第4章 细菌的变异

第4章细菌的变异

遗传与变异是生物的基本特征之一,细菌和一切生物一样,亦具有遗传性和变异性。当今生物科学利用细菌作为研究遗传的工具,并已成为研究遗传学的基本理论。由于细菌的结构简单,是单倍体细胞生物,繁殖快,不存在显性或隐性遗传问题,一旦基因改变即可表达。所以,细菌的遗传及变异易于表现,而被应用于基因工程, 从事分子水平的科学研究。

第一节细菌遗传与变异的概念

(concept of bacterial heredity and mutation)

一,细菌的遗传性

细菌在相对稳定的生活条件下,其形态、结构、繁殖、代谢、毒力、抗原性、以及对药物的敏感性等可保持相对稳定,并通过构成基因的DNA自身复制, 可将亲代细菌DNA携带的遗传信息准确地传给下一代,从而使亲代遗传信息决定的性状, 在子代得以表达,此称为细菌的遗传性(bacterial heredity)。

二, 细菌的变异性

细菌的稳定性并不是永恒不变的,随着在细菌生长繁殖过程中, 当外界环境条件发生变化,或细菌的遗传物质DNA结构发生某些变异时, 其原有的性状也随之发生改变,在亲代与子代间出现差异,此称为细菌的变异性(bacterial mutation)。

第二节细菌的遗传物质

一、细菌染色体

（一）大小与形状

双链、环状，109 Dal, 2.64χ109

400kb(kilobase),1.36mm，400个基因。

（二）染色体的复制

origin 复制起点

replicating fork 复制叉

replicon 复制子

二、质粒 plasmid

(一)质粒的大小和形状

大部分质粒为环状，少数为线性如Borrelia, Streptomyces中的(二)质粒的复制

少数杂合质粒超过一个replicon

(三)质粒的共同特性

1．具有自我复制能力

2．决定生物学效应

3．转移特性

细菌接合型非接合型质粒的区别

接合型非接合型

conjugative nonconjugative

大小大，>40kb <7.5kb

拷贝数少，1-几个/每个染色体多,>10个/每个染色体

复制特性紧密型松驰型

传递后代一分为二随机分配

3．相容性( compatibility)

4．自行丢失与消除( curing)

(四)质粒控制的性状

1．抗生素抗性 R 因子

2．毒素 heat-labile,heat-stable 肠毒素，tetanus toxin, exfoliative toxin

3.adherence or colonization 所需的表面结构

4.细菌素 Col

5.其它

cryptic plasmid

第三节细菌的变异现象

一、细菌形态结构及菌落性状的变异

（一）菌形及结构的变异

细菌在不适宜的温度,酸碱度,盐类浓度,有害的代谢产物, 化学药品或免疫血清等不利的环境中生长后,在结构上,常可出现多型态与衰残型(退化型)。例如: 白喉杆菌生长在旧培养基中常易出现泡状,哑铃状,梨状等奇异形态。有的细菌在青霉素及其它抗菌素或免疫血清中,可失去细胞壁的某些成分,因而形成细胞壁缺陷的细菌。对此称为细菌的L-型变异。细胞壁缺陷的细菌包括原生质体,园球体。不适宜的环境上出现多形态与衰残型,L-型细菌:分为原生质体和球形体。

原生质体(protoplast): 革兰阳性菌，胞壁完全缺损。

球形体(spheroplast)：革兰阴性菌，胞壁部分缺损。

(二),菌落性状的变异

细菌在固体培养基上生长成的菌落可分为两类:即光滑型（S型),粗糙型(R 型),S→R转变。S→R转变后,细菌的一些性状也出现改变,一般地,S型细菌的毒力较强,变成R型后则减失毒力,但也有例外:如碳疽杆菌,结核杆菌, 鼠疫杆菌有毒力的菌株却都是R型菌落

二.细菌的毒力变异

细菌的毒力变异有:从弱→强,如某些战争贩子,有意让细菌培养,增强其毒力, 制造细菌武器;细菌的毒力也可从强→弱,如BCG是法国两位科学家以牛型结核杆菌在含有胆汁、马铃薯和甘油的培养基中反复传代230次,历时13年, 而获得一株毒性低而抗原性完整的变异菌株,可作成活疫苗给人接种预防结核病

强→弱： BCG; 鼠疫杆菌EV 株；百日咳杆菌I相—— IV相；肺炎球菌荚膜消失；等。

弱→强：白喉杆菌强毒株，鼠疫杆菌，碳疽杆菌。等。

强毒株：virulent strain

弱毒株：attenuated strain

无毒株：avirulent strain

三,细菌的耐药性变异

由于在临床上广泛使用抗菌素以来, 使一些原本对某种药品敏感的细菌后来变成不敏感,这种不敏感性即耐药性;这种现象称为细菌的耐药性变异。例如金黄色葡萄球菌对青霉素产生的耐药性菌株,在有些地区由49年时只分离到14％至现在已高达 90％;与此同时,细菌对其它抗菌素的抗药性的菌株也不断增加,例如结核杆菌,对链霉素的耐药性也日益增多,甚之,有的一种细菌产生多种耐药性的菌株, 从而严重地影响了临床上用抗菌素治疗的效果。

四,细菌的抗原变异

菌落,形态变异多数情况下伴有抗原的变异, 沙门氏菌属和志贺氏属中S-R 变异和O-H变异都将引起抗原的变异

沙门氏菌： H抗原I相 II相

革兰阴性菌： LPS 的O特异链。

五,细菌的酶活性变异

细菌的大多数变异都是生化变异或酶变异如有些肠道菌能产生β-半乳糖苷酶 ,透性酶,能分解乳糖获得碳源和能量,并能产生酸性代谢产物; 当细菌发生变异后不产生这些酶类时,亦不能再利用乳糖作为碳源和能量,亦不能产生酸性产物

第三节细菌的遗传物质

第四节

细菌的遗传物质基础是染色体及染色体外的质粒,遗传物质的化学基础是DNA, 有时亦可为RNA(病毒)

一,细菌的染色体（bacterial chromosome）