等研究中 十分重要十分重要 表型判断的标准：表型判断的标准： 在基本培养基上能否生长在基本培养基上能否生长 营养缺陷型的表示方法：营养缺陷型的表示方法： 基因型：基因型： 所需营养物的前三个英文所需营养物的前三个英文小写斜体字母小写斜体字母表示：表示：hisC （组氨酸缺

7、陷型，其中的大写字母组氨酸缺陷型，其中的大写字母C同一表型中不同基因的突变同一表型中不同基因的突变） 表型：表型： 同上，但同上，但第一个字母大写第一个字母大写，且不用斜体：，且不用斜体：HisCHisC hisC 缺陷型缺陷型 hisC 野生型野生型 指野生型菌株因发生基因突变，指野生型菌株因发生基因突变，使菌株对使菌株对对某化对某化 学药物或致死物理因子学药物或致死物理因子，特别是抗生素，产生抗性，特别是抗生素，产生抗性的的 抗性变异类型抗性变异类型。 特特 点：点： 正选择标记正选择标记 （突变株可直接从抗性平板上获得（突变株可直接从抗性平板上获得在加有相应在加有相应 抗生素的平板上，只

8、有抗性突变能生长。所以很容抗生素的平板上，只有抗性突变能生长。所以很容 易分离得到。易分离得到。） 表示方法：表示方法： 所抗药物的所抗药物的前三个小写斜体英文字母前三个小写斜体英文字母加上加上“r”表示。表示。 strr对链霉素的对链霉素的抗性抗性 strs对链霉素的对链霉素的敏感性敏感性 抗性突变菌株抗性突变菌株 在遗传学、分子生物学、遗传育种在遗传学、分子生物学、遗传育种和遗传工程等研究中和遗传工程等研究中 极为重要极为重要 某菌株或病毒经基因突变后，在某种条件下某菌株或病毒经基因突变后，在某种条件下 可可正常正常地生长、繁殖并呈现其固有的表型，而在地生长、繁殖并呈现其固有的表型，而在

9、另一种条件下却另一种条件下却无法无法生长、繁殖，这种突变类型生长、繁殖，这种突变类型 称为称为条件致死突变型条件致死突变型。 在在2525下可感染其下可感染其E. coli宿主宿主 在在3737却不能感染却不能感染 TsTs突变株突变株即即温度敏感突变株温度敏感突变株（temperature sensitive mutant，Ts Ts mutant）是一类典型的条件是一类典型的条件 致死突变株。致死突变株。 E. coli的某些菌株的某些菌株 在在3737下正常生长下正常生长 不能在不能在4242下生长下生长 某些某些T4T4噬菌体突变株噬菌体突变株 产生产生TsTs突变的原因突变的原因 在

10、某特定的温度下具有功能在某特定的温度下具有功能 在另一温度（一般为较高温度）下则无功能在另一温度（一般为较高温度）下则无功能 突变使某些重要蛋白质的结构和功能发生改变，突变使某些重要蛋白质的结构和功能发生改变， 指由于突变而引起的个体或菌落形态的指由于突变而引起的个体或菌落形态的非选择性变异非选择性变异。 个体变异个体变异 孢子有无、孢子颜色、孢子有无、孢子颜色、 鞭毛有无或荚膜有无等的突变鞭毛有无或荚膜有无等的突变 菌落变异菌落变异 菌落表面光滑、粗糙、菌落表面光滑、粗糙、 噬菌斑的大小或清晰度等的突变噬菌斑的大小或清晰度等的突变 特点：特点： 非选择性突变非选择性突变 突变株和野生型菌株均

11、可生长，但可从形态突变株和野生型菌株均可生长，但可从形态 特征上进行区分。特征上进行区分。 举例：举例： 菌落颜色变化菌落颜色变化 半乳糖苷酶基因的插入失活半乳糖苷酶基因的插入失活 重组子菌落重组子菌落白色白色 非重组子菌落非重组子菌落兰色兰色 指由于基因突变引起的细胞抗原结构发生的指由于基因突变引起的细胞抗原结构发生的 变异类型，一般也属变异类型，一般也属非选择性突变非选择性突变。 例如，例如，细胞壁缺陷变异（细胞壁缺陷变异（L L型细菌等）、型细菌等）、 荚膜或鞭毛成分变异等。荚膜或鞭毛成分变异等。 通过基因突变而产生的在代谢产物产量上明显通过基因突变而产生的在代谢产物产量上明显 有别于原

12、始菌株的突变株，称为有别于原始菌株的突变株，称为产量突变型产量突变型。 “正变株正变株”（plus-mutant）产量产量高高于于原始菌株原始菌株 “负变株负变株”（minus-mutant ） 产量产量低于低于原始菌株原始菌株 筛选高产正变株的工作对生产实践极其重要筛选高产正变株的工作对生产实践极其重要 在育种实践上在育种实践上 诱变育种诱变育种 重组育种重组育种 遗传工程育种遗传工程育种 平板法的优点：平板法的优点： 快速简便，工作量小，结果直观性强（例如可用快速简便，工作量小，结果直观性强（例如可用 上述变色圈、透明圈、抑制圈、生长圈或沉淀圈上述变色圈、透明圈、抑制圈、生长圈或沉淀圈 等

13、方法测定某代谢产物的量）；等方法测定某代谢产物的量）； 平板法的缺点：平板法的缺点： 在培养皿平板上固态培养的结果不一定能反映摇瓶在培养皿平板上固态培养的结果不一定能反映摇瓶 培养或发酵罐中液体培养的结果。培养或发酵罐中液体培养的结果。 基因突变使菌株对某种或某几种药物，特别基因突变使菌株对某种或某几种药物，特别 是抗生素，产生抗性。是抗生素，产生抗性。 特点：特点： 正选择标记正选择标记 （突变株可直接从抗性平板上获得（突变株可直接从抗性平板上获得-在加有相应在加有相应 抗生素的平板上，只有抗性突变能生长。所以很容抗生素的平板上，只有抗性突变能生长。所以很容 易分离得到。）易分离得到。） 梯

14、度平板法梯度平板法（gradient plate）是是定向筛选抗药定向筛选抗药 性突变株性突变株的一种有效方法，通过制备琼脂表面存在药的一种有效方法，通过制备琼脂表面存在药 物浓度梯度的平板、在其上涂布诱变处理后的细胞悬物浓度梯度的平板、在其上涂布诱变处理后的细胞悬 液、经培养后再从其上选取抗药性菌落等步骤，就可液、经培养后再从其上选取抗药性菌落等步骤，就可 定向筛选到相应抗药性突变株。定向筛选到相应抗药性突变株。 梯度平板法梯度平板法（gradient plate） 是定向筛选抗药性突变株的一种有效方法。是定向筛选抗药性突变株的一种有效方法。 营养缺陷型突变株营养缺陷型突变株（auxotro

15、phic mutant）在在 生物学基础理论和应用研究以及生产实践上都有极其生物学基础理论和应用研究以及生产实践上都有极其 重要的意义。重要的意义。 营养缺陷型的表示方法：营养缺陷型的表示方法： 基因型：基因型： 所需营养物的前三个英文小写斜体字母表示：所需营养物的前三个英文小写斜体字母表示：hisC （组氨酸缺陷型，其中的大写字母组氨酸缺陷型，其中的大写字母C同一表型中不同基因的突变同一表型中不同基因的突变） 表型：表型： 同上，但第一个字母大写，且不用斜体：同上，但第一个字母大写，且不用斜体：HisC 在具体使用时多用在具体使用时多用hisC-和和hisC+，分别表示缺陷型和野生型。分别表

16、示缺陷型和野生型。 a. 基本培养基基本培养基（MM，符号为）符号为） 与筛选营养缺陷型突变株有关的与筛选营养缺陷型突变株有关的3类培养基类培养基 仅能满足某微生物的野生型菌株生长所需的仅能满足某微生物的野生型菌株生长所需的 最低成分的组合培养基，称最低成分的组合培养基，称MM。 b. 完全培养基完全培养基（complete medium，CM，符号为）符号为） 凡可满足一切营养缺陷型菌株营养需要的天然凡可满足一切营养缺陷型菌株营养需要的天然 或半组合培养基，称为或半组合培养基，称为CM。 一般可在基本培养基中加入一些富含氨基酸、一般可在基本培养基中加入一些富含氨基酸、 维生素、核苷酸和碱基之

17、类的天然物质，如蛋白维生素、核苷酸和碱基之类的天然物质，如蛋白 胨或酵母膏等配制而成。胨或酵母膏等配制而成。 c. 补充培养基补充培养基（supplemental medium，SM，符号为符号为 A或或B等）等） 凡只能满足相应的营养缺陷型突变株生长需凡只能满足相应的营养缺陷型突变株生长需 要的组合或半组合培养基，称为要的组合或半组合培养基，称为SM。 在基本培养基上再添加对某一营养缺陷型突在基本培养基上再添加对某一营养缺陷型突 变株所不能合成的某相应代谢产物所组成，可专变株所不能合成的某相应代谢产物所组成，可专 门选择相应的突变株。门选择相应的突变株。 原养型原养型（prototroph）

18、 与营养缺陷型突变有关的与营养缺陷型突变有关的3类遗传型个体类遗传型个体 野生型野生型（wild type，wild strain） 营养缺陷型营养缺陷型（auxotroph） 从自然界分离到的原始菌株（从自然界分离到的原始菌株（A B） ） 经诱变剂处理后的突变株（经诱变剂处理后的突变株（AB） 经回复突变或重组后产生的菌株（经回复突变或重组后产生的菌株（A B） ） 营养缺陷型的筛选方法营养缺陷型的筛选方法 第一步，诱变剂处理第一步，诱变剂处理 第二步，淘汰野生型第二步，淘汰野生型 第三步，检出缺陷型第三步，检出缺陷型 第四步，鉴定缺陷型第四步，鉴定缺陷型 第二步，淘汰野生型第二步，淘汰野

19、生型 抗生素法抗生素法 菌丝过滤法菌丝过滤法 差别杀菌法差别杀菌法 饥饿法饥饿法 第三步，检出缺陷型第三步，检出缺陷型 逐个检出法逐个检出法 夹层培养法夹层培养法（layer plating method） 影印平板法影印平板法 限量补充培养法限量补充培养法 逐个检出法 夹层培养法 影印平板法影印平板法 将处理后的菌液涂布在含微量（0.01%或更少）蛋白 胨的基本培养基上培养，营养缺陷型长得缓慢，呈小 菌落；野生型长得较快，呈大菌落。从菌落大小可筛 去野生型。 限量补充培养法限量补充培养法 第四步，鉴定缺陷型第四步，鉴定缺陷型 借助借助生长谱法生长谱法（auxanography）进行。进行。

20、被转移的基因在受体菌胞质中被转移的基因在受体菌胞质中能自行复制与表达，能自行复制与表达， 或与受体菌或与受体菌DNA整合在一起，整合在一起，从而使受体菌获得供体从而使受体菌获得供体 菌的某些特性。菌的某些特性。 u 转化 u 接合 u 转导 u 溶原性转换 转 化 (transformation) Griffith 1928年 肺炎链球菌 供体菌裂解游离的DNA片段被受 体菌直接摄取，使受体菌获得新 的性状。 吸附 受体细胞 单链DNA片段 同源重组 异源双链区 染色体复制 细胞分裂 子细胞：保持原受 菌性状 子细胞：带有供菌性 状的转化型细菌 接 合 (conjugation) 细菌通过性菌

21、毛相互连接沟通，将 遗传物质（主要是质粒DNA）从供 体菌转移给受体菌的方式。 F+F-F+F- F+F+F+F+ Donor Recipient F+ Hfr（高频重组菌株） Hfr转移细菌染色体过程 间断交配实验：绘制遗传图谱 F质粒位于染色体末端，很少有机会进入F-菌 耐药传递因子(RTF)：编码性菌毛； r决定因子(r-det)：多个耐药基因转座子； IS r-det r-det RTF IS Tn9Tn4Tn5 抗氯霉素 抗氨苄青霉素、 磺胺、链霉素 抗卡那霉素 R质粒：传染性耐药因子 第一寄主菌 第二寄主菌 转 导 (transduction) 以噬菌体为载体,将供体菌的一段DNA

22、转移到受体菌内,使 受体菌获得供体菌的部分遗传性状。可分为普通性转导 (general transduction)和局限性转导(restricted transduction). 普遍性转导普遍性转导 完全转导 （整合） 流产转导 （未整合） 毒性噬菌体和温和噬菌体 均可以介导 局限性转导局限性转导 前噬菌体 gal bio 正常脱离断裂和再接 偏差脱离 gal bio gal bio gal bio gal bio gal bio gal 断裂和再接 局限性转导 温和噬菌体介导 溶原性转换溶原性转换 (lysogenic conversion) 宿主菌获得噬菌体基因 编码的某些性状 温和噬菌体介导 小结：小结： n细菌细菌 转化：游离DNA 感受态受体菌（直接） 接合：雄性菌雌性菌（性菌毛） 转导：第1宿主菌第2宿主菌（噬菌体） n噬菌体细菌 溶原性转换（前噬菌体） 有荚膜的肺炎球菌无荚膜的肺