第三章遗传和变异

1、第三章第三章 细菌遗传和变异细菌遗传和变异 遗传（遗传（heredityheredity）：）：生物上一代将自己的一整套遗传因生物上一代将自己的一整套遗传因 子传递给下一代的行为或功能，它具有稳定的特性。子传递给下一代的行为或功能，它具有稳定的特性。 变异（变异（variationvariation）：）：生物体在某种外因或内因作用下生物体在某种外因或内因作用下 所引起遗传物质的结构或数量的改变，即遗传型的改变。所引起遗传物质的结构或数量的改变，即遗传型的改变。 细菌的遗传与变异细菌的遗传与变异 v 第一节第一节 细菌的变异现象细菌的变异现象 v 第二节第二节 细菌遗传变异的物质基础细菌遗传变

2、异的物质基础 v 第三节第三节 细菌变异的机制细菌变异的机制 第一节第一节 细菌的变异现象细菌的变异现象 一、形态、结构变异一、形态、结构变异 二、毒力变异二、毒力变异 三、耐药性变异三、耐药性变异 四、菌落变异四、菌落变异 一、形态结构变异一、形态结构变异 3-6%3-6%食盐食盐 鼠疫耶氏菌鼠疫耶氏菌 多形态性多形态性 陈旧培基物陈旧培基物 细菌的大小可发生变异细菌的大小可发生变异, ,有时细菌可失去荚膜，芽胞或鞭毛；有的有时细菌可失去荚膜，芽胞或鞭毛；有的 细菌出现了细胞壁缺陷的细菌出现了细胞壁缺陷的L L型细菌。型细菌。 1414世纪鼠疫在欧洲大流行世纪鼠疫在欧洲大流行 画家笔下欧洲鼠

3、疫图画家笔下欧洲鼠疫图 鼠死行鼠死行师道南师道南 “东死鼠，西死鼠，人见死鼠如见虎；鼠死不东死鼠，西死鼠，人见死鼠如见虎；鼠死不 几日，人死如圻堵。昼死人，莫问数，日色渗几日，人死如圻堵。昼死人，莫问数，日色渗 淡愁云护。三人行未十步多，忽死两人横截路淡愁云护。三人行未十步多，忽死两人横截路 。夜死人，不敢哭，疫鬼吐气灯摇绿。须臾风。夜死人，不敢哭，疫鬼吐气灯摇绿。须臾风 起灯忽无，人鬼尸棺暗同屋。乌啼不断，犬泣起灯忽无，人鬼尸棺暗同屋。乌啼不断，犬泣 时闻。人含鬼色，鬼夺人神。白日逢人多是鬼时闻。人含鬼色，鬼夺人神。白日逢人多是鬼 ，黄昏遇鬼反疑人。人死满地人烟倒，人骨渐，黄昏遇鬼反疑人。人

4、死满地人烟倒，人骨渐 被风吹老。田禾无人收，官租向谁考。我欲骑被风吹老。田禾无人收，官租向谁考。我欲骑 天龙，上天府，呼天公，乞天母，洒天浆，散天龙，上天府，呼天公，乞天母，洒天浆，散 天乳，酥透九原千丈土，地下人人都活归，黄天乳，酥透九原千丈土，地下人人都活归，黄 泉化作回春雨。泉化作回春雨。 被感染鼠疫的患者尸体。被感染鼠疫的患者尸体。 青霉素、溶菌酶等青霉素、溶菌酶等 正常形态细菌正常形态细菌 细菌细菌L型型 葡萄球菌葡萄球菌 葡萄球菌葡萄球菌L L型型 特殊结构的变异特殊结构的变异 42-4342-43 炭疽杆菌炭疽杆菌 失去形成芽胞能力失去形成芽胞能力, , 毒性降低毒性降低 10-

5、2010-20天天 变形杆菌变形杆菌 0.1%0.1%石炭酸石炭酸 迁徙生长（迁徙生长（H H） 点状生长、单个菌落（点状生长、单个菌落（O O） 鞭毛变异鞭毛变异 变形杆菌迁徙生长变形杆菌迁徙生长 二、毒力变异二、毒力变异 增强： 棒状噬菌体 白喉棒状杆菌 产生白喉毒素 减弱： 胆汁、甘油、马铃薯培养基 牛型结核杆菌 卡介苗 13年(230代) 表现为毒力增强或减弱。表现为毒力增强或减弱。 三、耐药性变异三、耐药性变异 概念：细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐药的变异称为耐药性变异概念：细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐药的变异称为耐药性变异 19671967年首次发现耐青霉素肺炎球菌年首次发现耐青

6、霉素肺炎球菌 19971997年又发现多重耐药肺炎球菌流行。年又发现多重耐药肺炎球菌流行。 四、菌落变异四、菌落变异 在陈旧培养基中长期培养在陈旧培养基中长期培养 光滑型菌落光滑型菌落 粗糙型菌落粗糙型菌落 S S R R 原因：失去原因：失去LPSLPS的特异多糖，伴其他性状改变。如：毒力变异的特异多糖，伴其他性状改变。如：毒力变异 第二节第二节 细菌遗传变异的物质基础细菌遗传变异的物质基础 细菌染色体细菌染色体 染色质染色质 (chromosome(chromosomenucleoidnucleoid) ) 质粒质粒(plasmids) (plasmids) 噬菌体噬菌体( (bacter

7、iophagesbacteriophages / phages) / phages) 一一 细菌染色体细菌染色体 染色质染色质 (chromosome(chromosomenucleoidnucleoid) ) 由裸露双股由裸露双股DNADNA盘绕组成，编码细菌生命必须的遗传性状。盘绕组成，编码细菌生命必须的遗传性状。 二二 质粒质粒(plasmids)(plasmids) 指游离于原核生物核基因组外指游离于原核生物核基因组外, ,具有独立复制能力的小型共价闭合具有独立复制能力的小型共价闭合 环状环状dsDNAdsDNA分子分子, ,即即cccDNAcccDNA (circular coval

8、ently closed DNA) (circular covalently closed DNA)为为 典型的质粒。典型的质粒。 自我复制自我复制 编码产物赋予细菌某些特殊性状编码产物赋予细菌某些特殊性状 可自行丢失与消除，不影响细菌生命可自行丢失与消除，不影响细菌生命 具转移性具转移性 具相容性和不相容性具相容性和不相容性 质粒的特性质粒的特性 质粒种类：质粒种类： 1 1、F F质粒：质粒： 又称又称F F因子（致育因子）：大肠杆菌中发现，含质粒为因子（致育因子）：大肠杆菌中发现，含质粒为F+F+ （）；无质粒为（）；无质粒为F-F-（）；质粒（）；质粒DNADNA整合到染色体上为整合到

9、染色体上为HfrHfr. . 2 2、R R质粒：质粒： 携带有分解某种抗生素或药物酶系的基因的质粒，可以赋予宿携带有分解某种抗生素或药物酶系的基因的质粒，可以赋予宿 主细胞耐主细胞耐( (抗抗) )或分解或分解( (失活失活) )某种抗生素或药物的性能。某种抗生素或药物的性能。R R因子因子 对多种抗生素有抗性对多种抗生素有抗性, ,因此可作为筛选时的理想标记因此可作为筛选时的理想标记, ,也可用作也可用作 基因载体。基因载体。 3 3、ColCol质粒：质粒： 又称大肠杆菌素质粒或大肠杆菌素产生因子，大肠杆菌素又称大肠杆菌素质粒或大肠杆菌素产生因子，大肠杆菌素( (colicincolic

10、in) ) 是一种是一种E.coliE.coli的某些菌株所分泌的细菌毒素的某些菌株所分泌的细菌毒素, ,具有通过抑制复制、具有通过抑制复制、 转录、翻译或能量代谢等而专一地杀死其他肠道细菌的功能。转录、翻译或能量代谢等而专一地杀死其他肠道细菌的功能。 4 4、TiTi质粒（诱癌质粒）：质粒（诱癌质粒）： 诱癌质粒。根癌土壤杆菌诱癌质粒。根癌土壤杆菌( (AgrobacteriumAgrobacterium tumefacienstumefaciens) )可引可引 起许多双子叶植物的根癌起许多双子叶植物的根癌, ,它是由该菌的它是由该菌的TiTi质粒所引起的。质粒所引起的。TiTi质粒质粒

11、长长200kb,200kb,是一大型质粒。是一大型质粒。TiTi质粒已成为植物遗传工程研究中的重要质粒已成为植物遗传工程研究中的重要 载体。载体。 5 5、RiRi质粒质粒 发根农杆菌或发根土壤杆菌细胞中含有发根农杆菌或发根土壤杆菌细胞中含有RiRi质粒，可侵染双子叶植物质粒，可侵染双子叶植物 的根部，并诱生大量的毛状的不定根，其上有一段的根部，并诱生大量的毛状的不定根，其上有一段T-DNAT-DNA，农杆菌，农杆菌 通过侵染植物伤口进入细胞后，可将通过侵染植物伤口进入细胞后，可将T-DNAT-DNA插入到植物基因组中。插入到植物基因组中。 6 mega6 mega质粒：质粒： 又称巨大质粒，

12、为近年来在根瘤菌属又称巨大质粒，为近年来在根瘤菌属( (RhizobiumRhizobium) )中发现的一中发现的一 种质粒种质粒, , 比一般质粒大几十倍至几百倍比一般质粒大几十倍至几百倍, ,故称巨大质粒故称巨大质粒, ,其上有一系其上有一系 列固氮基因。列固氮基因。 7 7 降解性质粒：降解性质粒： 只在假单胞菌属只在假单胞菌属(Pseudomonas)(Pseudomonas)中发现。它们的降解性质粒可编码中发现。它们的降解性质粒可编码 一系列能降解复杂物质的酶一系列能降解复杂物质的酶, ,从而能利用一般细菌所难以分解的物从而能利用一般细菌所难以分解的物 质作碳源。从而使这类细菌在污

13、水处理、环境保护等方面发挥特有质作碳源。从而使这类细菌在污水处理、环境保护等方面发挥特有 的作用。的作用。 三三 噬菌体噬菌体 v 头部头部 v 颈部颈部 颈环颈环 颈须颈须 v 尾部尾部 尾鞘尾鞘 尾管尾管 基板基板 刺突刺突 尾丝尾丝 E.coli 的的T4 噬菌体模式图噬菌体模式图 1形态结构形态结构 T T偶数噬菌体偶数噬菌体 2 2 噬菌体的繁殖噬菌体的繁殖 噬菌体的繁殖一般可分五个阶段噬菌体的繁殖一般可分五个阶段 吸附吸附侵入侵入增殖增殖成熟（装配）成熟（装配）裂解（释放）。裂解（释放）。 烈性噬菌体：烈性噬菌体： 凡在短时间内能连续完成这五个阶段而实现其繁殖的噬凡在短时间内能连续

14、完成这五个阶段而实现其繁殖的噬 菌体，称为烈性噬菌体。菌体，称为烈性噬菌体。 温和噬菌体温和噬菌体(temperate phage) (temperate phage) 噬菌体吸附并侵入宿主细胞后，噬菌体的基因组整合到噬菌体吸附并侵入宿主细胞后，噬菌体的基因组整合到 宿主的基因组上，并随宿主基因组的复制而进行同步复宿主的基因组上，并随宿主基因组的复制而进行同步复 制，因而在一般情况下不进行增殖和引起宿主细胞裂解制，因而在一般情况下不进行增殖和引起宿主细胞裂解 的噬菌体，称温和噬菌体。的噬菌体，称温和噬菌体。 如如E.coliE.coli的的 、P1P1、P2.P2. 溶原性溶原性( (lyso

15、genylysogeny)-)-温和噬菌体侵染敏感细菌温和噬菌体侵染敏感细菌 后不裂解它们，而与细菌共存的特性。后不裂解它们，而与细菌共存的特性。 溶原菌（溶原菌（lysogen或或lysogenicbacteria）：）： 指在核基因组上整合有前噬菌体并能正常生长繁殖而不被指在核基因组上整合有前噬菌体并能正常生长繁殖而不被 裂解的细菌（或其他微生物）。裂解的细菌（或其他微生物）。 常见的常见的EcoliK12（）就表示带有）就表示带有前噬菌体大肠杆菌前噬菌体大肠杆菌 K12菌株。菌株。 前噬菌体前噬菌体(prophage)：处于整合态的噬菌体核酸。：处于整合态的噬菌体核酸。 裂解性循环与溶原

16、性循环的相互关系裂解性循环与溶原性循环的相互关系 吸附吸附 侵入侵入 增殖增殖 成熟成熟 裂解裂解 整合整合 同步复制同步复制 自发或诱导自发或诱导 多次循环多次循环 裂解性循环裂解性循环 溶原性循环溶原性循环 第三节第三节 细菌变异的机制细菌变异的机制 一基因突变一基因突变 突变类型突变类型 1 1 营养缺陷型营养缺陷型 2 2 抗性突变型抗性突变型 3 3 条件致死突变型条件致死突变型 4 4 形态突变型形态突变型 5 5 抗原突变型抗原突变型 6 6 产量突变型产量突变型 2 2基因重组（基因重组（generecombinationgenerecombination） 基因重组：两个独立

17、基因组内的遗传基因，通过一定基因重组：两个独立基因组内的遗传基因，通过一定 的途径转移到一起，形成新的稳定基因组的途径转移到一起，形成新的稳定基因组 的过程，称为基因重组或遗传重组。的过程，称为基因重组或遗传重组。 细菌基因重组的方式细菌基因重组的方式 转化转化 转导转导 接合接合 原生质体融合原生质体融合 （一）转化（一）转化（transformationtransformation） 受体菌直接接受供体菌的受体菌直接接受供体菌的DNADNA片段而获得供体菌部分新片段而获得供体菌部分新 的遗传性状的现象，就称转化或转化作用。受体菌再经的遗传性状的现象，就称转化或转化作用。受体菌再经 复制就使

18、自己变成一个转化子（复制就使自己变成一个转化子（transformanttransformant）。）。 转化转化 过程过程 供体菌供体菌受体菌受体菌 （二）转导（二）转导（transductiontransduction） 通过完全缺陷或部分缺陷噬菌体的媒介，把供体细胞的通过完全缺陷或部分缺陷噬菌体的媒介，把供体细胞的 DNADNA小片段携带到受体细胞中，通过交换与整合，从而使小片段携带到受体细胞中，通过交换与整合，从而使 后者获得前者部分遗传性状的现象，称为转导。获得新后者获得前者部分遗传性状的现象，称为转导。获得新 遗传性状的受体细胞，就称转导子（遗传性状的受体细胞，就称转导子（tran

19、sductanttransductant）。）。 1 1普遍转导普遍转导（generalizedtransductiongeneralizedtransduction） 通过完全缺陷噬菌体对供体菌任何通过完全缺陷噬菌体对供体菌任何DNADNA小片段的小片段的“误误 包包”，而实现其遗传性状传递至受体菌的转导现象，称，而实现其遗传性状传递至受体菌的转导现象，称 为普遍转导。为普遍转导。 2 2局限转导局限转导（restrictedrestricted或或 specializedtransductionspecializedtransduction） 指通过部分缺陷的温和噬菌体把供体菌的少数特定基

20、因指通过部分缺陷的温和噬菌体把供体菌的少数特定基因 携带到受体菌中，并获得表达的转导现象。携带到受体菌中，并获得表达的转导现象。 普遍性转导普遍性转导( generalized transduction) 普遍性转导 galbiogalbio 宿主基因组宿主基因组 整合整合 不正常切离不正常切离 （10-410-6） 正常切离正常切离 正常正常 dgaldbio 低频转导（低频转导（LFT）裂解物的形成）裂解物的形成 通过溶原菌释放的噬菌体所进行的转导，通过溶原菌释放的噬菌体所进行的转导， 只能形成极少数的转导子（只能形成极少数的转导子（10-4 10-6）。）。 （三）接合（三）接合（con

21、jugationconjugation） 供体菌（供体菌（“雄雄”）通过其性菌毛与受体菌（）通过其性菌毛与受体菌（“雌雌”）相接）相接 触，把触，把F F质粒或其携带的不同长度的核基因组片段传递给质粒或其携带的不同长度的核基因组片段传递给 后者，从而使后者获得供体菌的新遗传性状的现象，称为后者，从而使后者获得供体菌的新遗传性状的现象，称为 接合。通过接合而获得新性状的受体细胞，就是接合子接合。通过接合而获得新性状的受体细胞，就是接合子 （conju-gantconju-gant）。）。 大肠杆菌的接合大肠杆菌的接合 E Ecolicoli的的F+ F+ 、 F- F- 、HfrHfr和和FF菌

22、株的异同，并图示四者间联系。菌株的异同，并图示四者间联系。 E Ecolicoli分成四种相互有联系的接合型的菌株分成四种相互有联系的接合型的菌株 F F+ +菌株菌株： 在细胞中存在着游离的在细胞中存在着游离的F F因子（因子（1 14 4个），在细胞表面还有与个），在细胞表面还有与F F因子因子 数目相当的性菌毛。当数目相当的性菌毛。当F+F+菌株与菌株与F-F-菌株相接触时，前者可通过性菌菌株相接触时，前者可通过性菌 毛而将毛而将F F因子转移到后者细胞内，因而使因子转移到后者细胞内，因而使FF菌株也转变成菌株也转变成F+F+菌株菌株 （一般可达到（一般可达到100100）。）。 F F- -菌株：菌株： 在在F-F-菌株中不含菌株中不含F F因子，细胞表面也没有性菌毛。但它可通过与因子，细胞表面也没有性菌毛。但它可通过与F+F+ 菌株或菌株或FF菌株的接合而接受供体菌的菌株的接合而接受供体菌的F F因子或因子或FF因子，从而使自因子，从而使自 己转变成己转变成“雄性雄性”菌株，也可接受来自菌株，也可接受来自HfrHfr菌株的一部分或全部遗菌株的一部分或全