江南大学考研 微生物PPT课件

第七章微生物的遗传变异与育种Microbial Genetics and Variation遗传和变异的几个概念:遗传(heredity)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。

遗传型(genotype) 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，一旦功能性蛋白质合成，可调控基因表达。

表型(phenotype)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。

遗传型是一种内在可能性或潜力，其实质是遗传物质上所负载的特定遗传信息。

具有某遗传型的生物只有在适当的环境条件下通过自身的代谢和发育，才能将它具体化，即产生表型。

饰变(modification)指不涉及遗传物质结构改变，只发生在转录、转译水平上的表型变化。

特点：每一个体都发生变化性状变化的幅度小；因遗传物质不变故饰变是不遗传的。

变异（Variation）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：l几率极低(一般为10-5~10-6)；2性状变化幅度大；3变化后的新性状是稳定的、可遗传的。

细菌变异变异(variation)：在一定条件下，子代与亲代之间以及子代与子代之间的生物学性状出现的差异。

形态结构的变异毒力变异耐药性变异菌落变异一. 形态结构的变异细菌的大小和形态在不同的生长时期可不同，生长过程中受外界环境的影响也可发生变异。

如：鼠疫耶氏菌在陈旧培养物上细菌的多形态性、细菌L型。

细菌的特殊结构v如：荚膜（肺炎链球菌）v芽胞（炭疽芽孢杆菌）v鞭毛（变形杆菌H-O变异）也可发生变异。

毒力变异(增强) 无毒力的白喉棒状杆菌常寄居在咽喉部，不致病；当感染了β-棒状噬菌体后变成溶原性细菌，则获得产生白喉毒素的能力，引起白喉。

毒力变异(减弱) 有毒菌株长期在人工培养基上传代培养，可使细菌的毒力减弱或消失。

卡介苗(BCG)是有毒的牛分枝杆菌在含有胆汁的甘油、马铃薯培养基上，经过13年，连续穿230代，获得的一株毒力减弱但仍保持免疫原性的变异株。

耐药性变异细菌对某种抗菌药物由敏感变为耐药的变异。

金黄色葡萄球菌耐青霉素的菌株已从1946年的14%上升至目前的80%。

多重耐药性：有些细菌还表现为同时耐受多种抗菌药物，从抗生素广泛应用以来，细菌对抗生素耐药的不断增长是世界范围内的普遍趋势，给临床治疗带来很大的困难，并成为当今医学上的重要问题。

菌落变异细菌的菌落主要有光滑(smooth,S)型和粗糙(rough,R)型两种。

S型菌落表面光滑、湿润、边缘整齐。

经人工培养多次传代后菌落表面边为粗糙、干燥、边缘不整齐，称S—R 变异。

S—R变异常见于肠道杆菌，是由于失去LPS的特异性寡糖重复单位而引起的。

变异时不仅菌落的特征发生改变，且细菌的其它性状也发生了变化。

S型菌的致病性强，但有少数R型菌的致病性强，如结核分枝杆菌突变(mutation)：是细菌遗传物质的结构发生突然而稳定的改变，导致细菌性状的遗传性变异。

遗传性变异；非遗传性变异遗传性变异：是细菌的基因结构发生了改变，故又称基因型变异。

常发生于个别的细菌，不受环境因素的影响，变异发生后是不可逆的，产生的新性状可稳定地遗传给后代。

非遗传性变异：细菌在一定的环境条件影响下产生的变异，其基因结构未改变，称为表型变异。

§易受到环境因素的影响，凡在此环境因素作用下的所有细菌都出现变异，而且当环境中的影响因素去除后，变异的性状又可复原，表型变异不能遗传。

第一节遗传变异的物质基础一、遗传物质化学本质的确证二、遗传物质在细胞内的存在部位和方式一、三个经典实验F.Griffith的转化实验噬菌体感染实验TMV重建实验结论：核酸是负荷遗传信息的物质基础（一）核酸存在的七个水平及质粒细胞水平：存在于细胞核或核质体，单核或多核细胞核水平: 原与真核生物的细胞核结构不同，核外DNA染色体水平: 倍性(真核)和染色体数核酸水平：在原核中同染色体水平、存在部分二倍体DNA或RNA，复合或裸露，双链或单链基因水平：具自主复制能力的遗传功能单位，长度与信息量，转录——翻译密码子水平：信息单位,起始和终止核苷酸水平：突变或交换单位，四种碱基二．遗传物质在细胞内的存在部位和方式细菌遗传变异的物质基础：染色体质粒转位因子细菌染色体：细菌属于原核细胞型微生物, 细菌染色体是环状双螺旋DNA，不含组蛋白, 无核膜包围。

基因, 是具有一定生物学功能的核苷酸序列，如编码结构蛋白、酶等功能。

细菌基因的结构是连续的, 无内含子。

细菌染色体DNA的复制：大肠埃希菌已证明是双向复制基因是一段DNA大肠杆菌基因：l4100个基因，4.7×106bp ；遗传信息的连续性；功能相关的结构基因组成操纵子；结构基因单拷贝及rRNA多拷贝；基因的重复序列少而短质粒(plasmid)：是游离于原核生物基因组以外、具有独立复制能力的小型共价闭合环状的dsDNA分子（cccDNA）目前仅发现于原核微生物和真核微生物的酵母菌有。

质粒存在的三种形态l麻花状的超螺旋结构1.5～300kb，Mw106～8，相当于约1％核基因组；线状质粒：天蓝色链霉菌、赫氏蜱疏螺旋体质粒大小：约为2～100×106，上面携带有数个到数十个甚至上百个基因。

质粒的特征存在方式：可以在细胞质中独立于染色体之外独立存在（游离态），也可以通过交换掺入染色体上，以附加体（episome）的形式存在；1复制能力：质粒是一种复制子（replicon），根据自我复制能力的不同，单拷贝或多拷贝。

可把质粒复制的控制形式分为严紧型和松弛型两种。

严紧型质粒的复制受细胞核控制，与染色体DNA复制相伴随,一般一个寄主细胞内只有少数几个（1～5）个拷贝；松弛型质粒的复制不受细胞核控制，在染色体DNA复制停止的情况下仍可以进行复制，在细胞内的数量可以达到10～200个或更多。

2 有转移性：可以通过转化、转导或接合作用而由一个细菌细胞转移到另一个菌细胞中，使两个细胞都成为带有质粒的细胞；质粒转移时，它可以单独转移，也可以携带着染色体（片段）一起进行转移，所以它可成为基因工程的载体。

3编码产物赋予细菌某些性状特征4对于细菌的生存并不是必要的可自行丢失与消除5功能多样化6可整合性质粒可以与核染色体发生整合与脱离，如F因子，这种质粒称附加体整合：指质粒或温和噬菌体、病毒、转化因子等小型非染色体DNA插入核基因组等大型DNA分子中的现象7重组性质粒与质粒之间、质粒与核染色体之间的基因重组质粒的功能：进行细胞间接合，并带有一些基因，如产生毒素、抗药性、固氮、产生酶类、降解功能等。

存在范围：很多细菌如E.coli、Shigella、S.aureus、Streptococcus lactis、根癌土壤杆菌等• 质粒消除的因素：吖啶类染料、丝裂霉素C、紫外线、利福平、重金属离子、高温质粒的分离与鉴定质粒分离的步骤：细胞培养细胞裂解蛋白质和RNA的去除质粒DNA与染色体DNA分离：关键质粒的鉴定：电镜琼脂糖凝胶电泳：确定分子量聚丙烯酰胺凝胶电泳密度梯度离心质粒的限制性酶切图谱质粒在基因工程中的应用质粒用于基因工程操作的优点：体积小环状独立复制起始点拷贝数多选择性标记：抗性基因质粒的应用——克隆载体：能够完成外源DNA片段复制的DNA分子质粒基因可编码多种重要的生物学性状1)致育质粒（F质粒）与有性生殖功能关联；2)耐药性质粒编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。

接合性耐药质粒（R质粒）非接合耐药性质粒；3)毒力质粒（V i质粒）编码与该菌致病性有关的毒力因子；4)细菌素质粒编码细菌产生细菌素；5)代谢质粒编码产生相关的代谢酶。

几种代表性质粒：致育因子或性因子—F因子（fertility factor）双链DNA，足以编码94个中等大小多肽，其中1/3基因（tra区）与接合作用有关。

与有性生殖有关，带有F质粒的为雄性菌，能长出性菌毛；无F质粒的为雌性菌，无性菌毛；存在于肠细菌属、假单胞菌属、嗜血杆菌、奈瑟氏球菌、链球菌等细菌中，决定性别耐药性质粒—R因子（resistence factor）编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。

R因子由相连的两个DNA片段组成：抗性转移因子（resistence transfor factor，RTF ）分子量约为11×106Dalton，控制质粒copy数及复制，抗性决定质粒大小不固定，从几百万到100×106Dalton以上。

其上带有其它抗生素的抗性基因。

抗性决定R因子（r-determinant）。

R-因子在细胞内的copy数可从1~2个到几十个，分为严紧型和松弛型两种，经氯霉素处理后，松弛型质粒可达2000~3000个/细胞。

最初发现于痢疾志贺氏菌（Shigella dysenteriae），后来发现还存在于Salmonella、Vibrio、Bacillus、Pseudomonas和Staphylococcus中。

毒力质粒（V i质粒）编码与该菌致病性有关的毒力因子。

如致病性的大肠埃希菌产生的耐热性肠毒素是由ST质粒编码的。

细菌粘附定植在肠粘膜表面是由K质粒决定的。

u降解性质粒只在假单胞菌属中发现。

它们的降解性质粒可为一系列能降解复杂物质的酶编码，从而能利用一般细菌所难以分解的物质做碳源。

这些质粒以其所分解的底物命名，l例如分解CAM（樟脑）质粒，分解XYL（二甲苯）质粒，分解SAL（水杨酸）质粒，分解MDL（扁桃酸）质粒，分解NAP（奈）质粒，分解TOL（甲苯）质粒等。

降解性质粒的应用：污水处理与环境保护。

细菌素质粒——Col因子（colicinogenic factor）编码各种细菌产生的细菌素。

Col质粒编码大肠埃希菌产生大肠菌素，大肠杆菌素是由E.coli的某些菌株所分泌的细菌素，能通过抑制复制、转录、转译或能量代谢等而专一地杀死其它肠道细菌。

其分子量约4~8×104D。

l 大肠杆菌素都是由Col因子编码的。

凡带Col因子的菌株，由于质粒本身编码一种免疫蛋白，从而对大肠杆菌素有免疫作用，不受其伤害。

mega质粒（巨大质粒）是近年来在Rhizobium（根瘤菌属）中发现的一种质粒，分子量为200~300×106Dalton，比一般质粒大几十倍到几百倍，故称巨大质粒，其上有一系列固氮基因。

Ti质粒（tumor inducing plasmid）：诱癌质粒。

存在于根癌土壤杆菌（Agrobacterium tumefaciens）中,可引起许多双子叶植物的根癌。

Ti质粒长200kb，是一个大型质粒。

当前，Ti质粒已成为植物遗传工程研究中的重要载体。