第六章微生物的遺傳變異

Microbiology

Genetics

第一節微生物遺傳與變異的概念第二節常見的微生物表型變異第三節微生物變異的機理第四節微生物變異株的獲得及微生物遺傳性的保存ReviewGenetics遺傳學:scienceofheredityHeredity,inheritance遺傳:geneticsubstancetransmittedfromparenttooffspring子代Variation變異:Inheritable,lowrate(10-5~10-8)Mutation突變:anychangeinthenucleotidesequenceoftheDNAinacell.Modification飾變:onphenotype,notgenotypeGenotype基因型:geneticmakeupPhenotype表現型:actual,expressedproperties第一節微生物遺傳與變異的概念微生物是遺傳學研究中的明星：微生物細胞結構簡單，營養體一般為單倍體，方便建立純系。很多常見微生物都易于人工培養，快速、大量生長繁殖，菌落形態特征的可見性和多樣性。物種和代謝類型多樣，易于積累不同的中間代謝產物或終產物。對環境因素的作用敏感，易于獲得各類突變株，易于形成營養缺陷型，操作性強。研究微生物遺傳學的意義微生物是研究現代遺傳學和其它許多主要的生物學基本理論問題時最熱衷的研究對象。對微生物遺傳規律的深入研究，不僅促進了現代分子生物學和生物工程學的發展，而且為育種工作提供了豐富的理論基礎，促使育種工作從不自覺到自覺、從低效到高效、從隨機到定向、從近緣雜交到遠緣雜交的方向發展。ThreeClassicalExperiments三個經典實驗三個經典實驗1.Transformation轉化2.Infectionofbacteriophage噬菌體感染3.Reconstructionofplantvirus植物病毒重建三個證明DNA是遺傳物質的經典實驗1、經典轉化實驗肺炎鏈球菌：S型（菌體具莢膜，菌落表面光滑，有致病能力）；R型（菌體無莢膜，菌落表面粗糙，無致病能力）遺傳變異的物質基礎1928年，F.Griffth作了3組實驗:1944年，Avery精確重復了轉化實驗，確定了轉化因子實驗證明，將R菌轉化為S菌的轉化因子是DNA2、噬菌體感染實驗Hershey&Chase’sexperimentofphageinfectionConclusion:DNAwasthephysicalcarrierofheredity遺傳物質基礎是DNA3.ReconstructionofTobaccoMosaicVirus(TMV)植物病毒重建

Nucleicacid,DNAorRNA,isthehereditarymaterial為了證明核酸是遺傳物質，H.Fraenkel-Conrat（1956）用含RNA的煙草花葉病毒（TMV）進行了著名的植物病毒重建實驗。將TMV在一定濃度的苯酚溶液中振蕩，就能將其蛋白質外殼與RNA核心相分離。分離后的RNA在沒有蛋白質包裹的情況下，也能感染煙草并使其患典型癥狀，而且在病斑中還能分離出正常病毒粒子。選用TMV和霍氏車前花葉病毒（HRV），分別拆分取得各自的RNA和蛋白質，將兩種RNA分別與對方的蛋白質外殼重建形成兩種雜合病毒：（1）RNA（TMV）-蛋白質（HRV）（2）RNA（HRV）-蛋白質（TMV）用兩種雜合病毒感染寄主：（1）表現TMV的典型癥狀病分離到正常TMV粒子（2）表現HRV的典型癥狀病分離到正常HRV粒子。上述結果說明，在RNA病毒中，遺傳的物質基礎也是核酸。朊病毒的發現和思考朊病毒含有微量的核酸，仍未發現？朊病毒僅由蛋白質構成朊病毒的遺傳物質為蛋白質？質粒（plasmid）：一種獨立于染色體外，能進行自主復制的細胞質遺傳因子，主要存在于各種微生物細胞中。質粒所含的基因對宿主細胞一般是非必需的；在某些特殊條件下，質粒有時能賦予宿主細胞以特殊的機能，從而使宿主得到生長優勢。質粒的結構特點通常以共價閉合環狀(covalentlyclosedcircle，簡稱CCC)的超螺旋雙鏈DNA分子存在于細胞中；也發現有線型雙鏈DNA質粒和RNA質粒；質粒分子的大小范圍從1kb左右到1000kb；

細菌質粒多在10kb以內）質粒的檢測提取所有胞內DNA后電鏡觀察；超速離心或瓊脂糖凝膠電泳后觀察；對于實驗室常用菌，可用質粒所帶的某些特點，如抗藥性初步判斷。質粒的主要種類質粒所編碼的功能和賦予宿主的表型效應致育因子（Fertilityfactor，F因子）抗性因子（Resistancefactor，R因子）產細菌素的質粒（Bacteriocinproductionplasmid）毒性質粒（virulenceplasmid）代謝質粒（Metabolicplasmid）隱秘質粒（crypticplasmid）AdvantagesofusingplasmidasAdvantagesofusingplasmidasvectoringeneengineeringvectoringeneengineering質粒作為基因工程載體的優勢質粒作為基因工程載體的優勢1.Smallsize:easilyusedinDNAseparationandmanipulation體積小,易操作2.Circularshape環形:keepDNAstable3.Independentstartingpointofreplication:notcontrolledbynucleargenome獨立的復制起點4.Multiplecopies多拷貝:increaseexogenousDNArapidly迅速復制外源DNA5.Antibioticresistantgene:usedasselectivemarker抗生素抗性基因作為選擇標記一、形態和結構的變異

3-6%食鹽

鼠疫桿菌多形態性(衰殘型)。

瓊脂培基第二節常見的微生物表型變異青霉素、溶菌酶

正常形態細菌

L型變異抗體或補體

(部分或完全失去胞壁)正常霍亂弧菌霍亂弧菌L型一、形態和結構的變異特殊結構的變異：

42-43℃

炭疽桿菌失去形成芽胞能力,毒性降低

10-20天

變形桿菌（H）1%石炭酸單個菌落（O）遷徙生長鞭毛變異一、形態和結構的變異二、菌落變異在陳舊培養基中長期培養

光滑型菌落

粗糙型菌落

S

或在有免疫力的人體內

R失去LPS的特異性多糖重復單位同時伴有其他性狀的改變SinglecellsortofSalmonellacultureresultsindifferentcolonymorphologyNon-Geneticvariation三、毒力變異

β棒狀噬菌體

白喉棒狀桿菌

獲得白喉毒素

膽汁、甘油、馬鈴薯培養基

牛型結核桿菌卡介苗

13年(230代)三、毒力變異四、耐藥性變異細菌對某種抗菌藥物有敏感變成耐藥的變異稱為耐藥性變異。金黃色葡萄球菌耐青霉素的菌株已從1946年的14%上升至目前的70%以上。有些細菌還表現為同時耐受多種抗菌藥物，即多重耐藥性，甚至產生藥物依賴性。含鏈霉素培基

痢疾桿菌依鏈株(耐藥菌株)

長期培養

四、耐藥性變異四、耐藥性變異五、代謝的變異某種微生物原來在代謝過程中能全成某種營養成分的特性，會變為失去這種能力，成為所謂的營養缺陷型。腸道桿菌細胞壁脂多糖上的特異性多糖稱為O抗原，具有屬特異性；鞭毛蛋白稱為H抗原，具有種特異性。血清學鑒定的基礎。O與H是可以發生變異的。六、抗原性的變異第三節微生物變異的機理表型的差異只與環境有關特點：暫時性、不可遺傳性、表現為全部個體的行為一、非遺傳性變異微生物受外界環境條件變化影響，產生誘導作用，使基因表達暫時改變，某一表型性狀隨之發生改變，當除去該誘發條件時，可恢復原來的性狀。遺傳型變異（基因轉移、基因突變）：遺傳物質改變，導致表型改變特點：遺傳性、群體中極少數個體的行為（自發突變頻率通常為10-6-10-9）第三節微生物變異的機理二、遺傳性變異在自然或人工條件下，微生物的基因發生了改變，使相應的性狀也發生變化，并可以遺傳下去，這就是遺傳性變異。（一）基因突變基因突變（genemutation）簡稱突變，是變異的一種，指生物體內遺傳物質的分子結構或數量突然發生的可遺傳的變化。突變率常在10-4~10-9范圍內。CharacteristicsofMutationCharacteristicsofMutation突變的特征突變的特征1.Spontaneous自發性2.Non-correspondent不對應性3.Rare稀有性4.Independent獨立性5.Inducible可誘發性6.Stability穩定性7.Reversible可逆性（二）基因轉移（transgenosis）轉化轉導噬菌體轉換接合基因轉移的方式1.轉化（transformation）轉化或轉化作用：受體菌（recipient或receptor）直接吸收了來自供體菌（donor）的DNA片段，通過交換整合到自己的基因組中，從而獲得部分新的遺傳型狀的現象。接受了供體菌DNA的受體菌稱為轉化子（transformant）。范圍：原核生物中，轉化是一個較普遍的現象。轉化發生的條件:兩個菌種或菌株之間能否發生轉化，與它們在進化過程中的親緣關系有著密切的關系。但即使在轉化率極高的那些種中，其不同菌株間也不一定都可發生轉化。進行轉化的受體細胞必須處于感受態(competence)。即受體細胞最易接受外源DNA片段并實現其轉化的一種生理狀態。也可以采用人工的方法使細菌轉變成感受態供體菌受體菌DNA片段1928年，Griffith發現肺炎鏈球菌（Streptococcuspneumoniae）的轉化現象,目前已知有二十多個種的細菌具有自然轉化的能力自然轉化過程的特點：a）不需要活的DNA供體細胞；b）轉化是否成功及轉化效率的高低主要取決于轉化供體菌株和轉化受體菌株之間的親源關系；c）通常情況下質粒的自然轉化效率要低得多。人工轉化用CaCl2處理細胞，電穿孔等是常用的人工轉化手段。在自然轉化的基礎上發展和建立的一項細菌基因重組手段，是基因工程的奠基石和基礎技術。不是由細菌自身的基因所控制；用多種不同的技術處理受體細胞，使其人為地處于一種可以攝取外源DNA的“人工感受態”。質粒的轉化效率高；