1、 細菌的遺傳與變異第5章遺傳（heredity） 微生物的生物學性狀保持 相對穩定，且代代相傳。變異（variation） 子代與親代之間以及子 代與子代之間的生物學 性狀出現差異。 微生物的變異 遺傳性變異（基因型） 非遺傳性變異（表型） 不受環境因素影響 受環境因素影響 基因結構改變 基因結構未改變 不可逆、可遺傳 可逆、不能遺傳 一、細菌遺傳的物質1、細菌的染色體2、質粒3、轉座因子（插入序列、轉座子）4、整合子5、噬菌體基因組1、細菌染色體（bacterial chromosome)環狀雙旋DNA基因組上遺傳信息具有連續性，無內含子 （基因：是具有一定生物學功能的核苷酸序列）復制：雙向

2、復制功能相關的結構基因組成操縱子結構2、質粒（plasmid） 染色體以外的遺傳物質，雙股環狀閉合DNA，編碼某些生物學性狀。 有自我復制的能力 一個質粒是一個復制子 緊密型：復制與染色體同步 松弛型：與染色體的復制不相關 特征： 編碼某些表型： F質粒（致育性質粒） R質粒（耐藥性質粒） Vi質粒（毒力質粒） 細菌素質粒（ Col質粒） 代謝質粒 可自行丟失或人工消除 消除質粒，其所賦予的特性也隨之消失 可在細菌間轉移 通過接合、轉導、轉化等方式 可分為相容性與不相容性兩種 相容性：幾種質粒共存于一個細菌內 不相容性：幾種質粒不能共存于一個細菌內F質粒（接合性質粒） 與有性生殖功能有關。 F

3、+ 雄性菌（具有性毛） F- 雌性菌（無性菌毛）致育質粒（fertility plasmid,F質粒） 常見的質粒類型 編碼細菌對抗菌藥物或重金屬鹽類的的耐藥性。 接合性耐藥質粒：通過細菌間接合進行傳遞。 （resistance plasmid,R質粒） 非接合性耐藥質粒 ：通過噬菌體傳遞。 耐藥性質粒分R質粒(Resistence plasmid)的接合 耐藥轉移因子 與F質粒相似，編碼菌毛的產 （resistance transfer factor） 生和通過接合轉移。 (RTF)R質粒 抗藥（r）決定子 編碼對抗菌藥物的抗藥性。Tn 9Tn 21Tn 10Tn 8RTFR determi

4、nant例：R100質粒(89kb)可使宿主對下列藥物及 重金屬具有抗性： 汞（mercuric ion ，mer）四環素（tetracycline，tet）鏈霉素(Streptomycin, Str)、磺胺(Sulfonamide, Su)氯霉素(Chlorampenicol, Cm)夫西地酸（fusidicacid，fus） 編碼各種細菌產生細菌素。 如：大腸埃希菌 大腸菌素 Col質粒(Coliciogenic plasmid) 細菌素質粒 編碼產生相關的代謝酶。如：沙門菌 發酵乳糖 代謝質粒 代謝質粒 編碼與該菌致病性有關的毒力因子。如：大腸埃希菌 ST質粒 耐熱腸毒素 LT質粒 不耐

5、熱腸毒素 毒力質粒（ virulence plasmid，Vi質粒）3、轉座因子（跳躍基因） 是細菌的基因組中能夠從一個位置轉移到另一位置的一段DNA序列。插入序列(insertion sequence, IS)轉座子（transposon, Tn） 分類通過位移改變遺傳物質的核苷酸序列影響插入點附近基因的表達轉位因子本身攜帶一定的基因序列 作用方式插入序列（insertion sequence,IS） TransposaseABCDEFGGFEDCBA 不帶有表現任何性狀的基因，只帶有編碼轉移時所需要的轉座酶的基因。 攜帶轉座基因 IS ISResistance Gene(s)IS ISRe

6、sistance Gene(s)轉座子（transposon,Tn）結果：插入基因失活、突變 耐藥性產生 細菌染色體畸變 攜帶轉座基因 攜帶其他結構基因：抗藥基因 毒素基因 抗金屬基因轉座子 攜帶耐藥或毒素基因Tn1 Tn2 Tn3 AP（氨芐青霉素）Tn4 AP 、str（鏈霉素）、Su（磺胺）Tn5 Kan.Ble（博萊）。StrTn6 Kan（卡那霉素）Tn7 TMP（甲氧芐氨嘧啶）、strTn9 Cam（氯霉素）Tn10 Tet（四環素）tn551 Em（紅霉素）Tn971 Em（紅霉素）Tn681 E.coli ET (腸毒素）Tn903 Kna(卡那霉素)表1.轉座子及攜帶的耐藥性

7、基因或毒素基因攜帶piggyBac轉座子的老鼠，它們的細胞表達了紅色的熒光蛋白4、整合子（integron,In） 是一種運動性的DNA分子，具有獨特結構，可捕獲和整合外源性基因，使之轉變成為功能性基因的表達單位。 通過轉座子或接合性質粒，可使耐藥性基因在細菌中水平轉移。 5、噬菌體基因組 前噬菌體 溶原性細菌 溶菌周期 基因轉移（gene transfer） 外源性遺傳物質由供體菌轉入某受體 菌內的過程。 基因重組（gene recombination） 轉移的基因與受體菌DNA整合在一起。 二、細菌的變異的機制（一）基因轉移和重組 受體菌直接攝取來自供體菌的游離的DNA片段，通過交換把它整

8、合到自己的基因組中，從而獲得供體菌部分遺傳性狀的現象。1、轉化（transformation) Griffith -1928 Avery -1944轉化基本過程： 感受態細胞吸收DNA（轉化因子） DNA摻入細胞后的整合 轉化因子 分子量小于1107 ，最多不超過10-20個基因。 同源的、未變性的雙鏈DNA分子。 感受態 是指受體菌能夠從周圍環境中吸收外源性DNA分子進行轉化的生理狀態。（吸附DNA的受體、帶正電荷、通透性增加） 出現時間 自然轉化、人工轉化發生轉化的條件轉化過程示意圖Transformation in Bacteria 供體菌通過性菌毛與受體菌直接接觸，將遺傳物質從供體菌轉

9、移給受體菌。使后者獲得新的遺傳性狀。2、接合（conjugation）大腸埃希菌與腸道桿菌接合 （電鏡掃描圖）接合性質粒： F、R、Col和毒力質粒。 （1）F質粒的接合（fertility plasmid)F+菌F-菌 高頻重組菌（high frequency recombinant,Hfr） 整合有F質粒的菌株能夠高效轉移自身染色體基因至受體菌，故被稱為高頻重組菌（Hfr）。 F+菌Hfr菌 F 菌 Hfr菌株細胞內的F質粒由于不正常切割 而脫離核染色體組時重新形成的游離的攜帶 整合位點一小段核染色體基因的F 質粒。 帶有F質粒的細菌： F菌Hfr菌 F菌不同狀態的菌株：F+菌株F-菌株H

10、fr菌株F菌株1) F+和F的雜交F+ F質粒在末端，F-菌獲的F質粒的機會很少。 2) Hfr和F的雜交F-3) F和F的雜交F+大腸桿菌 F質粒的各種存在狀態間的轉變 F-菌F+ 菌F菌Hfr菌與F+菌接合消除切離整合偏差切離整合與F菌接合 丟失（2）R質粒的接合(resistence plasmid) 耐藥傳遞因子 與F質粒相似，編碼菌毛的產 （resistance transfer factor） 生和通過接合轉移。 (RTF)R質粒 耐藥（r）決定子 編碼對抗菌藥物的耐藥性。Tn 9Tn 21Tn 10Tn 8RTFR determinantR- Plasmid Conjugatio

11、n R質粒的接合：3、轉導（transduction） 通過噬菌體為媒介，將供體細胞的DNA片段攜帶入受體細胞中，通過交換和整合，使后者獲得前者的部分遺傳性狀。普遍轉導局限轉導轉導的類型完全轉導流產轉導 通過噬菌體對供體菌基因組上任何小片段DNA進行“誤包”，而將其遺傳性狀傳遞給受體菌。1）普遍性轉導(generalized transduction)受體菌供體菌 完全轉導 外源性DNA片段與受體菌的染色 體整合并隨染色體而傳代。 流產轉導 外源性DNA片段游離在胞質中既 不能與受體菌染色體整合。 普遍性轉導 兩種結局 通過溫和噬菌體將供體菌少量特定基因帶入受體菌，并與后者的基因組整合、重組。

12、 2）局限性轉導（restricted transduction）E. coli的噬菌體普遍轉導：裝配錯誤局限轉導：脫落錯誤 普遍轉導 局限轉導能轉導的基因 任何基因 特定基因噬菌體類型 溫和或烈性 溫和獲得轉化噬菌 敏感菌的裂解 溶源菌的誘導體的方式 普遍性轉導和局限性轉導的比較 4、溶原性轉換（lysogenic conversion） 當溫和噬菌體感染細菌時，宿主菌染色體中獲得了噬菌體的DNA片段，使其成為溶原狀態時而使細菌獲得新的性狀。 例： 帶有-棒狀桿菌噬菌體的白喉棒狀桿菌 產生 白喉外毒素 5、原生質體融合（protopast fusion） 是將兩種不同的細菌經溶菌酶或青霉素

13、等處理，失去細胞壁成為原生質體后進行相 互融合的過程。（二）、基因突變 是指DNA堿基對的置換、插入或缺失所致的基因結構的變化。 點突變 染色體畸變 自發1、基因突變誘發2、 基因突變的規律 自發突變和誘發突變 突變率： 自然突變率 （109 106） 誘導突變率 （106104） 突變與選擇 回復突變與抑制突變由微生物自身有害代謝產物引起由DNA復制過程中堿基配對錯誤引起由背景輻射和環境因素引起 自發突變彷徨試驗彷徨試驗誘變 利用物理、化學或生物因素顯著提高基因自發突變頻率的手段。 堿基置換（Substitution） 移碼突變（Frame-shift Mutation） 染色體畸變（Chr

14、omosomal aberration） 誘發突變引起染色體畸變的誘變劑引起染色體畸變的誘變劑射線：紫外線UV，化學：亞硝酸鹽影印培養法1952年 Lederberg影印平板培養法1952年 Lederberg回復突變野生株 (wild strain)突變株 (mutant strain) 正向突變 回復突變原因:突變株中的一個抑制基因突變所致. 回復突變可自發或誘導發生 類型: 回復突變基因內抑制： 抑制基因突變發生在同一基因內的不同部位。 基因間抑制: 抑制基因突變發生在不同基因 .回復突變基因型模式圖基因型 回復突變機制 菌株 表型突變前 野生株 敏感突變后 突變株 耐藥 基因內抑制 回復突變株 敏感 基因間抑制 回復突變株 敏感 由于由原來能合成某種營養物 質的原養型突變為不能合成該物質 的營養缺陷型。（1）營養缺陷型3、突變型的細菌及其分離（2）抗性突變型指野生型菌株由于發生基因突變而產生了對某化學藥物或致死物理因子的抗性變異類型化學藥物或致死物理因子抗生素、紫外線抗性突變株（3）條件致死突變型 經基因突變后，在某條件下可正常生長、繁殖，表現其正常的表型，在另一條件下無法生長、繁殖的突變類型。 E.coli：30下正常生長、42下不能生長 T4噬菌體：25 下具有感染