细菌的遗传与变异演示文稿
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细菌的遗传与变异ppt课件
第二章 细菌的遗传与变异
1
遗传(heredity)：细菌子代与亲代在
生物学性状上的相似性。
变异(variation)：细菌子代与亲代
之间存在某些性状上出现的差异性。
2
第一节 细菌变异现象
形态与结构变异
菌体形态的变异 特殊构造的变异
菌落变异 毒力变异 耐药性变异
3
菌体形态的变异
青霉素、溶菌酶
卡介苗
13年(230代)
7
耐药性变异
细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐药。 多重耐药性，甚至产生药物依赖性。
8
第二节 细菌遗传变异的物质基础
1.细菌的染色体(chromosome) 2.质粒(plasmids) 3.噬菌体(bacteriophages/phages) 4.转位因子（transposable element） 5.整合子（integron）
9
一、细菌的染色体
主要特点 1.不形成染色体结构 2.基因的连续性 3.结构基因单拷贝，rRNA基因等多拷贝
10
二、质粒(plasmids)
主要特点 1.能自我复制并传给子代，有些质粒可整合到细
菌核质DNA上。 2.可从一个菌转移到另一个菌。 3.质粒可自行丢失。 4.质粒赋予细菌某些重要的生物学性状。
23
温和噬菌体
24
整 合 在 细 菌 DNA 上 的 噬 菌 体 基 因 称 前 噬 菌 体 （prophage）。
带有前噬菌体的细菌称溶原性细菌（lysogenic bacteria ）。
前噬菌体存在于细菌内，导致细菌基因和性状发 生改变，这种现象称溶原性转换。
温和噬菌体有溶原性周期和裂解周期。 毒性噬菌体只有裂解周期。
11
1
遗传(heredity)：细菌子代与亲代在
生物学性状上的相似性。
变异(variation)：细菌子代与亲代
之间存在某些性状上出现的差异性。
2
第一节 细菌变异现象
形态与结构变异
菌体形态的变异 特殊构造的变异
菌落变异 毒力变异 耐药性变异
3
菌体形态的变异
青霉素、溶菌酶
卡介苗
13年(230代)
7
耐药性变异
细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐药。 多重耐药性，甚至产生药物依赖性。
8
第二节 细菌遗传变异的物质基础
1.细菌的染色体(chromosome) 2.质粒(plasmids) 3.噬菌体(bacteriophages/phages) 4.转位因子（transposable element） 5.整合子（integron）
9
一、细菌的染色体
主要特点 1.不形成染色体结构 2.基因的连续性 3.结构基因单拷贝，rRNA基因等多拷贝
10
二、质粒(plasmids)
主要特点 1.能自我复制并传给子代，有些质粒可整合到细
菌核质DNA上。 2.可从一个菌转移到另一个菌。 3.质粒可自行丢失。 4.质粒赋予细菌某些重要的生物学性状。
23
温和噬菌体
24
整 合 在 细 菌 DNA 上 的 噬 菌 体 基 因 称 前 噬 菌 体 （prophage）。
带有前噬菌体的细菌称溶原性细菌（lysogenic bacteria ）。
前噬菌体存在于细菌内，导致细菌基因和性状发 生改变，这种现象称溶原性转换。
温和噬菌体有溶原性周期和裂解周期。 毒性噬菌体只有裂解周期。
11
《细菌遗传与变异》课件
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。
医学微生物学PPT课件 细菌的遗传和变异
• 转座噬菌体或前噬菌体
• 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。
细菌的变异机制
• 基因的突变和损伤后修复 • 基因的转移和重组
转座子(1)
• 转座子(transposon，Tn)：是一类在细菌的染 色体、质粒或噬菌体之间自行移动的遗传成 分，是基因组中一段特异的具有转位特性的 独立的DNA序列。
• 被包装的DNA可以是供体菌染色体上的任何部分。
供体菌
噬菌体DNA
受体菌
细菌DNA
转导噬菌体
结果
• 完全转导
• 流产转导
整合 未整合
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。
溶原期时，噬菌体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留在细菌染 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，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。
导突变率达10-6~10-4，10~1000倍。 2. 突变与选择 突变是随机的，不定向的。须将
突变的个别细菌至于利于突变菌而不利于其 他细菌生长的环境中，将突变菌筛选出来。 ➢ 影印试验（Lederberg，1952）证实了突变的 随机性。
Байду номын сангаас
影印试验 (replica plating)
THANK YOU
THANK YOU
噬菌体(2)
• 噬菌体感染细菌有两个结果： • 噬菌体在宿主菌内增殖后使宿主菌裂解，释放的噬菌
体再感染其他敏感细胞。建立了溶菌性周期。 • 噬菌体感染细菌后不增殖，其核酸整合到细菌染色体
细菌的遗传和变异PPT演示文稿
细菌耐药性的产生，一方面是细菌等微生物自然生存能力所 表现的一种自然现象，另一方面与人类行为密切相关。例如抗生 素的广泛应用。目前耐药菌株越来越多，并随着新抗生素的不断 问世，多重耐药株也不断增多，呈现全球范围的普遍趋势。
抗生素
抗生素
敏感
耐药
6
细菌遗传变异的物质基础
materia basis of bacterial heredity and variation
TACGT
TACGT
transposase
IS
氨苄青霉素 卡那霉素
Tn
14
细菌变异的机制 Mechanism of bacterial variation
一、基因突变 gene mutation
有抗生素 无抗生素
有抗生素
基因 突变 理论
标记点
无菌印模
培养液 培养液 (浑浊) ( 澄清)
影印培养
15
21
常见的细菌及其所产生的毒素有： 白喉棒状杆菌 链球菌 产气荚膜梭菌 肉毒梭 菌
白喉毒素 致热外毒素 α毒素 肉毒毒素
22
5.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。
23
细菌遗传变异的实际意义
---- 理解细菌致病的机制及其规 律
染色体DNA chromosome 质粒 plasmid 转位因子 transposable element
7
染色体DNA
chromosome
8
质粒 plasmid
定义：是存在于细菌胞质中的闭合环状双链DNA, 为染色体外的遗传物质。质粒带有遗传信息，控 制细菌某些特定的遗传性状。如编码菌毛、细菌 素、毒素和耐药性。医学上重要的质粒有F质粒 （fertility plasmid）、R质粒（resistance plasmid）、Vi质粒(virulent plasmid)等。 质粒的重要特性： ①决定特殊性状； ②能自我 复制； ③能转移。
抗生素
抗生素
敏感
耐药
6
细菌遗传变异的物质基础
materia basis of bacterial heredity and variation
TACGT
TACGT
transposase
IS
氨苄青霉素 卡那霉素
Tn
14
细菌变异的机制 Mechanism of bacterial variation
一、基因突变 gene mutation
有抗生素 无抗生素
有抗生素
基因 突变 理论
标记点
无菌印模
培养液 培养液 (浑浊) ( 澄清)
影印培养
15
21
常见的细菌及其所产生的毒素有： 白喉棒状杆菌 链球菌 产气荚膜梭菌 肉毒梭 菌
白喉毒素 致热外毒素 α毒素 肉毒毒素
22
5.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。
23
细菌遗传变异的实际意义
---- 理解细菌致病的机制及其规 律
染色体DNA chromosome 质粒 plasmid 转位因子 transposable element
7
染色体DNA
chromosome
8
质粒 plasmid
定义：是存在于细菌胞质中的闭合环状双链DNA, 为染色体外的遗传物质。质粒带有遗传信息，控 制细菌某些特定的遗传性状。如编码菌毛、细菌 素、毒素和耐药性。医学上重要的质粒有F质粒 （fertility plasmid）、R质粒（resistance plasmid）、Vi质粒(virulent plasmid)等。 质粒的重要特性： ①决定特殊性状； ②能自我 复制； ③能转移。
第细菌的遗传与变异演示文稿
毒力变异
• 增强
β棒状噬菌体
白喉棒状杆菌
获得白喉毒素
• 减弱
胆汁、甘油、马铃薯培养基
牛分枝杆菌
卡介苗
13年(230代)
第七页，共78页。
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。
• 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
第十六页，共78页。
第十七页，共78页。
A. The cag island of H. pylori (cause of stomach ulcers) harbors genes for a type IV secretion system that can translocate the toxin CagA into human cells,
依链株
长期培养
第八页，共78页。
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
第九页，共78页。
第一节 细菌遗传物质
一、细菌的染色体 二、质粒 三、噬菌体基因组 四、转座因子 五、整合子
第十页，共78页。
一、细菌染色体
细菌的染色体通常仅由一条环状双链DNA分子 组成细菌的染色体相对聚集在一起，形成一个 较为致密的区域，称为类核（nucleoid）。类 核无核膜与胞浆分开，类核的中央部分由RNA 和支架蛋白组成，外围是双链闭环的DNA超螺 旋。
区OriC，复制终止区TerC，转录启动区和终止区等。
这些区域往往具有特殊的顺序，并且含有反向重复顺序。
第十三页，共78页。
第十四页，共78页。
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细菌的遗传保证了物种的稳定性， 变异则产生变种或新种，有利于物种的进化
细 1.遗传性变异：又称基因型变异
菌 特点：① 常发生于个别的细菌
变
② 不受环境因素的影响
异 的
③ 变异是不可逆的
类 例：牛型结核杆菌（有毒株）
型
胆汁-甘油-马铃薯培养
13年，230次传代
减毒株（BCG）
2.表型变异：又称非遗传性变异 特点：① 基因结构未改变。 ② 发生于同一环境中所有细菌 ③ 影响因素去除后，变异的性 状又可复原。
（3）分类 1）插入序列（insertion sequence,IS）
特点：最简单的转座因子。结构中 不含与转座无关的功能性表达基因。 可独立存在，也可成为转座子的一 部分。
2）转座子（transposon,Tn）
除两端的IS外还带有与转座无关的耐 药、毒力等基因，并随Tn转座发生转移 重组，致染色体突变，促使生物变异。
范围：点突变或小突变 大突变（染色体畸变）
诱因：自发突变、诱发突变
方式：碱基置换、移码突变
特点：随机性和可回复性
1952年，Lederberg等设计了影印试验 （replica plating），筛选耐药菌株
抗生素敏感 细菌接种于
影印培养示意图
影印试机的， 非诱导的；
2、质粒种类
① 致育质粒或称F质粒 （fertility plasmid） ② 耐药性质粒 ③ 毒力质粒或Vi质粒 ④ Col质粒－细菌素 ⑤ 代谢质粒－乳糖酶
质粒特征 ①自我复制能力：一个质粒是一个复制子 ②可自行丢失与清除
质粒非是细菌生命活动必须的遗传物质 ③可在细菌间转移 ④相容性与不相容性 ⑤编码细菌某些特定性状：
常用试验： Ames试验 原理：是突变菌在诱变剂的作用下可能会 发生回复突变而恢复其原有性状。
2.药物仅起选择作用
3.突变发生越早，产生抗性突变株就越 多。
第三节 基因的转移和重组
细菌间基因的转移与重组是发生遗 传性变异的重要原因之一。
➢基因转移(gene transfer)
遗传物质由供体菌进入受体菌体内的过程。
➢基因重组(recombination)
转移的基因与受体菌DNA整合在一起。
基因转移重组的方式：
4.溶原性转换（Lysogenic conversion）
温和噬菌体的DNA整合到宿主菌染色体 DNA后，成为溶原状态导致遗传性变异。
第四节 细菌遗传变异在医学上的实际意义
(一)形态结构变异与细菌学诊断 变异细 菌失去典型特性，影响正确诊断
H→O变异：如伤寒沙门菌鞭毛 S→R变异：消失荚膜或多糖 抗原性改变 毒力下降，生化反应改变
1.转化（Transformation）
受体菌直接摄取供体菌 游离DNA片段，整合后 改变了受体菌的遗传 性状。
如 小鼠体内肺炎链球菌的转化试验
2.接合（Conjugation）
遗传物质通过性菌毛 由供体菌传递给受体 菌，使受体菌遗传性 状发生改变的过程。
①F质粒的接合 ②R质粒的接合
Hfr F-
4、整合子（integron，In）
1989年Strokes和Hall首次提出整 合子的概念。
存在于染色体、质粒或转座子上的一 种运动性DNA分子，具有独特结构可捕 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。
第二节 细菌基因突变
细菌遗传物质的结构发生稳定的 改变，导致细菌性状的遗传性变异
如 致育性、耐药性、致病性
3、转位因子(transposable element)
（1）概念：细菌基因组内能改变自身 位置的一段核苷酸序列
（2）特点：
① 是细菌菌体内可移动的遗传物质
② 能在质粒间、染色体间、质粒与 染色体之间、染色体内自行转移位置
③ 转座作用依赖自身合成的特异性 转座酶（tansposase）
细菌的遗传与变 异演示文稿
（优选）细菌的 遗传与变异
思考：
❖ 与细菌性状相关的遗传物质有哪些？ ❖ 细菌有哪些方式可改变遗传物质 ❖ 细菌的遗传与变异有何用途
遗传(heredity)：细菌的性状保持相对 稳定，且代代相传。
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。
临床上可通过合理用药等措施， 降低耐药性突变的发生机会。
(三)细菌毒力变异与疾病预防 增强
白喉棒状杆菌β棒状噬菌体 获得白喉毒素
减弱 胆汁、甘油、 牛分枝杆菌 马铃薯培养基 卡介苗
13年(230代)
(四)流行病学分析
分子生物学的方法追踪传染源或 相关基因的转移和播散。
(五)检测致癌物
对细菌有诱变作用的化学物质，一般 均有致癌的可能性。常采用细菌作为模 型进行可疑致癌物的筛选。
形态结构变异
3-6%食盐
鼠疫耶氏菌
多形性
正常形态细菌 青霉素、溶菌酶 L型变异
蜡样芽胞杆菌L型的镜下形态（多形性）
结构的变异 荚膜、鞭毛、芽胞
炭疽杆菌
42-43℃ 10-20天
失去形成芽胞能力, 毒性降低
变形杆菌 有鞭毛
0.1%苯酚
失去鞭毛
H-O变异
(二)细菌耐药变异与控制 ：药敏试验
药敏试验：是指测定某种细菌对某种 抗菌药物敏感程度的体外试验。
Hfr F-
Hfr重组的F-
3.转导（Transduction）
以温和噬菌体为载体， 把供体菌的基因转移到 受体菌，使受体菌获得 新性状的过程
１普遍性转导 完全转导 流产转导
2 局限性转导
普
遍 性 结果
转
导
局限性转导（restricted transduction）
或称特异性转导
溶原期时，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。当其转导并 整合到受体菌中，使受体菌获得供体菌的 某些遗传性状。
例：细菌L型
第一节 细菌基因组
细菌染色体 包括
染色体以外遗传物质
质粒 噬菌体基因组
1、细菌染色体
特征： ① 多数为一条环状dsDNA。
② 非编码序列少、基因多为单拷贝、 无内含子、操纵子结构。
⑤致病岛（pathogenicity island） 病原菌基因组中存在编码与细菌毒力 或致病性相关因子的外源DNA片段。
细 1.遗传性变异：又称基因型变异
菌 特点：① 常发生于个别的细菌
变
② 不受环境因素的影响
异 的
③ 变异是不可逆的
类 例：牛型结核杆菌（有毒株）
型
胆汁-甘油-马铃薯培养
13年，230次传代
减毒株（BCG）
2.表型变异：又称非遗传性变异 特点：① 基因结构未改变。 ② 发生于同一环境中所有细菌 ③ 影响因素去除后，变异的性 状又可复原。
（3）分类 1）插入序列（insertion sequence,IS）
特点：最简单的转座因子。结构中 不含与转座无关的功能性表达基因。 可独立存在，也可成为转座子的一 部分。
2）转座子（transposon,Tn）
除两端的IS外还带有与转座无关的耐 药、毒力等基因，并随Tn转座发生转移 重组，致染色体突变，促使生物变异。
范围：点突变或小突变 大突变（染色体畸变）
诱因：自发突变、诱发突变
方式：碱基置换、移码突变
特点：随机性和可回复性
1952年，Lederberg等设计了影印试验 （replica plating），筛选耐药菌株
抗生素敏感 细菌接种于
影印培养示意图
影印试机的， 非诱导的；
2、质粒种类
① 致育质粒或称F质粒 （fertility plasmid） ② 耐药性质粒 ③ 毒力质粒或Vi质粒 ④ Col质粒－细菌素 ⑤ 代谢质粒－乳糖酶
质粒特征 ①自我复制能力：一个质粒是一个复制子 ②可自行丢失与清除
质粒非是细菌生命活动必须的遗传物质 ③可在细菌间转移 ④相容性与不相容性 ⑤编码细菌某些特定性状：
常用试验： Ames试验 原理：是突变菌在诱变剂的作用下可能会 发生回复突变而恢复其原有性状。
2.药物仅起选择作用
3.突变发生越早，产生抗性突变株就越 多。
第三节 基因的转移和重组
细菌间基因的转移与重组是发生遗 传性变异的重要原因之一。
➢基因转移(gene transfer)
遗传物质由供体菌进入受体菌体内的过程。
➢基因重组(recombination)
转移的基因与受体菌DNA整合在一起。
基因转移重组的方式：
4.溶原性转换（Lysogenic conversion）
温和噬菌体的DNA整合到宿主菌染色体 DNA后，成为溶原状态导致遗传性变异。
第四节 细菌遗传变异在医学上的实际意义
(一)形态结构变异与细菌学诊断 变异细 菌失去典型特性，影响正确诊断
H→O变异：如伤寒沙门菌鞭毛 S→R变异：消失荚膜或多糖 抗原性改变 毒力下降，生化反应改变
1.转化（Transformation）
受体菌直接摄取供体菌 游离DNA片段，整合后 改变了受体菌的遗传 性状。
如 小鼠体内肺炎链球菌的转化试验
2.接合（Conjugation）
遗传物质通过性菌毛 由供体菌传递给受体 菌，使受体菌遗传性 状发生改变的过程。
①F质粒的接合 ②R质粒的接合
Hfr F-
4、整合子（integron，In）
1989年Strokes和Hall首次提出整 合子的概念。
存在于染色体、质粒或转座子上的一 种运动性DNA分子，具有独特结构可捕 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。
第二节 细菌基因突变
细菌遗传物质的结构发生稳定的 改变，导致细菌性状的遗传性变异
如 致育性、耐药性、致病性
3、转位因子(transposable element)
（1）概念：细菌基因组内能改变自身 位置的一段核苷酸序列
（2）特点：
① 是细菌菌体内可移动的遗传物质
② 能在质粒间、染色体间、质粒与 染色体之间、染色体内自行转移位置
③ 转座作用依赖自身合成的特异性 转座酶（tansposase）
细菌的遗传与变 异演示文稿
（优选）细菌的 遗传与变异
思考：
❖ 与细菌性状相关的遗传物质有哪些？ ❖ 细菌有哪些方式可改变遗传物质 ❖ 细菌的遗传与变异有何用途
遗传(heredity)：细菌的性状保持相对 稳定，且代代相传。
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。
临床上可通过合理用药等措施， 降低耐药性突变的发生机会。
(三)细菌毒力变异与疾病预防 增强
白喉棒状杆菌β棒状噬菌体 获得白喉毒素
减弱 胆汁、甘油、 牛分枝杆菌 马铃薯培养基 卡介苗
13年(230代)
(四)流行病学分析
分子生物学的方法追踪传染源或 相关基因的转移和播散。
(五)检测致癌物
对细菌有诱变作用的化学物质，一般 均有致癌的可能性。常采用细菌作为模 型进行可疑致癌物的筛选。
形态结构变异
3-6%食盐
鼠疫耶氏菌
多形性
正常形态细菌 青霉素、溶菌酶 L型变异
蜡样芽胞杆菌L型的镜下形态（多形性）
结构的变异 荚膜、鞭毛、芽胞
炭疽杆菌
42-43℃ 10-20天
失去形成芽胞能力, 毒性降低
变形杆菌 有鞭毛
0.1%苯酚
失去鞭毛
H-O变异
(二)细菌耐药变异与控制 ：药敏试验
药敏试验：是指测定某种细菌对某种 抗菌药物敏感程度的体外试验。
Hfr F-
Hfr重组的F-
3.转导（Transduction）
以温和噬菌体为载体， 把供体菌的基因转移到 受体菌，使受体菌获得 新性状的过程
１普遍性转导 完全转导 流产转导
2 局限性转导
普
遍 性 结果
转
导
局限性转导（restricted transduction）
或称特异性转导
溶原期时，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。当其转导并 整合到受体菌中，使受体菌获得供体菌的 某些遗传性状。
例：细菌L型
第一节 细菌基因组
细菌染色体 包括
染色体以外遗传物质
质粒 噬菌体基因组
1、细菌染色体
特征： ① 多数为一条环状dsDNA。
② 非编码序列少、基因多为单拷贝、 无内含子、操纵子结构。
⑤致病岛（pathogenicity island） 病原菌基因组中存在编码与细菌毒力 或致病性相关因子的外源DNA片段。