细菌遗传与变异课件

1、微生物的遗传与变异,遗传性变异（基因型变异）,非遗传性变异（表型变异）,遗传 物种稳定,变异,细菌变异类型及发生机制,表型变异（非遗传）,基因变异（遗传）,细菌变异,基因突变,基因转移与重组,自发突变,诱变,转化,接合,转导,溶原性转换,原生质体融合,1 细菌的遗传物质 Genetic materials of bacteria,染色体（chromosome） 质粒（plasmid） 噬菌体基因组(bacteriophage genome),细菌的遗传物质是DNA，细菌基因组是指染色体和染色体以外遗传物质的总称。,细菌遗传物质之细菌染色体,DNA replication,相对较小 操纵子结构 基因连续 结构基因不含内含子 大多细菌编码顺序不重叠 结构基因多为单拷贝 遗传物质的交换 致病岛,双向复制,可独立于宿主染色体外;也可以通过交换掺入到染色体上, 以附加体(episome) 的形式存在; 环状闭合或线性dsDNA； 自我复制(严紧型质粒、松弛型质粒) 质粒基因常赋予宿主细胞某些特性; 能从宿主细胞自发消除; 可通过接合、转化或转导等方式转移； 具有相容性或不相容性。,细菌遗传物质之

2、细菌质粒,前噬菌体、溶原周期或溶菌周期均与噬菌体基因组相关，亦参与细菌的遗传与变异。,细菌遗传物质之噬菌体基因组,细菌遗传物质之转座因子,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。,插入序列 （insertion sequence, IS）,转座子 （transposon, Tn） 序列长度一般超过2kbp，除携带与转座有关的基因外，还携带其他特殊功能的基因（耐药性基因、重金属抗性基因、肠毒素基因和其他结构基因等）。,概念：一种运动性的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。 定位：细菌的染色体和质粒或转座子上 基本结构：两端的保守末端+中间的可变区,整合子（integron, In）,操纵子 概念：细菌的许多相关基因串联排列在染色体的特定部位，其上游有启动子和操纵基因序列，共同构成一个转录单位，即为操纵子。 在操纵子的上游还有一个调节基因，编码的蛋白能调节操纵子的活动。如大肠埃希菌乳糖操纵子。,大肠埃希菌乳糖操纵子模型,-半乳糖甘酶,透过酶,乙酰化酶,2 基因突变 Gene

3、 Mutation,细菌遗传物质的结构发生突然而稳定的改变，是DNA序列的永久性变化。（不考虑细菌表型是否有可察觉的改变）,基因突变或称点突变：由于DNA（RNA病毒和噬菌体的RNA）链上的一对或少数几对碱基被另一个或少数几个碱基对取代发生改变的突变类型。 染色体畸变：是DNA链上大段发生变化或损伤所引起的突变类型。这里包括染色体DNA链上的插入（insertion）、缺失（deletion）、重复（duplication）、易位（translocation）、倒位（inversion）等。,错义突变,无义突变,沉默突变,天门冬酰胺酸,酪氨酸,基因突变的结局,细菌变异类型及发生机制,表型变异（非遗传）,基因变异（遗传）,细菌变异,基因突变,基因转移与重组,自发突变,诱变,转化,接合,转导,溶原性转换,细胞融合,自发突变的特性,不对应性：突变性状与引起突变的原因间无直接对应关系。 自发性：频率较低、稳定。 独立性 诱变性：通过诱变剂的作用，可提高自发突变的频率 稳定性：所产生的新性状稳定且可遗传。 可逆性：任何性状既有正向突变，也可发生回复突变。,彷徨试验：随机的、非定向的突变是在接触噬

4、 菌体之前就已发生，噬菌体对突变 仅起筛选而不是诱导作用。,回复突变与抑制突变 细菌由野生型变为突变型是正向突变。 有时突变株经过又一次突变可恢复为野生型的性状，这种第二次突变称为回复突变。 回复突变并没有改变正向突变的DNA序列，而是一个抑制基因突变抑制了第一次突变所致的性状改变。 回复突变往往不是基因型回复，而是表型的回复。,突变型细菌及其分离： 营养缺陷突变型 营养物质筛选 抗性突变型 药敏试验 条件致死性突变型 温度敏感试验 。,1. 营养缺陷型（auxotroph）,某一野生型菌株因发生基因突变而丧失合成一种或几种生长因子、碱基或氨基酸的能力，只有从周围环境或培养基中获得这些营养或其前体物（precursor）才能正常生长繁殖的变异类型，称为营养缺陷型。,营养缺陷型突变株 在遗传学、分子生物学、遗传育种和遗传工程等研究中 十分重要,表型判断的标准：,在基本培养基上能否生长,营养缺陷型的表示方法：,基因型：,所需营养物的前三个英文小写斜体字母表示：hisC （组氨酸缺陷型，其中的大写字母C同一表型中不同基因的突变）,表型：,同上，但第一个字母大写，且不用斜体：HisC,2. 抗

5、性突变型（resistant mutant）,指野生型菌株因发生基因突变，使菌株对对某化学药物或致死物理因子，特别是抗生素，产生抗性的抗性变异类型。,特 点：,正选择标记 （突变株可直接从抗性平板上获得在加有相应抗生素的平板上，只有抗性突变能生长。所以很容易分离得到。）,表示方法：,所抗药物的前三个小写斜体英文字母加上“r”表示。,抗性突变菌株 在遗传学、分子生物学、遗传育种和遗传工程等研究中 极为重要,3. 条件致死突变型（conditional lethal mutant）,某菌株或病毒经基因突变后，在某种条件下可正常地生长、繁殖并呈现其固有的表型，而在另一种条件下却无法生长、繁殖，这种突变类型称为条件致死突变型。,在25下可感染其E. coli宿主 在37却不能感染,Ts突变株即温度敏感突变株（temperature sensitive mutant，Ts mutant）是一类典型的条件致死突变株。,E. coli的某些菌株,在37下正常生长 不能在42下生长,某些T4噬菌体突变株,产生Ts突变的原因,在某特定的温度下具有功能,在另一温度（一般为较高温度）下则无功能,突变使某些重

6、要蛋白质的结构和功能发生改变，,4. 形态突变型（morphological mutant）,指由于突变而引起的个体或菌落形态的非选择性变异。,特点：,非选择性突变 突变株和野生型菌株均可生长，但可从形态特征上进行区分。,举例：,菌落颜色变化,半乳糖苷酶基因的插入失活,5. 抗原突变型（antigenic mutant）,指由于基因突变引起的细胞抗原结构发生的变异类型，一般也属非选择性突变。 例如，细胞壁缺陷变异（L型细菌等）、 荚膜或鞭毛成分变异等。,6. 产量突变型（metabolite quantitative mutant）,通过基因突变而产生的在代谢产物产量上明显有别于原始菌株的突变株，称为产量突变型。,筛选高产正变株的工作对生产实践极其重要,在育种实践上,诱变育种 重组育种 遗传工程育种,平板法的优点： 快速简便，工作量小，结果直观性强（例如可用上述变色圈、透明圈、抑制圈、生长圈或沉淀圈等方法测定某代谢产物的量）；,平板法的缺点： 在培养皿平板上固态培养的结果不一定能反映摇瓶培养或发酵罐中液体培养的结果。,back1,两类突变株的筛选方法 （1）抗药性突变株的筛选,基因突变

7、使菌株对某种或某几种药物，特别是抗生素，产生抗性。,特点：,正选择标记 （突变株可直接从抗性平板上获得-在加有相应抗生素的平板上，只有抗性突变能生长。所以很容易分离得到。）,梯度平板法（gradient plate）是定向筛选抗药性突变株的一种有效方法，通过制备琼脂表面存在药物浓度梯度的平板、在其上涂布诱变处理后的细胞悬液、经培养后再从其上选取抗药性菌落等步骤，就可定向筛选到相应抗药性突变株。,梯度平板法（gradient plate） 是定向筛选抗药性突变株的一种有效方法。,（2）营养缺陷型突变株的筛选,营养缺陷型突变株（auxotrophic mutant）在生物学基础理论和应用研究以及生产实践上都有极其重要的意义。,营养缺陷型的表示方法：,基因型：,所需营养物的前三个英文小写斜体字母表示：hisC （组氨酸缺陷型，其中的大写字母C同一表型中不同基因的突变）,表型：,同上，但第一个字母大写，且不用斜体：HisC,在具体使用时多用hisC-和hisC+，分别表示缺陷型和野生型。,a. 基本培养基（MM，符号为）, 与筛选营养缺陷型突变株有关的3类培养基,仅能满足某微生物的野生型菌株生

8、长所需的最低成分的组合培养基，称MM。,b. 完全培养基（complete medium，CM，符号为）,凡可满足一切营养缺陷型菌株营养需要的天然或半组合培养基，称为CM。,一般可在基本培养基中加入一些富含氨基酸、维生素、核苷酸和碱基之类的天然物质，如蛋白胨或酵母膏等配制而成。,c. 补充培养基（supplemental medium，SM，符号为A或B等）,凡只能满足相应的营养缺陷型突变株生长需要的组合或半组合培养基，称为SM。,在基本培养基上再添加对某一营养缺陷型突变株所不能合成的某相应代谢产物所组成，可专门选择相应的突变株。,原养型（prototroph）, 与营养缺陷型突变有关的3类遗传型个体,野生型（wild type，wild strain）,营养缺陷型（auxotroph）,从自然界分离到的原始菌株（AB）,经诱变剂处理后的突变株（AB）,经回复突变或重组后产生的菌株（AB）, 营养缺陷型的筛选方法,第一步，诱变剂处理 第二步，淘汰野生型 第三步，检出缺陷型 第四步，鉴定缺陷型,第二步，淘汰野生型,抗生素法 菌丝过滤法 差别杀菌法 饥饿法,第三步，检出缺陷型,逐个检出法

9、夹层培养法（layer plating method） 影印平板法 限量补充培养法,逐个检出法,夹层培养法,影印平板法,将处理后的菌液涂布在含微量（0.01%或更少）蛋白胨的基本培养基上培养，营养缺陷型长得缓慢，呈小菌落；野生型长得较快，呈大菌落。从菌落大小可筛去野生型。,限量补充培养法,第四步，鉴定缺陷型,借助生长谱法（auxanography）进行。,3 基因转移与重组 Gene recombination,基因转移： 供体菌 外源性的遗传物质 受体菌,供体菌染色体DNA片段，可转移的质粒DNA及噬菌体的基因等。,基因重组： 被转移的基因在受体菌胞质中能自行复制与表达，或与受体菌DNA整合在一起，从而使受体菌获得供体菌的某些特性。,基因的转移与重组方式,转化 接合 转导 溶原性转换,转 化(transformation),Griffith 1928年 肺炎链球菌,供体菌裂解游离的DNA片段被受体菌直接摄取，使受体菌获得新的性状。,转化的基本过程,转化因子,吸附,受体细胞,单链DNA片段,同源重组,异源双链区,染色体复制,细胞分裂,子细胞：保持原受菌性状,子细胞：带有供菌性状的转化型细菌,接 合(conjugation),细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（主要是质粒DNA）从供体菌转移给受体菌的方式。,F+与F杂交,F+,F-,F+,F-,F+,F+,F+,F+,Donor,Recipient,F+,Hfr（高频重组菌株）,Hfr转移细菌染色体过程,间断交配实验：绘制遗传图谱 F质粒位于染色体末端，很少有机会进入F-菌,耐药传递因子(RTF)：编码性菌毛； r决定因子(r-det)：多个耐药基因转座子；,IS,r-det,r-det,RTF,IS,Tn9,Tn4,Tn5,抗氯霉素,抗氨苄青霉素、磺胺、链霉素,抗卡那霉素,R质粒：传染性耐药因子,第一寄主菌,第二寄主菌,转 导 (transductio

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