第5章 细菌的遗传与变异

特征 自我复制能力 编码产物赋予细菌某些性状特征 可自行丢失与消除 转移性 相容性和不相容性
几种重要的质粒 –致育质粒（F质粒fertility plasmid ） –耐药质粒（R质粒resistance plasmid） –毒力质粒（Vi质粒virulent plasmid ） –细菌素质粒 –代谢质粒
IS Resistance Gene(s) IS
Tn
整合子Integron 整合子Integron
是一种基因单位， 具有独特的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。
转座噬菌体或前噬菌体 tranposable phage or prophage 是一些具有转座功能的溶原性噬菌体，当 整合到细菌染色体上，能改变溶原性细菌的某 些生物学性状。
三 细菌基因表达的调控
细菌基因表达调控系统-操纵子
四 基因的转移和重组 Gene transfer and recombination
• 基因转移 –外源性的遗传物质由供体菌转入某受体菌细 胞的过程称为基因转移。 • 重组 –转移的基因与受体菌DNA整合在一起称为重 组，使受体菌获得供体菌的某些性状。 重组分为同源重组与非同源重组
普遍性转导general 普遍性转导general transduction
噬菌体在成熟装配过程中，由于装配错误，将细 菌的DNA片段装入噬菌体的头部，成为一个转导噬菌 体（transducing phage）。当转导噬菌体能以正常方 式感染另一宿主菌，并将其头部供体菌的的染色体注 入受体菌内。 被包装的DNA可以是供体菌染色体上的任何部分。
含链霉素培基
痢疾杆菌
长期培养
依链株
二 细菌的遗传物质
material basis of bacterial heredity and variation 染色体 chromosome 质粒 plasmid 转座因子 transposable element：插入系列与转座子 element： 整合子 integron 噬菌体基因组
原核生物的染色体
特征
相对较小，环状双螺旋DNA 不含组蛋白 ，无核膜包围 基因结构是连续的, 无内含子 几个基因可组成操纵子的结构 不编码的DNA比真核细胞基因少 仅少数基因存在基因重叠现象 大多基因为单拷贝
质粒 plasmid 细菌染色体外的遗传物质，是环状闭合的双链 DNA。带有遗传性息，能自行复制，随细菌分 裂转移到子代细胞，并非细菌生长所必需。
前噬菌体
bio gal gal bio gal bio
正常脱离
断裂和再接
bio gal
gal
bio
gal
ห้องสมุดไป่ตู้
bio
gal
偏差脱离
断裂和再接
局限性转导
溶原性转换lysogenic 溶原性转换lysogenic conversion 当噬菌体感染细菌时，宿主菌染色体中获得了 噬菌体的DNA片段，使其成为溶原状态时而致 细菌获得新的性状。
转移方式 直接摄取 性菌毛 噬菌体为载 体 整合
细菌遗传变异的实际意义
影响细菌学诊断 H→O变异：如伤寒沙门菌鞭毛 治疗困难：耐药 制备疫苗：BCG 检测致癌物 基因工程
基因工程
载体：质粒，噬菌体 工程菌和酶：限制性 内切酶，连接酶 选择目的基因，细菌 中表达，如胰岛素、 白介素、干扰素等 基因工程疫苗
受体菌 噬菌体DNA
细菌DNA
转导噬菌体
结果
完全转导 流产转导
细菌DNA
完全转导 整合） （整合）
流产转导 未整合） （未整合）
局限性转导restricted 局限性转导restricted transduction
由温和噬菌体所介导， 由温和噬菌体所介导， 所转导的只限于供体菌染 色体上特定的基因。 色体上特定的基因。 特定的基因 溶原期时，噬菌体DNA整合在细菌染色体特定部位， 溶原期时，噬菌体DNA整合在细菌染色体特定部位， DNA整合在细菌染色体特定部位 噬菌体DNA发生偏差分离，将自身的一段DNA DNA发生偏差分离 DNA留在细菌 噬菌体DNA发生偏差分离，将自身的一段DNA留在细菌 染色体上，而带走了细菌DNA上两侧的基因。 DNA上两侧的基因 染色体上，而带走了细菌DNA上两侧的基因。当其转导 并整合到受体菌中， 并整合到受体菌中，使受体菌获得供体菌的某些遗传 性状。所转导的只限于供体菌上个别的基因。 性状。所转导的只限于供体菌上个别的基因。
原生质体融合protoplast 原生质体融合protoplast fusion • 将两种不同的细菌经溶菌酶或青霉素等处理， 失去细胞壁成为原生质体以后进行相互融合 的过程。 • 聚乙二醇可促使二种原生质体的融合。 • 原生质体融合是一种人工基因转移系统，本 质上与基因转移无关或关系很小
基因转移重组类 基因来源 型 转化 供体菌 接合 供体菌 转导 溶原性转换 供体菌 噬菌体
毒力变异 virulent variation 牛分枝杆菌
胆汁、甘油、 胆汁、甘油、马铃薯培养基 13年(230代 13年(230代)
卡介苗
（毒力减弱 毒力减弱） 毒力减弱
白喉棒状杆菌
β棒状噬菌体 棒状噬菌体
获得白喉毒素
（毒力增强 毒力增强） 毒力增强
耐药性变异 variation of drug resistance 细菌对某种抗菌药物有敏感变成耐药的变异称为 耐药性变异。
一 细菌的变异现象 phenomenon of bacterial variation
–形态、结构变异 –菌落变异（S-R变异） 菌落变异（S-R变异） –毒力变异（卡介苗） –耐药性变异
形态结构变异 Variation of morphology and structure 鼠疫耶尔森菌
3-6%食盐 6%食盐 陈旧培基物 陈旧培基物
细菌的基因转移和重组可通过： 细菌的基因转移和重组可通过： 转化、接合、转导、 转化、接合、转导、溶原性转换和原生质体融 合等方式进行。 合等方式进行。
转化transformation 转化transformation 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。
肺炎球菌转化试验
思考题
1.细菌的遗传物质包括哪些？ 1.细菌的遗传物质包括哪些？ 细菌的遗传物质包括哪些 2.细菌基因转移和重组的类型？ 2.细菌基因转移和重组的类型？ 细菌基因转移和重组的类型 3.名词解释： 3.名词解释： 名词解释 质粒、转座子、整合子、转导、转化、接合、 质粒、转座子、整合子、转导、转化、接合、 溶原性转换。 溶原性转换。
F+
F+
Hfr
Hfr
F-
Hfr
F-
Hfr
F-
Hfr
F-
F′质粒的转移
F′
F-
F′
F-
F′
F′
F′
F′
R质粒的接合
–耐药（r）决定子与耐药传递因子 –耐药传递因子: 与F质粒相似，编码性菌毛的产生和 通过接合转移
转导transduction 转导transduction 以温和噬菌体为载体，将供体菌的一段DNA转 移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。 –普遍性转导（general transduction) –局限性转导(restricted transduction)
遗传变异类型
基因型变异(genotypic variation) ：基因结构发生了 基因型变异 改 变,不可逆,可遗传给后代。 表型变异(phenotypic variation)：环境改变所导致,基 表型变异 ： 因结构未发生变异,可逆,不可遗传。 基因改变 遗传 可逆性 外界环境 变异幅度 遗传性变异 + + 个别细胞 非遗传性变异 + + 群体
多形态性
正常形态细菌
青霉素、 青霉素、溶菌酶 抗体或补体
L型变异
正常霍乱弧菌
霍乱弧菌L 霍乱弧菌L型
炭疽杆菌
4242-43℃ 10-20天 10-20天
失去形成芽胞能力, 毒性降低
菌落变异 variation of colony
在陈旧培养基中长期培养 粗糙型菌落（Ｒ） 粗糙型菌落（Ｒ） 光滑型菌落（Ｓ） 光滑型菌落（Ｓ） 失去LPS LPS的特异多糖 失去LPS的特异多糖
• 转化因子（transforming principle）：在转化过程中，转化 的DNA片段称为转化因子，分子 量小于107，最多不超过10~20个 基因。 • 受体菌必须处于感受态才能转化。 • 感受态 ：细胞生活周期中的一种 特殊的生理状态。
接合conjugation 接合conjugation
• 细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（主要是质 粒DNA）从供体菌转移给受体菌。 • 接合性质粒：能通过接合方式转移的质粒称为接合性质 粒，F质粒、R质粒、Col质粒和毒力质粒等。
F质粒的接合
Donor
F+
F+
F-
F+
F-
Recipient
F+
F+
F+
F+
高频重组株Hfr 高频重组株Hfr
第5章 细菌的遗传与变异 章 Microbial Heredity & Variation
Some Terms
遗传(heredity) ：子代与亲代的生物学性状基本相 同，且代代相传。 变异(variation) ：子代与亲代以及子代与子代之 (variation) 间的生物学性状出现差异。 基因型(genotype)与表型(phenotype)。
转座因子transposable 转座因子transposable element 是存在于细菌染色体或质粒DNA分子上的 一段特异性核苷酸序列片段，它能在DNA分子 中移动，不断改变它们在基因组的位置，能从 一个基因组转移到另一个基因组中。
插入序列insertion 插入序列insertion sequence,IS –是最小的转座因子，＜2kb，不携带任何已 是最小的转座因子，＜2kb， 是最小的转座因子，＜ 知与插入功能无关的基因区域 转座子transposon,Tn 转座子transposon,Tn ＞2kb，除携带与转位有关的基因外，还携带耐 kb，除携带与转位有关的基因外， 药性基因、抗金属基因、毒素基因及其他结构 药性基因、抗金属基因、 基因。 基因。 –可能与细菌的多重耐药性有关。 可能与细菌的多重耐药性有关。 可能与细菌的多重耐药性有关