细菌的遗传和变异PPT课件
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细菌的遗传与变异ppt课件
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
第一节
细菌的遗传物质
1、细菌染色体
细菌作为原核型微生物，虽没有完整的核结构，但却有 核区（或核质）。在电镜下观察，核区有盘旋堆积的 DNA纤维。
细菌染色体DNA与其他生物相同，由互补的双链核苷酸 组成。
基因突变
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。
遗传型变异中常见的一种为突变，即细菌的基因结构 发生偶然的改变。一般突变会导致所编码蛋白质的改 变，从而使细菌出现新的特性或失去原有的某些特性。 由于细菌每20～30分钟分裂一代，故突变株相对较多。
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
在一定的培养条件下这些性状在亲代与子代间表现相 同，为遗传性。然而也可出现亲代与子代间的变异。 如果细菌的变异是由于细菌所处外界环境条件的作用， 引起细菌的基因表达调控变化而出现的差异，则称为 表型变异。表型变异因为并未发生细菌基因型的改变， 不能遗传，所以是非遗传变异。遗传使细菌保持种属 的相对稳定性，而基因型变异则使细菌产生变种与新 种，有利于细菌的生存及进化。
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
如，以β棒状杆菌噬菌体感染无毒的白喉杆菌后，可发生 溶原性转换，形成产生外毒素的白喉杆菌。此外，溶血性 链球菌产生红疹毒素的能力，以及沙门氏杆菌有特异性O 抗原等，均通过溶原性转换获得。当各菌失去相应噬菌体 后，则失去产生毒素或表达特异抗原特性。
细菌的遗传与变异
菌可获得F质粒而成为F+菌。
F+菌
F-菌
F+菌 F-菌
F+菌
F+菌
F质粒的接合
F＋
F-
F＋
F＋
高频重组菌（high frequency recombinant， Hfr菌）：整合后的细菌能高效地转移染色体上 的基因
Hfr
F-
Hfr
F-
Hfr
F-
Hfr
F-
F+ 菌 （性菌毛）
F’菌 F+ 菌
F 质粒 雄性菌： Hfr菌
（5）大多编码顺序则不重叠 （6）结构基因是单拷贝，rRNA是多拷贝 （7）具有各种功能的识别区域 功能（function)： – 细菌的主要遗传物质 – 决定细菌的基因型 – 为细菌生命活动所必需
毒力岛（pathogenicity island, PAI）
毒力岛：指病原菌的某个或菌体
前噬菌体
噬菌体的基本特性 噬菌体(bacteriophage, phage): 是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒. 噬菌体
细菌细胞
噬菌体的特点：
1、个体微小、可以通过滤器；
2、没有完整的细胞结构，主要由蛋 白质构成的衣壳和包含于其中的核酸组 成； 3、只能在活的微生物细胞内复制增
有荚膜的肺炎球菌
无荚膜的肺炎球菌
2、毒力变异
细菌的毒力变异包括其毒力的增强与减弱，如
白喉毒素的产生及卡介苗的获得均为细菌毒力变异 的结果。 3、耐药性变异 细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐药的变异称耐 药性变异，这种变异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。
4、菌落变异 细菌的菌落由S型变异为R型多见，且常伴随细菌理
细菌的遗传和变异
几种重要的质粒
– 致育质粒（F质粒） – 耐药质粒 – 毒力质粒（Vi质粒） – 细菌素质粒 – 代谢质粒
噬菌体 bacteriophage,phage
微生物病毒 具有病毒的基本特性 分布广泛，有严格的宿主特异性
生物学性状
形态与结构
– 蝌蚪形、微球形和丝形
化学组成
– 蛋白质与核酸
抗原性 抵抗力
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。
金黄色葡萄球菌
有些细菌还同时耐受多种抗菌药物，即多重 耐药性，甚至产生药物依赖性。
含链霉素培基
痢疾杆菌
依链株
长期培养
菌落变异
在陈旧培养基中长期培养
光滑型菌落
粗糙型菌落
S
R
原因：失去LPS的特异多糖
与细菌遗传变异有关的物质基础
基因组：染色体和染色体外遗传物质
普遍性转导与局限性转导的区别
区别要点 基因转导发生的时期 转导的遗传物质 转导的后果
转导频率
普遍性转导
局限性转导
裂解期
溶原期
供体菌染色体DNA 噬菌体DNA及供体 任何部位或质粒 菌DNA的特定部位
完全转导或流产转 受体菌获得供体菌
导
DNA特定部位的遗
传特性
受体菌的10-7
转导频率较普遍转 导增加1000倍(10-4)
功能无关的基因区域
转座子（transposon,Tn）
– ＞2kb，除携带与转位有关的基因外，还携带耐药性基因、抗 金属基因、毒素基因及其他结构基因。
– 可能与细菌的多重耐药性有关。
IS Resistance Gene(s) IS
Tn
转座子的特征
转座子 Tn1 Tn2 Tn3
13细菌的遗传和变异PPT课件
-
27
结果
完全转导
整合
流产转导
未整合
-
28
局限性转导restricted transduction
或称特异性转导， 所转导的只限于供体 菌染色体上特定的基因。
-
29
4. 溶原性转换 lysogenic conversion
定义：溶原性细菌因染色体上整合有 前噬菌体而获得新的遗传性状。
-
30
常见的细菌及其所产生的毒素有：
形态结构变异
Variation of morphology and structure
菌落变异 variation of colony 毒力变异virulent variation
卡介苗 Bacillus of Calmette- Guerin,BCG : 卡介二氏 用有毒的牛结核分枝杆菌在含甘油、马铃薯的培养基上， 经13年连续230次传代所获得的一毒力减弱但保留有抗原 性的变异株。是 用于人工免疫以预防结核病的活疫苗。
接合性耐药质粒：
conjugative plasmid of drug resistance
耐药性质粒
非接合性质粒 ：不能通过
接合方式传递, 可通 过转导方式传递.
-
9
毒力质粒 virulent plasmid ，Vi plasmid
如致病性大肠埃希菌的ST质粒、 LT质粒 等。
细菌素质粒 、代谢质粒等。
-
20
一、基因突变 gene mutation
突变：突变是细菌遗传物质结构发生 突然而稳定的改变，引起细菌遗传性 变异。 可分为点突变和大突变
-
21
二、基因的转移与重组 gene tranfer and recombination
第八章微生物的遗传变异与育种ppt课件
（8） 易于形成营养缺陷型；
（9） 各种微生物一般都有相应的病毒；
（10） 存在多种处于进化过程中的原始有性 其它许多主要的生物学基本理 论问题中最热衷的研究对象。
❖对微生物遗传规律的深入研究，不仅促进了现代分子生物 学和生物工程学的发展，而且为育种工作提供了丰富的理 论基础，促使育种工作从不自觉到自觉、从低效到高效、 从随机到定向、从近缘杂交到远缘杂交的方向发展。
（movable gene）。
转座因子
定义：可在DNA链上改变自身位置的一段DNA序列。
原核生物中的转座子类型 转座的遗传效应
插入（IS）序列
转座子(Tn)
特殊病毒（Mu噬 菌体）
插入序列（IS，insertion sequence)
分子量最小（仅0.7~1.4kb），只有引起转座的转座酶基 因而不含其它基因，具有反向末端重复序列。已在染色体、 F因子等质粒上发现IS序列。E . coli的F因子和核染色体组 上有一些相同的IS，通过这些同源序列间的重组，就可使 F因子插入到E . coli的核染色体组上，形成Hfr菌株。因IS 在染色体组上插入的位置和方向的不同，其引起的突变效 应也不同。IS被切离时引起的突变可以回复，如果因切离 部位有误而带走IS以外的一部分DNA序列，就会在插入部 位造成缺失，从而发生新的突变。
第八章 微生物的遗传变异与育种
➢ 第一节 遗传变异的物质基础 ➢ 第二节 微生物的基因组结构 ➢ 第三节 质粒和转座因子 ➢ 第四节 基因突变及修复 ➢ 第五节 基因重组 ➢ 第六节 微生物育种 ➢ 第七节 菌种的衰退、复壮与保藏
遗传与变异的概念
遗传和变异是生物体的最本质的属性之一。
❖ 遗传：亲代将自身一整套遗传因子传递给下一代的行为和 功能，
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细菌的遗传和变异
遗传使细菌的性 状保持相对稳定
细菌的形态、结构、 生理、抗原性、致病 性和耐药性等性状与 亲代之间存在不同程 度的差异，这种现象 称为变异
变异的种类
遗传性变异（基因型变异）
非遗传性变异（表型变异）
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
细菌性状的变异现象
毒力变异
增强
β棒状噬菌体
白喉棒状杆菌 减弱 牛分枝杆菌
13年(230代)
获得白喉毒素
胆汁、甘油、马铃薯培养基
卡介苗
牛分支杆菌 Mycobacterium bovis 在胆汁中适应性 生长，充分减毒 成为预防肺结核 的疫苗。
卡介苗 Bacillus Calmette-Guerin (BCG)
S菌落 R菌落
活 R菌 +
转化的机制
转化 过程
发生转化的因素
细菌性状的变异现象
耐药性变异
对药物从敏感到耐受称耐药。
金黄色葡萄球菌 有些细菌还同时耐受多种抗菌药物，即多 重耐药性，甚至产生药物依赖性。 含链霉素培基 痢疾杆菌 依链株 长期培养
细菌性状的变异现象
特点：
不仅形态改变，理化性状，毒力， 致病力，抗原性等性状也发生变化 一般性状变弱，例外：结核杆菌、 炭疽杆菌、鼠疫杆菌。
一、细菌性状的变异现象
形态的变异
变形杆菌 0.1%石炭酸 迁徙生长（H） 点状生长、单个菌 落（O）
可逆
细菌性状的变异现象
结构的变异
指细菌某些结构的丢失（包括基本 结构或特殊结构）。
青霉素、溶菌酶
正常形态细菌
L型变异
抗体或补体 (部分或完全失去胞壁)
细菌性状的变异现象
菌落变异
S—R型变异 光滑型菌落经 过多次人工培养变异为粗糙型菌 落。
DNA
DNA就是脱氧核糖核酸（长链）
腺嘌呤（A） 鸟嘌呤（G） 胸腺嘧啶（T） 胞嘧啶（C）
A C T G A A
AA C T T G
C A
C
A G T G
基因控制Pr因而控制性状
DNA G A C T
T mRNA G A U A
天冬 氨酸
质粒
质粒
F因子
原核生物遗传物质 存在的另一种方式
核外环状小型DNA独立复制稳定遗传
与有性接合有关
R因子
种类
与抗药性有关
CO L 编码免疫蛋白 Ti质粒 诱癌质粒 降解散质粒：编码降解有害物质的酶
用途
基因工程中菌内DNA序列的
一个片段。 2.可以在染色体和质粒中随机转 移。 3.不能独立复制，必须依附在染 色体或质粒上与之同时复制。
按结构与功能不同，可分为两类
（一）基因突变（单个细菌的）
概念：细菌的遗传基因发生突 然而稳定的结构改变，导致细 菌性状的遗传性变异。 本质：DNA核苷酸序列的改变
基因突变的类型
根据改变片段的大小分为： ①小突变（点突变）是由于个别 碱基的置换、插入或缺失引起的 较少的性状变异。 ②大突变（染色体突变）是由于 大段DNA发生易位、缺失、重复 引起的较大的性状变异。
突变的规律 （以细菌耐药性为例说明）
①产生突变的几率极低（突变率 一般为10-6-10-9） ②某些外界的理化因素可显著提 高突变率，这种作用称为诱变。 ③在群体上，各种性状都可发生 突变，且彼此是独立的。
突变的规律
④由于突变的根源是遗传物质 结构的改变，因此突变后的新 性状是稳定的，可遗传的。 ⑤突变的结果与突变的原因间 不相对应。 ⑥突变后的某一性状可以同样 的频率回复到原有的 性状。 即回复突变
摄取
供体菌
DNA
受体菌
转化实验
材料 方法
动物实验
细菌培养实验 S型菌无细胞抽提液试验
实验材料： 肺炎双球菌
光滑型（S）
有 荚 膜 菌落光滑 分泌毒素 致 病
粗糙型（R）
无 荚 膜 菌落粗糙 无 毒 不 致 病
SⅠSⅡSⅢ三个血清型
RⅠRⅡRⅢ三个血清型
转化实验（1）动物实验 活
加活R菌或死S菌
基因转移（gene transfer）
–
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。 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（ recombination）
–
基因转移和重组的方式
①转化：受体菌直接摄取供体菌的游 离DNA片段，并将其整合到自己的基 因中去，获得供体菌部分遗传特性的 过程。
突变的自发性和不对应性证明
即突变是随机的，不定向的，外界 因素不能决定细菌的性状如何改变。如 抗青霉素的突变并非由于接触青霉素所 引起，青霉素只是起到筛选的作用（除 去敏感菌，留下耐药菌），突变不是诱 导的结果。（影印试验）
影印培养试验
原始敏 感菌种
影 印 培 养
无药 培养基
含药 培养基
（二）基因的转移与重组 （两个细菌之间的）
转位因子的分类
②转座子：结构复杂，有2000—8000 个碱基对，除了携带与转位有关的 序列外，还携带某些结构基因，如 耐药性，毒力等，可随插入而转移 结构：
IS IS Resistance Gene(s) Resistance Gene(s) IS IS
转座子的作用
转移抗性基因
三、细菌变异的机制
二、遗传变异的物质基础
染色体和染色体外遗传物质
质粒
转位因子
染色体和质粒
染色体
细丝状双股，闭 合，环状DNA链 ，如在DNA复制 中碱基发生变化 ，就使子代发生 变异而出现新的 性状。
质粒
是染色体外的遗 传物质，存在于 细胞质中，起到 传递遗传基因的 作用。
基因是一段DNA
基因Ⅰ
基因Ⅱ
染色体
加活S菌
死
加活R菌和热死S菌
死
活的S菌
抽血分离
转化实验（2）细菌培养实验
ＳⅢ〖杀死〗 ＲⅡ〖活菌〗 体外培养 体外培养
无菌落生长 ＲⅡ菌落 ＳⅢ菌落少
ＳⅢ〖杀死〗
ＲⅡ〖活菌〗
体外混合培养 Ｒ 菌落多 Ⅱ
转化实验（3）S型菌无细胞抽提液试验
活R菌 + S菌无细胞抽提液 活 R菌 +
大量R菌落
S菌DNA S菌Pr S菌多糖
转位因子的分类
①插入序列：结构简单，仅750— 2000个碱基对，只有插入功能，不 带有其他遗传信息。 结构：
ABCDEFG
Transposase
GFEDCBA
插入序列的作用
1.引起突变 2. 插入质粒 3.引起相变异
H1 gene
IS
H2 gene
H1 flagella
H2 flagella
沙门氏菌 H 抗原的相变异
遗传使细菌的性 状保持相对稳定
细菌的形态、结构、 生理、抗原性、致病 性和耐药性等性状与 亲代之间存在不同程 度的差异，这种现象 称为变异
变异的种类
遗传性变异（基因型变异）
非遗传性变异（表型变异）
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
细菌性状的变异现象
毒力变异
增强
β棒状噬菌体
白喉棒状杆菌 减弱 牛分枝杆菌
13年(230代)
获得白喉毒素
胆汁、甘油、马铃薯培养基
卡介苗
牛分支杆菌 Mycobacterium bovis 在胆汁中适应性 生长，充分减毒 成为预防肺结核 的疫苗。
卡介苗 Bacillus Calmette-Guerin (BCG)
S菌落 R菌落
活 R菌 +
转化的机制
转化 过程
发生转化的因素
细菌性状的变异现象
耐药性变异
对药物从敏感到耐受称耐药。
金黄色葡萄球菌 有些细菌还同时耐受多种抗菌药物，即多 重耐药性，甚至产生药物依赖性。 含链霉素培基 痢疾杆菌 依链株 长期培养
细菌性状的变异现象
特点：
不仅形态改变，理化性状，毒力， 致病力，抗原性等性状也发生变化 一般性状变弱，例外：结核杆菌、 炭疽杆菌、鼠疫杆菌。
一、细菌性状的变异现象
形态的变异
变形杆菌 0.1%石炭酸 迁徙生长（H） 点状生长、单个菌 落（O）
可逆
细菌性状的变异现象
结构的变异
指细菌某些结构的丢失（包括基本 结构或特殊结构）。
青霉素、溶菌酶
正常形态细菌
L型变异
抗体或补体 (部分或完全失去胞壁)
细菌性状的变异现象
菌落变异
S—R型变异 光滑型菌落经 过多次人工培养变异为粗糙型菌 落。
DNA
DNA就是脱氧核糖核酸（长链）
腺嘌呤（A） 鸟嘌呤（G） 胸腺嘧啶（T） 胞嘧啶（C）
A C T G A A
AA C T T G
C A
C
A G T G
基因控制Pr因而控制性状
DNA G A C T
T mRNA G A U A
天冬 氨酸
质粒
质粒
F因子
原核生物遗传物质 存在的另一种方式
核外环状小型DNA独立复制稳定遗传
与有性接合有关
R因子
种类
与抗药性有关
CO L 编码免疫蛋白 Ti质粒 诱癌质粒 降解散质粒：编码降解有害物质的酶
用途
基因工程中菌内DNA序列的
一个片段。 2.可以在染色体和质粒中随机转 移。 3.不能独立复制，必须依附在染 色体或质粒上与之同时复制。
按结构与功能不同，可分为两类
（一）基因突变（单个细菌的）
概念：细菌的遗传基因发生突 然而稳定的结构改变，导致细 菌性状的遗传性变异。 本质：DNA核苷酸序列的改变
基因突变的类型
根据改变片段的大小分为： ①小突变（点突变）是由于个别 碱基的置换、插入或缺失引起的 较少的性状变异。 ②大突变（染色体突变）是由于 大段DNA发生易位、缺失、重复 引起的较大的性状变异。
突变的规律 （以细菌耐药性为例说明）
①产生突变的几率极低（突变率 一般为10-6-10-9） ②某些外界的理化因素可显著提 高突变率，这种作用称为诱变。 ③在群体上，各种性状都可发生 突变，且彼此是独立的。
突变的规律
④由于突变的根源是遗传物质 结构的改变，因此突变后的新 性状是稳定的，可遗传的。 ⑤突变的结果与突变的原因间 不相对应。 ⑥突变后的某一性状可以同样 的频率回复到原有的 性状。 即回复突变
摄取
供体菌
DNA
受体菌
转化实验
材料 方法
动物实验
细菌培养实验 S型菌无细胞抽提液试验
实验材料： 肺炎双球菌
光滑型（S）
有 荚 膜 菌落光滑 分泌毒素 致 病
粗糙型（R）
无 荚 膜 菌落粗糙 无 毒 不 致 病
SⅠSⅡSⅢ三个血清型
RⅠRⅡRⅢ三个血清型
转化实验（1）动物实验 活
加活R菌或死S菌
基因转移（gene transfer）
–
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。 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（ recombination）
–
基因转移和重组的方式
①转化：受体菌直接摄取供体菌的游 离DNA片段，并将其整合到自己的基 因中去，获得供体菌部分遗传特性的 过程。
突变的自发性和不对应性证明
即突变是随机的，不定向的，外界 因素不能决定细菌的性状如何改变。如 抗青霉素的突变并非由于接触青霉素所 引起，青霉素只是起到筛选的作用（除 去敏感菌，留下耐药菌），突变不是诱 导的结果。（影印试验）
影印培养试验
原始敏 感菌种
影 印 培 养
无药 培养基
含药 培养基
（二）基因的转移与重组 （两个细菌之间的）
转位因子的分类
②转座子：结构复杂，有2000—8000 个碱基对，除了携带与转位有关的 序列外，还携带某些结构基因，如 耐药性，毒力等，可随插入而转移 结构：
IS IS Resistance Gene(s) Resistance Gene(s) IS IS
转座子的作用
转移抗性基因
三、细菌变异的机制
二、遗传变异的物质基础
染色体和染色体外遗传物质
质粒
转位因子
染色体和质粒
染色体
细丝状双股，闭 合，环状DNA链 ，如在DNA复制 中碱基发生变化 ，就使子代发生 变异而出现新的 性状。
质粒
是染色体外的遗 传物质，存在于 细胞质中，起到 传递遗传基因的 作用。
基因是一段DNA
基因Ⅰ
基因Ⅱ
染色体
加活S菌
死
加活R菌和热死S菌
死
活的S菌
抽血分离
转化实验（2）细菌培养实验
ＳⅢ〖杀死〗 ＲⅡ〖活菌〗 体外培养 体外培养
无菌落生长 ＲⅡ菌落 ＳⅢ菌落少
ＳⅢ〖杀死〗
ＲⅡ〖活菌〗
体外混合培养 Ｒ 菌落多 Ⅱ
转化实验（3）S型菌无细胞抽提液试验
活R菌 + S菌无细胞抽提液 活 R菌 +
大量R菌落
S菌DNA S菌Pr S菌多糖
转位因子的分类
①插入序列：结构简单，仅750— 2000个碱基对，只有插入功能，不 带有其他遗传信息。 结构：
ABCDEFG
Transposase
GFEDCBA
插入序列的作用
1.引起突变 2. 插入质粒 3.引起相变异
H1 gene
IS
H2 gene
H1 flagella
H2 flagella
沙门氏菌 H 抗原的相变异