第八章---微生物的遗传和变异(1).ppt

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1、第八章第八章 微生物的遗传和变异微生物的遗传和变异（二）教学要求（二）教学要求 1、掌握遗传和变异、基因突变、突变率、掌握遗传和变异、基因突变、突变率、质粒、转座子等专业术语。质粒、转座子等专业术语。2、熟悉遗传物质的转移和重组方式、质、熟悉遗传物质的转移和重组方式、质粒特性和医学上重要的质粒。粒特性和医学上重要的质粒。3、熟悉菌种选育的概念、保藏原理和方、熟悉菌种选育的概念、保藏原理和方法。法。4、了解菌种选育的方法。、了解菌种选育的方法。遗传遗传：亲代与子代相似亲代与子代相似变异变异：亲代与子代、子代间不同个体不完全相同亲代与子代、子代间不同个体不完全相同遗传（遗传（inheritance

2、）和变异（和变异（variation）是生命的最本质特性之是生命的最本质特性之一一遗传型遗传型：表型表型：生物的全部遗传因子所携带的遗传信息生物的全部遗传因子所携带的遗传信息具有一定遗传型的个体，在特定环境条件具有一定遗传型的个体，在特定环境条件下通过生长发育所表现出来的外表特征和下通过生长发育所表现出来的外表特征和内在特征的总和。内在特征的总和。表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。表型饰变：表型饰变：表型的差异只与环境有关表型的差异只与环境有关特点：特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为遗传型变异（基因变

3、异、基因突变）遗传型变异（基因变异、基因突变）：遗传物质改变，导致表型改变遗传物质改变，导致表型改变特点：特点：遗传性、群体中极少数个体的行为遗传性、群体中极少数个体的行为（自发突变频率通常为（自发突变频率通常为1010-6-6-10-10-9-9）微生物是遗传学研究中的明星：微生物是遗传学研究中的明星：t 微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便建立纯系。方便建立纯系。t 很多常见微生物都易于人工培养，快速、大很多常见微生物都易于人工培养，快速、大 量生长繁殖。量生长繁殖。t 物种和代谢类型多样物种和代谢类型多样t 对环境因素的作用敏感，易于获得各

4、类突变株，对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操作性强。操作性强。一、细菌的变异现象一、细菌的变异现象1.形态结构的变异形态结构的变异2.毒力的变异毒力的变异3.耐药性的变异耐药性的变异4.菌落的变异菌落的变异形态结构的变异形态结构的变异不同生长时期、不同环境不同生长时期、不同环境鼠疫杆菌在陈旧的培养物或鼠疫杆菌在陈旧的培养物或30g/LNaCl的培养基上的培养基上椭圆形的小杆菌椭圆形的小杆菌球形、哑铃形球形、哑铃形多种细菌在青霉素、免疫血清、补体和溶菌酶的影响下，多种细菌在青霉素、免疫血清、补体和溶菌酶的影响下，细胞壁合成受阻、形成细胞壁合成受阻、形成L-型细菌。型细菌。肺炎链球菌在机

5、体内或含血清的培养基上能形成荚膜、致肺炎链球菌在机体内或含血清的培养基上能形成荚膜、致病性强，经传代培养后，荚膜消失，致病力下降病性强，经传代培养后，荚膜消失，致病力下降炭疽芽孢杆菌在炭疽芽孢杆菌在42培养培养1020d，失去形成芽，失去形成芽孢的能力，毒力也下降。孢的能力，毒力也下降。H H菌落：菌落：将有鞭毛的普通变形杆菌点种在琼脂平板上，由于鞭将有鞭毛的普通变形杆菌点种在琼脂平板上，由于鞭毛的动力使细菌在平板上弥散生长，称迁徒现象，菌落形似膜。毛的动力使细菌在平板上弥散生长，称迁徒现象，菌落形似膜。O菌落：菌落：将普通变形杆菌点种在含有将普通变形杆菌点种在含有1%石炭酸的培养基上石炭酸的

6、培养基上，细菌失去鞭毛，形成不向外扩散的菌落。，细菌失去鞭毛，形成不向外扩散的菌落。毒力的变异毒力的变异 毒力增强：毒力增强：无毒力的白喉杆菌被无毒力的白喉杆菌被-棒状棒状杆菌噬菌体感染后，产生白喉毒素，引杆菌噬菌体感染后，产生白喉毒素，引起白喉病。起白喉病。毒力减弱：毒力减弱：卡介二氏经卡介二氏经13年连续传年连续传230代代后，毒力减弱但仍保持免疫原性的卡介后，毒力减弱但仍保持免疫原性的卡介苗。苗。耐药性的变异耐药性的变异细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐药的变异细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐药的变异称为耐药性变异。称为耐药性变异。金黄色葡萄球菌：金黄色葡萄球菌：耐青霉素（耐青霉素（14%80

7、%）耐甲氧西林（耐甲氧西林（5%24%70%）1998年，粪肠球菌耐万古霉素年，粪肠球菌耐万古霉素多重耐药性：有些细菌表现为同时耐受多多重耐药性：有些细菌表现为同时耐受多种抗菌药物。种抗菌药物。痢疾志贺菌对链霉素产生依赖性，离开链痢疾志贺菌对链霉素产生依赖性，离开链霉素则不能生长。霉素则不能生长。菌落的变异菌落的变异S型菌落：型菌落：表面光滑、湿润、边缘整齐，有荚表面光滑、湿润、边缘整齐，有荚膜。膜。R型菌落：型菌落：表面粗糙、干燥、边缘不整，无荚表面粗糙、干燥、边缘不整，无荚膜。膜。从光滑型变为粗糙型称为从光滑型变为粗糙型称为S-R变异变异，常见于肠，常见于肠道杆菌，变异时菌落、理化性状、抗

8、原性、代道杆菌，变异时菌落、理化性状、抗原性、代谢酶活性及毒力等也发生改变。谢酶活性及毒力等也发生改变。一般一般S型菌的致病性强，型菌的致病性强，但结核杆菌、炭疽芽孢但结核杆菌、炭疽芽孢杆菌和鼠疫杆菌等杆菌和鼠疫杆菌等常见的微生物突变类型常见的微生物突变类型1）营养缺陷型）营养缺陷型(auxotroph)一种缺乏合成其生存所必须的营养物一种缺乏合成其生存所必须的营养物(包包括氨基酸、维生素、碱基等括氨基酸、维生素、碱基等)的突变型的突变型,只只有从周围环境或培养基中获得这些营养有从周围环境或培养基中获得这些营养或其前体物或其前体物(precursor)才能生长。才能生长。营养缺陷型是微生物遗传

9、学研究中重营养缺陷型是微生物遗传学研究中重要的选择标记和育种的重要手段要的选择标记和育种的重要手段判断表型的标准判断表型的标准:在基本培养基上能否生长在基本培养基上能否生长.1）营养缺陷型）营养缺陷型(auxotroph)特点：特点：在选择培养基在选择培养基(常为基本培养基常为基本培养基)上不生长上不生长负选择标记负选择标记突变株不能通过选择平板直接获得突变株不能通过选择平板直接获得2）抗药性突变型）抗药性突变型(resistant mutant)基因突变使菌株对某种或某几种药物基因突变使菌株对某种或某几种药物,特特别是抗生素，产生抗性别是抗生素，产生抗性。特点特点:正选择标记正选择标记(突变

10、株可直接从抗性平板突变株可直接从抗性平板上获得上获得-在加有相应抗生素的平板上在加有相应抗生素的平板上,只有抗只有抗性突变能生长。所以很容易分离得到。性突变能生长。所以很容易分离得到。)3)条件致死突变型条件致死突变型(conditional lethal mutant)在某一条件下具有致死效应在某一条件下具有致死效应,而在另一条件而在另一条件下没有致死效应的突变型。下没有致死效应的突变型。常用的条件致死突变是温度敏感突变常用的条件致死突变是温度敏感突变,用用ts(temperature sensitive)表示表示,这类突变在高温这类突变在高温下下(如如42)是致死的是致死的,但可以在低温但

11、可以在低温(如如25-30)下得到这种突变。下得到这种突变。特点特点:负选择标记负选择标记这类突变型常被用来分离生长繁殖必需的突变基因这类突变型常被用来分离生长繁殖必需的突变基因4)形态突变型形态突变型(morphological mutant)造成形态改变的突变型造成形态改变的突变型特点：特点：非选择性突变非选择性突变突变株和野生型菌株均可生长突变株和野生型菌株均可生长,但但可从形态特征上进行区分。可从形态特征上进行区分。举例：举例：产蛋白酶缺陷突变株的筛选产蛋白酶缺陷突变株的筛选菌落颜色变化菌落颜色变化半乳糖苷酶基因的插入失活半乳糖苷酶基因的插入失活,使重组使重组子菌落为白色与兰色的非重组

12、子分开子菌落为白色与兰色的非重组子分开.形成芽孢缺陷菌株形成芽孢缺陷菌株细胞水平上的形态突变细胞水平上的形态突变,突变株的检出突变株的检出更加困难。更加困难。二、细菌遗传变异的物质基础二、细菌遗传变异的物质基础（一）、三个证明（一）、三个证明DNA是遗传物质的经是遗传物质的经典实验典实验1、经典转化实验、经典转化实验肺炎链球菌：肺炎链球菌：S型（菌体具荚膜，菌落表型（菌体具荚膜，菌落表面光滑，有致病能力）面光滑，有致病能力）R型（菌体无荚膜，菌落型（菌体无荚膜，菌落表面粗糙，无致病能力）表面粗糙，无致病能力）1928年，年，F.Griffth作了作了3组实验组实验:1944年，年，Avery精

13、确重复了转化实验，确定了转化因子精确重复了转化实验，确定了转化因子实验证明，将实验证明，将R菌转化为菌转化为S菌的转化因子是菌的转化因子是DNA2、噬菌体感染实验、噬菌体感染实验实验证明，进入实验证明，进入细菌细胞内部的细菌细胞内部的物质是物质是DNA。DNA包含有产包含有产生完整噬菌体的生完整噬菌体的全部信息。全部信息。生化提取分别获得含生化提取分别获得含RNA的烟草花叶病毒的烟草花叶病毒蛋白质外蛋白质外壳壳(病毒病毒1)和核酸和核酸(病毒病毒2)抗血清处理抗血清处理,证明杂种证明杂种病毒的蛋白质外壳来病毒的蛋白质外壳来自自病毒病毒1,而非而非病毒病毒2杂种病毒的后代的蛋白杂种病毒的后代的蛋

14、白质外壳表现为质外壳表现为病毒病毒2,而而非非病毒病毒1遗传物质是核酸遗传物质是核酸(RNA)而非蛋白质而非蛋白质3、植物病毒重建实验、植物病毒重建实验 遗传物质在遗传物质在7个水平上的形式个水平上的形式1、细胞水平细胞水平2、细胞核水平细胞核水平3、染色体水平染色体水平4、核酸水平核酸水平5、基因水平基因水平6、密码子水平密码子水平7、核苷酸水平核苷酸水平（二）、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式（二）、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式1、细胞水平、细胞水平真核微生物：细胞核真核微生物：细胞核原核微生物：核区原核微生物：核区细胞核或核区的数目在不同的微生物中是不同的细胞核或核区的数

15、目在不同的微生物中是不同的2、细胞核水平、细胞核水平真核生物真核生物 细胞核细胞核 核染色体核染色体原核生物原核生物 核区核区 DNA链链核基因组核基因组在核基因组之外，还存在各种形式的核外遗传物质在核基因组之外，还存在各种形式的核外遗传物质基因组（基因组（genome）:一个物种的单倍体的所有染色体及其一个物种的单倍体的所有染色体及其所包含的遗传信息的总称所包含的遗传信息的总称.3、染色体水平、染色体水平染色体是由组蛋白与染色体是由组蛋白与DNA构成的线状结构构成的线状结构染色体的数目在不同的生染色体的数目在不同的生物中是不同的物中是不同的染色体的倍数在同一生物染色体的倍数在同一生物的不同生

16、活时期是不同的的不同生活时期是不同的4、核酸水平、核酸水平核酸种类：核酸种类：DNA，RNA核酸结构：双链、单链；核酸结构：双链、单链；环状，线状，超螺旋状环状，线状，超螺旋状DNA长度：因种而异长度：因种而异微生物基因组测序工作是在人类基因组计划的促进下开微生物基因组测序工作是在人类基因组计划的促进下开始的，最开始是作为模式生物，后来不断发展，已成为始的，最开始是作为模式生物，后来不断发展，已成为研究微生物学的最有力的手段。研究微生物学的最有力的手段。5、基因水平、基因水平6、密码子水平、密码子水平7、核苷酸水平、核苷酸水平核苷酸是最小突变单位和交换单位核苷酸是最小突变单位和交换单位原核生物

17、和真核生物的基因组比较原核生物和真核生物的基因组比较质粒（质粒（plasmid）：）：一种独立于染色体外一种独立于染色体外,能进行自主复制能进行自主复制的细胞质遗传因子的细胞质遗传因子,主要存在于各种微主要存在于各种微生物细胞中。生物细胞中。转座因子（转座因子（transposable element）：）：位于染色体或质粒上的一段能改变自位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置的身位置的DNA序列序列,广泛分布于原核和广泛分布于原核和真核细胞中。真核细胞中。质粒和转座因子是细胞中除染色体以外质粒和转座因子是细胞中除染色体以外的另外二类遗传因子的另外二类遗传因子（四）（四）质粒和转座因子质粒和转

18、座因子质粒的分子结构质粒的分子结构1、结构、结构通常以共价闭合环状通常以共价闭合环状(covalently closed circle,简称简称CCC)的超螺旋双链的超螺旋双链DNA分分子存在于细胞中子存在于细胞中发现有线型双链发现有线型双链DNA质粒和质粒和RNA质粒质粒质粒分子的大小范围从质粒分子的大小范围从1kb左右到左右到1000kb（细菌质粒多在（细菌质粒多在10kb以内）以内）质粒的主要类型质粒的主要类型在某些特殊条件下在某些特殊条件下,质粒有时能赋予宿质粒有时能赋予宿主细胞以特殊的机能主细胞以特殊的机能,从而使宿主得到从而使宿主得到生长优势。生长优势。质粒所含的基因对宿主细胞一般

19、是非质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；必需的；质粒的主要类型质粒的主要类型质粒所编质粒所编码的功能码的功能和赋予宿和赋予宿主的表型主的表型效应效应致育因子致育因子(Fertility factor,F因子因子)抗性因子抗性因子(Resistance factor,R因子因子)产细菌素的质粒产细菌素的质粒(Bacteriocin production plasmid)毒性质粒毒性质粒(virulence plasmid)代谢质粒代谢质粒(Metabolic plasmid)隐秘质粒隐秘质粒(cryptic plasmid)1、致育因子致育因子(Fertility factor，F因子因子)

20、又称又称F质粒质粒,其大小约其大小约100kb,这是最早发这是最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖现象现的一种与大肠杆菌的有性生殖现象(接接合作用合作用)有关的质粒。有关的质粒。携带携带F质粒的菌株称为质粒的菌株称为F+菌株菌株(相当于雄性相当于雄性),无无F质粒的菌株质粒的菌株称为称为F-菌株菌株(相当于雌性相当于雌性).F因子能以游离状态因子能以游离状态(F+)和以与染色体相和以与染色体相结合的状态结合的状态(Hfr)存在存在于细胞中于细胞中,所以又称之所以又称之为附加体为附加体(episome)。2、抗性因子抗性因子(Resistance factor,R因子因子)包括抗药性和抗重金属二大

21、类包括抗药性和抗重金属二大类,简称简称R质粒。质粒。R100质粒质粒(89kb)可使宿主对可使宿主对下列药物及重金属具有抗性下列药物及重金属具有抗性:汞汞(mercuric ion,mer)四环素四环素(tetracycline,tet)链霉素链霉素(Streptomycin,Str)、磺胺磺胺(Sulfonamide,Su)、氯霉素氯霉素(Chlorampenicol,Cm)夫西地酸（夫西地酸（fusidic acid,fus）并且负责这些抗性的基因是并且负责这些抗性的基因是成簇地存在于抗性质粒上。成簇地存在于抗性质粒上。抗性质粒在细菌间的抗性质粒在细菌间的传递是细菌产生抗药传递是细菌产生抗

22、药性的重要原因之一。性的重要原因之一。3、产细菌素的质粒产细菌素的质粒 (Bacteriocin production plasmid)*细菌素结构基因、细菌素结构基因、*涉及细菌素运输及发挥作用涉及细菌素运输及发挥作用(processing)的蛋白质的蛋白质的基因、的基因、*赋予宿主对该细菌素具有赋予宿主对该细菌素具有“免疫力免疫力”的相关产物的相关产物的基因的基因 一般都位于质粒或转座子上一般都位于质粒或转座子上,因此因此,细菌素可以杀细菌素可以杀死同种但不携带该质粒的菌株。死同种但不携带该质粒的菌株。细菌素一般根据产生菌的种类进行命名：细菌素一般根据产生菌的种类进行命名：大肠杆菌（大肠杆

23、菌（E.coli）产生的细菌素为产生的细菌素为colicins（大肠大肠杆菌素），而质粒被称为杆菌素），而质粒被称为Col质粒。质粒。由由G+细菌产生的细菌素或与细菌素类似的因子与细菌产生的细菌素或与细菌素类似的因子与colicins有所不同，有所不同，但通常也是由质粒基因编码，有些甚至有商业价值，例如一种乳酸但通常也是由质粒基因编码，有些甚至有商业价值，例如一种乳酸细菌产生的细菌素细菌产生的细菌素NisinA能强烈抑制某些能强烈抑制某些G+细菌的生长，而被用于细菌的生长，而被用于食品工业的保藏。食品工业的保藏。4、毒性质粒（毒性质粒（virulence plasmid）许多致病菌的致病性是由

24、其所携带的质粒引许多致病菌的致病性是由其所携带的质粒引起的起的,这些质粒具有编码毒素的基因这些质粒具有编码毒素的基因,其产物对其产物对宿主宿主(动物、植物动物、植物)造成伤害。造成伤害。产毒素大肠杆菌是引起人类和动物腹泻的产毒素大肠杆菌是引起人类和动物腹泻的主要病原菌之一主要病原菌之一,其中许多菌株含有为一种其中许多菌株含有为一种或多种肠毒素编码的质粒。或多种肠毒素编码的质粒。苏云金杆菌含有编码苏云金杆菌含有编码内毒素内毒素(伴孢晶体中伴孢晶体中)的质粒的质粒根癌土壤杆菌所含根癌土壤杆菌所含Ti质粒是引起双子叶植质粒是引起双子叶植物冠瘿瘤的致病因子物冠瘿瘤的致病因子第三节第三节 质粒和转座因子

25、质粒和转座因子5、代谢质粒（代谢质粒（Metabolic plasmid）质粒上携带有有利于微生物生存的基因质粒上携带有有利于微生物生存的基因,如能降解某些基质的酶如能降解某些基质的酶,进行共生固氮进行共生固氮,或或产生抗生素产生抗生素(某些放线菌某些放线菌)等。等。降解质粒降解质粒:将复杂的有机化合物降解成能将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用的简单形式被其作为碳源和能源利用的简单形式,环环境保护方面具有重要的意义。境保护方面具有重要的意义。假单胞菌假单胞菌:具有降解一些有毒化合物具有降解一些有毒化合物,如芳如芳香簇化合物香簇化合物(苯苯)、农药、农药(2,4 dichlorop

26、hen-oxyacetic acid)、辛烷和樟脑等的能力辛烷和樟脑等的能力.（6）隐秘质粒（隐秘质粒（cryptic plasmid）隐秘质粒不显示任何表型效应，它们的存在只有通过物隐秘质粒不显示任何表型效应，它们的存在只有通过物理的方法，例如用凝胶电泳检测细胞抽提液等方法才能理的方法，例如用凝胶电泳检测细胞抽提液等方法才能发现。它们存在的生物学意义，目前几乎不了解。发现。它们存在的生物学意义，目前几乎不了解。在应用上，很多隐秘质粒被加以改造作为基因工程的载体在应用上，很多隐秘质粒被加以改造作为基因工程的载体（一般加上抗性基因）（一般加上抗性基因）质粒的特点质粒的特点1.质粒具有独立自我复制

27、的功能。质粒具有独立自我复制的功能。2.所编码的基因产物赋予细菌某些性状特所编码的基因产物赋予细菌某些性状特征：致育性、耐药性等。征：致育性、耐药性等。3.可自行丢失或消除。可自行丢失或消除。4.转移性。转移性。5.分为相容性与不相容性两种。分为相容性与不相容性两种。严密型质粒严密型质粒(stringent plasmid)：复制行为与核染复制行为与核染色体的复制同步，低拷贝数色体的复制同步，低拷贝数松弛型质粒松弛型质粒(relaxed plasmid)：复制行为与核染色复制行为与核染色体的复制不同步，高拷贝数体的复制不同步，高拷贝数细菌仍可以正常生活，但质粒赋予的性状消失。细菌仍可以正常生活

28、，但质粒赋予的性状消失。G+与与G+，G-与与G-，G+与与G-，在实验室中甚至能在，在实验室中甚至能在细菌与哺乳动物细胞之间。细菌与哺乳动物细胞之间。相容性：几种质粒可以同时共存于一个细菌细胞内的现相容性：几种质粒可以同时共存于一个细菌细胞内的现象。象。不相容：一种细菌细胞内只能允许一个质粒存在。不相容：一种细菌细胞内只能允许一个质粒存在。一个基因一个基因内部遗传内部遗传结构或结构或DNA序列序列的任何改的任何改变变.基因突变基因突变:三、微生物的变异机制三、微生物的变异机制（一）、基因突变与损伤修复（一）、基因突变与损伤修复突变突变自发突变自发突变诱变诱变环境因素的影响环境因素的影响,DNA复制过程的偶然错误等复制过程的偶然错误等而导致而导致,一般频率较低一般频率较低,通常为通常为10-6-10-9。某些物理、化学因素对生某些物理、化学因素对生物体的物体的DNA进行直接作用，进行直接作用，突变以较高的频率产生。突变以较高的频率产生。