第十四章细菌的遗传与变异
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。
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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。
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A+B+C+D+
F质粒的接合
F质粒编码性菌毛，有F质粒的为雄 性菌，无F质粒的为雌性菌，细菌 通过性菌毛转移F质粒，使雌性菌 变为雄性菌。
接合的机制
高频重组菌和F’菌株
F+
Hfr
Hfr
F’
Hfr和F-菌株杂交的机制
Hfr
F-
Hfr
F-
Hfr
F-
Hfr
F-
F’ 和F-菌株杂交的机制
可供参考的国外药典
日本药局方（第14改正本）JP(14) 欧洲药典（第3版）
(European Pharmacopoeia，Ph.Eup) 国际药典（第3版）
(The International Pharmacopoeia,Ph.Int) ——分三卷：第一卷（1977）收载一般分析方
中国药典——正文内容
(1)品名（包括中文名、 (8)性状；
汉语拼音名与英文名）； (9)鉴别；
(2)有机药物的结构式； (10)检查；
(3)分子式与分子量； (11)含量或效价测定；
(4)来源或有机化合物 (12)类别；
的化学名称；
(13)规格；
(5)含量或效价规定； (14)贮藏；
(6)处方；
(15)制剂等。
+ + 群体
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)
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25
接合（conjugation ）
►F质粒的接合
Donor
F+
F-
F+
F-
Recipient
F+
F+
F+
F+ 26
接合（conjugation ）
27
接合（conjugation ）
►F质粒的接合（高频重组株Hfr）
F+
F+
Hfr
8
细菌的基因组
质粒是细菌染色体外的遗 2、质 粒（plasmid）传物质，是环状闭合的双
链DNA。
有自我复制能力 编码产物赋予细菌某些性状特征 ►质粒的特征 可自行丢失与消除 具有转移性
9
细菌的基因组
►几种重要的质粒：
F质粒
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。
R质粒
转座子 Tn1 Tn2 Tn3
Tn4 Tn5 Tn6 Tn7 Tn9 Tn10 tn551 Tn971 Tn681
转座子的特征
携带耐药或毒素基因 AP（氨苄青霉素） AP、SM（链霉素）、Su（磺胺） Km（卡那霉素） Km （卡那霉素） TMP（甲氧苄氨嘧啶）、SM
Cm（氯霉素） Tc（四环素） Em（红霉素） Em （红霉素） 大肠埃希菌（肠毒素基因） 15
细菌的遗传与变异
1
第四节 遗传和变异
一、遗传与变异的概念 二、常见的细菌变异现象 三、细菌的基因组 四、细菌变异的机制 五、细菌遗传变异研究的意义
2
遗传和变异概念
1、遗传
指亲代的特性可通过遗传物质传递 给子代，保证物种的稳定性。
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在测定致癌物质中的应用
凡能诱导细菌发生突变的物质都有可能是 致癌物质。
Ames实验
– 伤寒沙门菌（his-） （his+）
在流行病学中的应用
分子生物学分析方法已被用于流行病学调 查
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
细菌遗传变异的物质 基础
基因组：染色体和染色体外遗传物质
质粒 转位因子
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 摄取 性菌毛
供体菌 噬菌体为载体
噬菌体 整合
细菌遗传变异的实际意义
在疾病的诊断、治疗与预防中的应用 在测定致癌物质中的应用 在流行病学中的应用 在基因工程中的应用
在疾病的诊断、治疗与预防中的应用
形态、结构、染色性、生化特性、抗原性及 毒力等方面的变异，使得诊断复杂化
重组（ recombination）
– 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。
细菌的基因转移和重组可通过转化、接合、 转导、溶原性转换和原生质体融合等方式进 行。
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。
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突变与基因重组
细菌基因突变产生新的遗 传变异，基因重组则促进 不同细菌间的基因交流， 增加细菌的适应能力。
表型可塑性
细菌可以根据环境变化快 速调整自身表型，以适应 不同的生存条件。
细菌对抗生素的抗性进化
抗生素使用
抗生素的广泛使用对细菌 构成选择压力，促使细菌 进化出抗药性。
抗药性基因
某些细菌天生携带抗药性 基因，在抗生素压力下得 以保留和传播。
细菌遗传学的发展历程
01
02
03
04
19世纪末，巴斯德提出细菌 学说，认为疾病是由特定的微 生物引起，开启了细菌学的研
究。
20世纪初，弗莱明发现青霉 素，开创了抗生素治疗的新纪
元。
1950年代，DNA双螺旋结构 的发现为遗传学奠定了基础， 细菌遗传学的研究也取得了突
破性进展。
21世纪初，随着基因组学和 合成生物学的快速发展，细菌 遗传学的研究进入了一个全新
05
细菌遗传学在生物技术和医学中的应用
基因工程菌的构建与应用
基因工程菌的构建
通过基因工程技术将外源基因导入细 菌中，构建具有特定功能的基因工程 菌。
基因工程菌的应用
基因工程菌可用于生产高价值的生物 药物、工业酶制剂等，提高生产效率 和产品质量。
细菌在药物发现和开发中的应用
抗菌药物的筛选
利用细菌作为靶标筛选具有抗菌活性的药物，用于治疗细菌 感染。
的时代。
02
细菌的基因和基因组
细菌基因的组成和功能
细菌基因的组成
细菌基因由DNA或RNA构成，其 中DNA是主要的遗传物质，编码 蛋白质和调控序列。
细菌基因的功能
细菌基因负责编码各种蛋白质， 包括酶、代谢途径的调控蛋白、 结构蛋白等，以支持细菌的生长 、繁殖和生存。
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毒性噬菌体复制周期
吸附 穿入 生物合成 成熟与释放
毒性噬菌体裂解细菌的过程示意图
19
20
21
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噬菌现象
液体培养基 混浊
澄清
固体培养基中，出现噬斑（plaque）
一定体积内的噬斑形成单位数目（pfu）
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温和噬菌体
前噬菌体（prophage） 溶原性细菌（lysogenic bacterium） 溶原性（lysogeny） 溶原状态 溶原性周期和溶菌性周期 溶原性转换
粗糙型菌落 R
原因：失去LPS的特异多糖
7
毒力变异
增强 白喉棒状杆菌
减弱
牛分枝杆菌
β棒状噬菌体 获得白喉毒素
胆汁、甘油、马铃薯培养基
卡介苗
13年(230代)
8
耐药性变异
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。
噬菌体
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噬菌体与宿主的相互关系
噬菌体的种类
毒性噬菌体（virulent phage）
能在宿主菌细胞内复制增殖，产生许多子代噬菌体，并最终裂解细菌，称为毒性噬菌 体
温和噬菌体（temperate phage）/ 溶原性噬菌体（lysogenic phage）
噬菌体基因与宿主菌染色体整合，不产生子代噬菌体，但噬菌体DNA能随细菌DNA复制， 并随细菌的分裂而传代
（一）染色体
12
（二）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。
细菌的遗传和变异
细菌染色体的复制 －－ 半保留复制
细菌的遗传和变异
致病岛（pathogenicity island）
－－ 位于致病菌染色体上 －－ 编码与毒力相关基因的外源性DNA片断 －－ 常为分子量较大（20～100kbp）的基因群 －－ 两侧往往含有重复序列或插入序列 －－ 其G＋C％与密码使用与宿主菌染色体有明显差异
Transposase
个体微小，有蝌蚪形、微球形和细杆形
细菌的遗传和变异
2、 结构:
头部——六棱柱体 尾部——管状器官
细菌的遗传蝌和变蚪异 形噬菌体结构模式图
3、化学组成
核酸：
-- DNA或RNA -- 位于头部中央
蛋白质 ：
-- 构成头部外壳及尾部 -- 保护核酸 -- 决定噬菌体的表型特征
细菌的遗传和变异
4、抗原性
13年(230代)
细菌的遗传和变异
耐药性变异
• 金黄色葡萄球菌耐PNC的菌株已从1946年的 14%上升至目前的85%。
• 有些细菌还表现为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(耐药菌株)
长期培养
细菌的遗传和变异
第二节 细菌的遗传物质
细菌的遗传物质是DNA，其存在形式有染色 体及染色体外的遗传物质（质粒、噬菌体、转 座因子、整合子）。
形态变异
•
3-6%食盐
鼠疫杆菌────→多形态性(衰残型)。
琼脂培基
细菌的遗传和变异
L型变异
•
青霉素、溶菌酶
正常形态细菌──────→ L型变异
(部分或完全失去胞壁)
细菌的遗传和变异
第十四章细菌的遗传与变异
第十四章细菌的遗传与变异第十四章细菌的遗传与变异主要内容（一）细菌变异现象1．形态结构变异细菌的形态、大小及结构受外界环境的影响发生的变异。
如细胞壁缺陷型（L型）变异即细菌在溶菌酶、青霉素等的影响下，失去细胞壁变成细菌的L型。
有鞭毛的变形杆菌失去鞭毛发生H-O 变异。
2．毒力变异细菌的毒力变异包括毒力增强和毒力减弱。
如卡介苗（BCG）是一株毒性低抗原性完整的变异株，用于结核病的预防。
无毒的白喉棒状杆菌感染了β棒状杆菌噬菌体后变成能产生白喉毒素的强毒变异株。
3．菌落变异常见于肠道杆菌，由光滑型菌落变为粗糙型菌落,称S-R变异。
4．耐药性变异细菌对抗菌药物由敏感变成耐药的变异。
如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）逐年上升。
5．抗原性变异肠道杆菌的鞭毛抗原和菌体抗原常发生变异。
如H 抗原由Ⅰ相变为Ⅱ相，或由Ⅱ相变为Ⅰ相。
（二）细菌的遗传物质1．细菌染色体细菌染色体是一条环状、双螺旋DNA长链，是细菌生命活动所必需的遗传物质。
2．染色体外的遗传物质（1）质粒细菌染色体外的遗传物质，为双股环状闭合DNA，存在于细胞质中，具有自我复制能力。
1）质粒DNA的特性：①质粒具有自我复制能力；②质粒DNA编码的基因能赋予细菌某些特征，如致育性、耐药性、致病性等；③质粒的转移性；④质粒并非细菌生命活动不可缺少的遗传物质；⑤质粒具有相容性和不相容性，同类的两个质粒不能稳定共存于一个宿主体内，不同的质粒具有相容性。
2）医学相关重要质粒：①F质粒编码细菌性菌毛，决定细菌致育性；②Vi质粒编码肠道杆菌毒力；③Col 质粒编码大肠埃希菌产生细菌素；④耐药性质粒编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性；⑤代谢质粒编码产生与代谢相关的酶类。
（2）噬菌体是一类侵袭细菌等微生物的病毒。
分为毒性和温和噬菌体。
①毒性噬菌体：是指能在宿主菌细胞内复制增殖，产生子代噬菌体，并裂解细菌噬菌体，即产生溶菌反应。
②温和噬菌体：噬菌体基因与宿主菌染色体整合，不产生子代噬菌体，使噬菌体DNA能随细菌DNA复制而复制，并随细菌分裂而传代，即产生溶原性反应。
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第十四章细菌的遗传与变异
主要内容
（一）细菌变异现象
1．形态结构变异细菌的形态、大小及结构受外界环境的影响发生的变异。
如细胞壁缺陷型（L型）变异即细菌在溶菌酶、青霉素等的影响下，失去细胞壁变成细菌的L型。
有鞭毛的变形杆菌失去鞭毛发生H-O 变异。
2．毒力变异细菌的毒力变异包括毒力增强和毒力减弱。
如卡介苗（BCG）是一株毒性低抗原性完整的变异株，用于结核病的预防。
无毒的白喉棒状杆菌感染了β棒状杆菌噬菌体后变成能产生白喉毒素的强毒变异株。
3．菌落变异常见于肠道杆菌，由光滑型菌落变为粗糙型菌落,称S-R变异。
4．耐药性变异细菌对抗菌药物由敏感变成耐药的变异。
如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）逐年上升。
5．抗原性变异肠道杆菌的鞭毛抗原和菌体抗原常发生变异。
如H抗原由Ⅰ相变为Ⅱ相，或由Ⅱ相变为Ⅰ相。
（二）细菌的遗传物质
1．细菌染色体细菌染色体是一条环状、双螺旋DNA长链，是细菌生命活动所必需的遗传物质。
2．染色体外的遗传物质
（1）质粒细菌染色体外的遗传物质，为双股环状闭合DNA，存在于细胞质中，具有自我复制能力。
1）质粒DNA的特性：①质粒具有自我复制能力；②质粒DNA编码的基因能赋予细菌某些特征，如致育性、耐药性、致病性等；③质粒的转移性；④质粒并非细菌生命活动不可缺少的遗传物质；⑤质粒具有相容性和不相容性，同类的两个质粒不能稳定共存于一个宿主体内，不同的质粒具有相容性。
2）医学相关重要质粒：①F质粒编码细菌性菌毛，决定细菌致育性；②Vi质粒编码肠道杆菌毒力；③Col 质粒编码大肠埃希菌产生细菌素；④耐药性质粒编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性；⑤代谢质粒编码产生与代谢相关的酶类。
（2）噬菌体是一类侵袭细菌等微生物的病毒。
分为毒性和温和噬菌体。
①毒性噬菌体：是指能在宿主菌细胞内复制增殖，产生子代噬菌体，并裂解细菌噬菌体，即产生溶菌反应。
②温和噬菌体：噬菌体基因与宿主菌染色体整合，不产生子代噬菌体，使噬菌体DNA能随细菌DNA复制而复制，并随细菌分裂而传代，即产生溶原性反应。
（3）转位因子存在于细菌染色体或质粒上的一段能改变自身位置的DNA序列。
主要分为以下三种：①插入序列；②转座子；③转座噬菌体或前噬菌体。
3．细菌变异的发生机制
（1）突变突变使细菌的遗传物质的碱基发生改变。
（2）基因的转移与重组①转化：受菌体直接摄取供菌体游离的DNA片段，而获得新的遗传性状；②转导：以温和噬菌体为载体，将供菌体的遗传物质转移到受菌体，使受菌体获得新的遗传性状；③接合：细菌通过性菌毛将遗传物质（主要为质粒）从供体菌转移给受体菌，使受菌体获得新的遗传性状；④溶原性转换：溶原性细菌因染色体上整合的前噬菌体使其获得新的遗传性状。