第11章 微生物的遺傳與變異

遺傳與變異原理（DNA、基因及其轉(zhuǎn)錄、翻譯）

遺傳變異現(xiàn)象（形態(tài)、抗原、菌落、毒力、耐藥）變異相關(guān)物質(zhì)（染色體-致病島、質(zhì)粒、噬菌體、轉(zhuǎn)座子）變異機(jī)制（基因突變、轉(zhuǎn)移、重組）微生物的遺傳和變異遺傳（heredity

）:

上一代生物將自身的一整套遺傳基因穩(wěn)定地傳遞給下一代的特性。變異（variation）：

生物體在某種外因或內(nèi)因的作用下，發(fā)生遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)或數(shù)量的改變，而且這種改變穩(wěn)定，具有可遺傳性。引言1.遺傳與變異遺傳保證了微生物種的相對穩(wěn)定性、種的存在和延續(xù)，而變異則推動了種的進(jìn)化和發(fā)展。2.遺傳型和表型遺傳型（genotype）表型(phenotype)某一生物體個(gè)體所含有的全部遺傳因子，即基因的總和

，又稱為基因型。某一生物體所具有的一切外表特征及內(nèi)在特性的總和。

表型的實(shí)現(xiàn)是由生物體的遺傳型和環(huán)境條件共同作用的結(jié)果。二.細(xì)菌的遺傳與變異（一）細(xì)菌的變異現(xiàn)象形態(tài)結(jié)構(gòu)變異抗原性變異菌落變異毒力變異耐藥性變異正常形態(tài)細(xì)菌L型變異

形態(tài)結(jié)構(gòu)變異兩端平齊炭疽芽胞桿菌炭疽芽胞桿菌L型（串珠狀）青霉素、溶菌酶抗體或補(bǔ)體(部分或完全失去胞壁)含1%石炭酸培養(yǎng)基普通培養(yǎng)基細(xì)菌鞭毛變異隨著鞭毛變異，細(xì)菌抗原性發(fā)生變異毒力變異

無毒白喉棒狀桿菌產(chǎn)毒白喉?xiàng)U菌

膽汁、甘油、馬鈴薯培養(yǎng)基

牛型結(jié)核桿菌卡介苗

13年(230代)（1908）β棒狀噬菌體耐藥性變異細(xì)菌對某種抗菌藥物由敏感變?yōu)椴幻舾校茨退帲┑淖儺惙Q為耐藥性變異（獲得R質(zhì)粒）。有些細(xì)菌還表現(xiàn)為同時(shí)耐受多種抗菌藥物，即多重耐藥性，甚至產(chǎn)生藥物依賴性。

痢疾桿菌依鏈株(耐藥菌株)

含鏈霉素培基長期培養(yǎng)菌落變異

光滑型菌落粗糙型菌落

S

R菌落（S型）菌落（R型）在陳舊培養(yǎng)基中長期培養(yǎng)或在有免疫力的人體內(nèi)有莢膜肺炎鏈球菌無莢膜肺炎鏈球菌遺傳物質(zhì)

核酸

蛋白？？試驗(yàn)核酸！結(jié)論：性狀是由基因（遺傳因子）決定，基因存在于染色體（染色體是核酸或其與蛋白質(zhì)的結(jié)合物）。核酸分子是遺傳物質(zhì)，基因是其信息單位，染色體是其存在形式。一、證明核酸是遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)的三個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)（一）經(jīng)典轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)（二）噬菌體感染實(shí)驗(yàn)（三）植物病毒的重建實(shí)驗(yàn)

二、微生物遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)病毒的核酸原核細(xì)胞型微生物染色體真核核細(xì)胞型微生物染色體染色體外的遺傳物質(zhì)

質(zhì)粒噬菌體轉(zhuǎn)座子（轉(zhuǎn)位因子）基因（gene）是什么?

是實(shí)體，其物質(zhì)基礎(chǔ)是DNA

（或RNA）；

是一個(gè)含有特定遺傳信息的DNA分子區(qū)段；

是遺傳信息傳遞和性狀分化發(fā)育的依據(jù)；

基因是可分的，根據(jù)功能不同，分為：編碼蛋白質(zhì)的基因結(jié)構(gòu)基因（結(jié)構(gòu)蛋白，酶）調(diào)節(jié)基因（阻遏蛋白或激活蛋白）無翻譯產(chǎn)物的基因tRNA基因（簡稱tDNA）

rRNA基因（簡稱rDNA）不轉(zhuǎn)錄的DNA區(qū)段啟動子（promotor）操縱基因（operator）基因是一個(gè)含有特定遺傳信息的核苷酸序列，它是遺傳的功能單位?；蚪M是存在于生物體遺傳物質(zhì)中全部基因的總稱一、病毒的核酸病毒的遺傳物質(zhì)是DNA或RNA，核酸類型多樣。E.coli染色體DNA大小為4.7Χ106bp，長度為1333μm，是菌體長度的1000倍。二、原核生物染色體的結(jié)構(gòu)遺傳因子存在形式（1）一般沒有間隔基因（內(nèi)含子）細(xì)菌的基因一般是連續(xù)排列的。結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)由調(diào)節(jié)基因調(diào)控，一個(gè)或幾個(gè)相關(guān)的基因組成操縱子。在細(xì)菌的基因組中，基本上未發(fā)現(xiàn)與真核生物的內(nèi)含子或連接DNA相似的“無”功能序列。（2）一般沒有重復(fù)序列細(xì)菌的基因一般都是單拷貝的。唯一可以發(fā)現(xiàn)的重復(fù)DNA序列，也只有核糖體rRNA基因、插入序列、轉(zhuǎn)座子和短重復(fù)序列等。原核生物基因的結(jié)構(gòu)三、真核生物染色體結(jié)構(gòu)真核生物染色體組成的基本單位是核小體，其核心顆粒由四種蛋白形成的8聚體和DNA組成。由H1組蛋白和DNA相連一串核小體稱為染色質(zhì)（chromatin）。在細(xì)胞分裂中期，染色質(zhì)濃縮、反復(fù)折疊成為一定形狀的染色體。真核生物基因的結(jié)構(gòu)一個(gè)完整的真核基因，不僅包括編碼區(qū)，也包括編碼區(qū)兩側(cè)的調(diào)控序列。與原核基因相比，最大的差別在于編碼區(qū)被許多非編碼序列所間斷，這種非編碼序列稱為內(nèi)含子（intron），被間隔的編碼區(qū)稱外顯子（exon）。真核細(xì)胞和原核細(xì)胞的最大差別之一是遺傳物質(zhì)的分布和存在狀態(tài)。原核細(xì)胞的染色體是以裸露DNA存在于細(xì)胞中，而真核細(xì)胞的DNA則與組蛋白和非組蛋白相結(jié)合并纏繞成多條染色體存在于細(xì)胞核中。在真核生物染色體中，DNA約占30-40%，組蛋白和非組蛋白占60%以上，RNA約占10%以下。質(zhì)粒(plasmid)：是細(xì)菌染色體以外的遺傳物質(zhì)，是閉合環(huán)狀的雙鏈DNA。

（二）質(zhì)粒質(zhì)粒的三種構(gòu)型

質(zhì)粒具有自我復(fù)制的能力。質(zhì)粒DNA所編碼的基因產(chǎn)物賦予細(xì)菌某些性狀特征。質(zhì)?？勺孕衼G失與消除。質(zhì)粒的轉(zhuǎn)移性。質(zhì)?？煞譃橄嗳菪耘c不相容性兩種。質(zhì)粒DNA的特征質(zhì)粒的分類：根據(jù)質(zhì)粒能否通過細(xì)菌的接合作用進(jìn)行傳遞

1接合性質(zhì)粒

2非接合性質(zhì)粒根據(jù)相容性1相容性——幾種質(zhì)粒同時(shí)共存于同一菌體內(nèi)

2不相容性——不能同時(shí)共存可借此對質(zhì)粒進(jìn)行分組、分群常見的質(zhì)粒類型致育質(zhì)粒（fertilityplasmid、F質(zhì)粒）編碼性菌毛，介導(dǎo)細(xì)菌之間的接合傳遞；耐藥性質(zhì)粒（resistanceplasmid、R質(zhì)粒）

編碼細(xì)菌對抗菌藥物或重金屬鹽類的耐藥性。分兩類，一是接合性耐藥質(zhì)粒（R質(zhì)粒），另一是非接合耐藥性質(zhì)粒（r質(zhì)粒)；毒力質(zhì)粒（Virulenceplasmid,Vi質(zhì)粒）

編碼與該菌致病性有關(guān)的毒力因子,S.aureus的表皮剝脫素；細(xì)菌素質(zhì)粒

(Colplasmid)

編碼細(xì)菌產(chǎn)生的細(xì)菌素；代謝質(zhì)粒(metabolicplasmid)

編碼產(chǎn)生相關(guān)的代謝酶。

(1)致育質(zhì)粒(Fertilityplasmid，F(xiàn)質(zhì)粒)又稱F質(zhì)粒，其大小約100kb，這是最早發(fā)現(xiàn)的一種與大腸桿菌的有性生殖現(xiàn)象（接合作用）有關(guān)的質(zhì)粒。攜帶F質(zhì)粒的菌株稱為F+菌株（相當(dāng)于雄性），無F質(zhì)粒的菌株稱為F-菌株（相當(dāng)于雌性）。F因子能以游離狀態(tài)(F+)和以與染色體相結(jié)合的狀態(tài)(Hfr)存在于細(xì)胞中，所以又稱之為附加體(episome)。在志賀氏菌屬（Shigella）、沙門氏菌屬（Salmonella）和鏈球菌屬（Streptococcus）等其他細(xì)菌中也發(fā)現(xiàn)了與大腸桿菌類似的致育因子。在放線菌中，天藍(lán)色鏈霉菌含有SCP1和SCP2兩種致育質(zhì)粒，這兩種質(zhì)粒在天藍(lán)色鏈霉菌的接合過程中起重要作用，帶動染色體從供體細(xì)胞向受體細(xì)胞轉(zhuǎn)移。(2)抗性質(zhì)粒（Resistanceplasmid，R質(zhì)粒）包括抗藥性和抗重金屬二大類，簡稱R質(zhì)粒。R100質(zhì)粒(89kb)可使宿主對下列藥物及重金屬具有抗性：汞（mercuricion，mer）四環(huán)素（tetracycline，tet）鏈霉素(Streptomycin,str)、磺胺(Sulfonamide,sul)、氯霉素(Chlorampenicol,cml)夫西地酸（fusidicacid，fus）負(fù)責(zé)這些抗性的基因是成簇地存在于抗性質(zhì)粒上?？剐再|(zhì)粒在細(xì)菌間的傳遞是細(xì)菌產(chǎn)生抗藥性的重要原因之一。(3)Col質(zhì)粒：產(chǎn)細(xì)菌素的質(zhì)粒（Bacteriocinproductionplasmid）細(xì)菌素結(jié)構(gòu)基因、涉及細(xì)菌素運(yùn)輸及發(fā)揮作用（processing）的蛋白質(zhì)的基因、賦予宿主對該細(xì)菌素具有“免疫力”的相關(guān)產(chǎn)物的基因一般都位于質(zhì)?；蜣D(zhuǎn)座子上，因此，細(xì)菌素可以殺死同種但不攜帶該質(zhì)粒的菌株。細(xì)菌素：許多細(xì)菌都能產(chǎn)生某些代謝產(chǎn)物，抑制或殺死其他近緣細(xì)菌或同種不同菌株，因?yàn)檫@些代謝產(chǎn)物是由質(zhì)粒編碼的蛋白質(zhì)，不象抗生素那樣具有很廣的殺菌譜，所以稱為細(xì)菌素（bacteriiocin）(4)

代謝質(zhì)粒（Metabolicplasmid）

質(zhì)粒上攜帶有有利于微生物生存的基因，如能降解某些基質(zhì)的酶，進(jìn)行共生固氮，或產(chǎn)生抗生素（某些放線菌）等。將復(fù)雜的有機(jī)化合物降解成能被其作為碳源和能源利用的簡單形式，環(huán)境保護(hù)方面具有重要的意義。假單胞菌：具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物(苯)、農(nóng)藥(2,4dichlorophenoxyaceticacid)、辛烷和樟腦等的能力。降解質(zhì)粒TOL質(zhì)粒：含分解甲苯的基因；CAM-OCT質(zhì)粒：含分解樟腦辛烷的基因轉(zhuǎn)座（transposon)：是指轉(zhuǎn)座因子從染色體的一個(gè)位置轉(zhuǎn)移到另一位置，或者在質(zhì)粒與染色體之間轉(zhuǎn)移的過程。轉(zhuǎn)座子有二類：

插入序列(insertionsequence,IS)：最小，不超過2kb,只攜帶與轉(zhuǎn)座功能有關(guān)的基因。

轉(zhuǎn)座子(transposon,Tn)：長度一般超過2kb，除攜帶與轉(zhuǎn)位有關(guān)的基因外還攜帶其他基因（如耐藥性、毒素基因等）.

噬菌體bacteriophagebacteriophagebacteriophagebacteriophagebacteriophagebacteriophage

概念：是一類感染細(xì)菌、真菌、放線菌或螺旋體等微生物的病毒，因?yàn)槭删w能引起宿主菌的裂解，故稱噬菌體。

具有病毒的基本特性.噬菌體（bacteriophage,phage）噬菌體的生物學(xué)性狀噬菌體的大小與形態(tài)噬菌體的結(jié)構(gòu)噬菌體的化學(xué)組成噬菌體的寄生性噬菌體的抵抗力噬菌體的分類噬菌體與其他微生物大小的比較葡萄球菌（1μm）支原體、立克次體、衣原體（0.3～0.6

μm）口蹄疫病毒（20nm）痘病毒（300nm）卵蛋白分子（10nm）噬菌體（65～95nm）個(gè)體微小，以nm為測量單位，需用電子顯微鏡觀察噬菌體的形態(tài)微球形蝌蚪形細(xì)桿形尾鞘尾絲核酸（線狀雙股DNA)有尾型噬菌體結(jié)構(gòu)尾刺頭部尾部尾領(lǐng)尾髓尾板噬菌體的化學(xué)組成核酸蛋白質(zhì)DNA或RNA頭部衣殼尾部結(jié)構(gòu)噬菌體的分類根據(jù)噬菌體的核酸組成DNA噬菌體RNA噬菌體根據(jù)噬菌體與宿主的關(guān)系毒性噬菌體（virulentphage)

溫和噬菌體（temperatephage）又稱為溶源性噬菌體

毒性噬菌體（virulentphage）能在宿主菌細(xì)胞內(nèi)，利用宿主菌的酶、能量進(jìn)行復(fù)制增殖，產(chǎn)生子代噬菌體并使宿主菌裂解的噬菌體為毒性噬菌體。

毒性噬菌體的復(fù)制增殖1、吸附

是噬菌體與細(xì)菌表面相應(yīng)受體特異性結(jié)合的過程

2、穿入有尾噬菌體將頭部的DNA注入宿主菌內(nèi)無尾噬菌體經(jīng)脫殼進(jìn)入宿主菌內(nèi)，類似于動物病毒的穿入過程

3、生物合成利用宿主菌的酶和能量復(fù)制核酸及合成蛋白質(zhì)

4、成熟與釋放程序組裝菌細(xì)胞裂解，噬菌體釋放毒性噬菌體的復(fù)制增殖1、吸附2、穿入3、生物合成4、成熟與釋放噬菌體在固體培養(yǎng)基中與細(xì)菌共同培養(yǎng)后形成的噬斑

噬菌現(xiàn)象均勻混濁澄清痢疾桿菌大腸桿菌痢疾桿菌噬菌體痢疾桿菌噬菌體痢疾桿菌培養(yǎng)液噬斑

肉湯結(jié)論：噬菌體可以裂解細(xì)菌并具有高度特異性溫和噬菌體某些噬菌體感染宿主菌后，將其基因整合到宿主菌基因組并隨宿主基因的復(fù)制而復(fù)制，當(dāng)宿主菌分裂時(shí)，噬菌體的基因亦隨之分配到兩個(gè)子代宿主菌基因組中；在某些因素作用下，可裂解其感染宿主菌的噬菌體稱之。前噬菌體------整合在細(xì)菌染色體上的噬菌體基因組溶原性細(xì)菌------帶有前噬菌體基因組的細(xì)菌溫和噬菌體的復(fù)制繁殖1、吸附2、穿入3、前噬菌體形成4、溶原性周期5、一定條件下，前噬菌體脫離細(xì)菌染色體6、溶菌性周期溶原性細(xì)菌誘導(dǎo)前噬菌體溶菌性周期溶原性周期噬菌體的應(yīng)用細(xì)菌的鑒定分子生物學(xué)研究的重要工具細(xì)菌感染的診斷與治療第三節(jié)微生物變異的常見類型野生型:

------從自然界分離到的菌株一般稱野生型菌株（wildtypestrain），簡稱野生型。突變株:

-----野生型經(jīng)突變后形成的帶有新性狀的菌株，稱為突變株（mutant）。（1）營養(yǎng)缺陷型（auxotroph）一種缺乏合成其生存所必須的營養(yǎng)物（包括氨基酸、維生素、堿基等）的突變型，只有從周圍環(huán)境或培養(yǎng)基中獲得這些營養(yǎng)或其前體物（precursor）才能生長。營養(yǎng)缺陷型是微生物遺傳學(xué)研究中重要的選擇標(biāo)記和育種的重要手段表型判斷的標(biāo)準(zhǔn)：在基本培養(yǎng)基上能否生長（2）抗藥性突變型（resistantmutant）基因突變使菌株對某種或某幾種藥物，特別是抗生素，產(chǎn)生抗性。特點(diǎn)：正選擇標(biāo)記（突變株可直接從抗性平板上獲得-----在加有相應(yīng)抗生素的平板上，只有抗性突變能生長。所以很容易分離得到。）（3）條件致死突變型（conditionallethalmutant）

在某一條件下具有致死效應(yīng)，而在另一條件下沒有致死效應(yīng)的突變型。常用的條件致死突變是溫度敏感突變，用ts（temperaturesensitive）表示，這類突變在高溫下（如42℃）是致死的，但可以在低溫（如25-30℃）下得到這種突變。特點(diǎn)：負(fù)選擇標(biāo)記這類突變型常被用來分離生長繁殖必需的突變基因（4）毒力變異株

微生物長期培養(yǎng)于加有特殊化學(xué)成分的培養(yǎng)基或長期通過不同的動物穿戴，其毒力能夠降低。

膽汁、甘油、馬鈴薯培養(yǎng)基

牛型結(jié)核桿菌卡介苗

13年(230代)（1908）第四節(jié)微生物變異的機(jī)制細(xì)菌變異的機(jī)制

表型變異（非遺傳性變異）

基因型變異（遺傳性變異）突變（mutation)與損傷后修復(fù)轉(zhuǎn)移與重組轉(zhuǎn)化(transformation)接合(conjugation)轉(zhuǎn)導(dǎo)(transduction)溶原性轉(zhuǎn)換(lysogenicconversion)原生質(zhì)體融合（protoplastfusion)一、基因突變1.自發(fā)性和不對應(yīng)性基因突變的共同特征2.稀少性3.可誘發(fā)性4.獨(dú)立性5.可逆性6.穩(wěn)定性一、基因突變的分子基礎(chǔ)(一)自發(fā)突變

(二)誘發(fā)突變引起自發(fā)突變的原因主要有以下幾方面：

背景輻射和環(huán)境因素引起；有害代謝產(chǎn)物引起；互變異構(gòu)效應(yīng)引起的堿基配對錯(cuò)誤；

DNA復(fù)制過程中堿基配對錯(cuò)誤；轉(zhuǎn)座因子的作用。通過人為的方法，利用物理、化學(xué)或生物因素顯著提高自發(fā)突變頻率的手段。生物體在無人工干預(yù)下自然發(fā)生的低頻率突變（10-6-10-9）。它是生物進(jìn)化的根源。(二)、誘發(fā)突變誘變劑（mutagen）：凡能提高基因突變頻率的因素統(tǒng)稱為誘變劑誘變劑的種類物理誘變劑化學(xué)誘變劑生物誘變劑堿基類似物誘變劑；與堿基起化學(xué)反應(yīng)的誘變劑；嵌入誘變劑；

：輻射和熱：轉(zhuǎn)座因子基因突變堿基置換氨基酸改變半胱氨酸酪氨酸堿基丟失堿基顛換二、基因的轉(zhuǎn)移和重組一、轉(zhuǎn)化（Transformation）受體菌直接攝取供體菌游離的DNA片斷并重組使其獲得新的性狀的過程。自然遺傳轉(zhuǎn)化（naturalgenetictransformation）人工轉(zhuǎn)化（artificialtransformation）感受態(tài)細(xì)胞：具有攝取外源DNA能力的細(xì)胞（competentcell）自然遺傳轉(zhuǎn)化的進(jìn)行涉及到細(xì)菌染色體上幾十個(gè)基因的功能及彼此間的相互協(xié)調(diào)，因此被認(rèn)為是名副其實(shí)

的細(xì)菌水平基因轉(zhuǎn)移途徑。自然感受態(tài)與人工感受態(tài)的不同自然感受態(tài)的出現(xiàn)是細(xì)胞一定生長階段的生理特性。人工感受態(tài)則是通過人為誘導(dǎo)的方法，使細(xì)胞具有攝取DNA的能力，或人為地將DNA導(dǎo)入細(xì)胞內(nèi)。

與細(xì)菌自身的遺傳控制無關(guān)受細(xì)菌自身的基因控制一般出現(xiàn)在細(xì)菌生長的中、后期1928年，Griffith發(fā)現(xiàn)肺炎鏈球菌（Streptococcuspneumoniae）的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象目前已知有二十多個(gè)種的細(xì)菌具有自然轉(zhuǎn)化的能力進(jìn)行自然轉(zhuǎn)化的條件：建立了自然感受態(tài)的受體細(xì)胞外源游離DNA分子DNA是遺傳物質(zhì)的確證；基因工程技術(shù)的建立；重要的微生物遺傳學(xué)方法；轉(zhuǎn)化transformationABCD結(jié)合蛋白枯草芽孢桿菌的自然轉(zhuǎn)化過程（革蘭氏陽性菌的轉(zhuǎn)化模型）轉(zhuǎn)化后的結(jié)果轉(zhuǎn)化子和非轉(zhuǎn)化子1、只有少數(shù)菌屬可發(fā)生轉(zhuǎn)化。2、受菌處于感受態(tài)，才可攝取外源DNA3、供菌DNA必須與受菌DNA同源性4、供菌DNA只有單股與受菌染色體發(fā)生整合,故只有一個(gè)子代細(xì)菌帶