动物微生物微生物遗传与变异课件

第七章 微生物的遗传与变异 一、几个概念 1 1、遗传、遗传 生物的上一代将自己的遗传因子传递给生物的上一代将自己的遗传因子传递给 下一代的行为或功能，具有极其稳定的特下一代的行为或功能，具有极其稳定的特 性。性。 2 2、遗传型、遗传型 某一生物所含有的遗传信息即某一生物所含有的遗传信息即DNADNA中正确中正确 的核苷酸序列。生物体通过这个核苷酸序列的核苷酸序列。生物体通过这个核苷酸序列 控制蛋白质或控制蛋白质或RNARNA的合成，一旦功能性蛋白的合成，一旦功能性蛋白 合成，可调控基因表达。合成，可调控基因表达。 遗传型是一种内在可能性或潜力，其实遗传型是一种内在可能性或潜力，其实 质是遗传物质上所负载的特定遗传信息。质是遗传物质上所负载的特定遗传信息。 具有某遗传型的生物只有在适当的环境条具有某遗传型的生物只有在适当的环境条 件下通过自身的代谢和发育，才能将它具件下通过自身的代谢和发育，才能将它具 体化，即产生表型。体化，即产生表型。 3 3、表型、表型 某一生物体所具有的一切外表特征及内在特某一生物体所具有的一切外表特征及内在特 性的总和，是遗传型在合适环境条件下的具性的总和，是遗传型在合适环境条件下的具 体体现。是一种现实性。体体现。是一种现实性。 4 4、变异、变异 是生物体在某种外因或内因作用下引起的是生物体在某种外因或内因作用下引起的 遗传物质结构改变，亦即遗传物质结构改变，亦即遗传型的改变遗传型的改变。 特点特点：几率极低：几率极低( (一般为一般为1010-5 -5 1010-6 -6) )；性状 ；性状 变化幅度大；变化后的新性状是稳定的、可变化幅度大；变化后的新性状是稳定的、可 遗传的。遗传的。 5、饰变 指一种不涉及遗传物质结构改变而只发生 在转录和翻译水平上的表型变化. 特点:整个群体几乎每个个体都发生同样 的变化;性状变化的幅度小.因其遗传物质不 变,因此饰变是不遗传的. 第一节 微生物遗传的物质基础 一、基因组和质粒 （一）基因组一）基因组 细菌的基因组位于核体，是遗传的主要 物质基础。核体又称染色体，是由双条环 状双螺旋DNA长链组成的，含有遗传基因 ，控制着细菌的遗传与变异。 （二）质（二）质 粒粒 质粒是细菌染色体外的遗传物质，多为环质粒是细菌染色体外的遗传物质，多为环 状双螺旋状双螺旋DNADNA分子。质粒可以自身复制，随分子。质粒可以自身复制，随 宿主菌分裂传到子代菌体。在一定条件下，宿主菌分裂传到子代菌体。在一定条件下， 质粒可以转移，也可丢失。质粒是自行复制质粒可以转移，也可丢失。质粒是自行复制 单位，有的需与核质染色体的复制同步，称单位，有的需与核质染色体的复制同步，称 为严紧型复制。为严紧型复制。 质粒编码细菌各种重要的生物学性状. 编码性菌毛的质粒称致育质粒或F质粒; 编码细菌各种毒力因子的质粒称毒力质 粒或Vi质粒;而细菌对抗菌药物或重金属 盐类的抗性则有R质粒所决定.一种质粒 可同时具有几种编码功能. 质粒示意图 细菌的质粒 二、转座因子和毒力岛 （一）转座因子（一）转座因子 近年来发现微生物的某些近年来发现微生物的某些DNADNA片段作为一个片段作为一个 独立单位可以在染色体上移动，此种移动甚至独立单位可以在染色体上移动，此种移动甚至 发生在不同种细菌之间。这种可移动的发生在不同种细菌之间。这种可移动的DNADNA 片段称之为转座因子。细菌的转座因子有三种片段称之为转座因子。细菌的转座因子有三种 类型：插入序列、转座子以及某些特殊的噬菌类型：插入序列、转座子以及某些特殊的噬菌 体。体。 （二）毒力岛 毒力岛是毒力岛是2020世纪世纪9090年代提出的一个新概念年代提出的一个新概念 。毒力岛是指病原菌的某个或某些毒力基因。毒力岛是指病原菌的某个或某些毒力基因 群，分子结构与功能有别于细菌染色体，但群，分子结构与功能有别于细菌染色体，但 位于细菌染色体之内，因此称之为位于细菌染色体之内，因此称之为“岛岛”。 其生物学意义尚不清楚其生物学意义尚不清楚, ,推测其与细菌的毒力推测其与细菌的毒力 变异有关。变异有关。 第二节 微生物的主要变异 一、形态与结构的变异 在外界环境条件影响下在外界环境条件影响下, ,微生物的形态往微生物的形态往 往会发生变化往会发生变化, ,但这些变异大多是暂时的但这些变异大多是暂时的; ; 如果微生物在环境条件长期变化的影响下如果微生物在环境条件长期变化的影响下, , 其改变的形态也是不易恢复的其改变的形态也是不易恢复的. . （一）形态的变异（一）形态的变异 （二）结构与抗原性变异（二）结构与抗原性变异 （三）菌落的变异（三）菌落的变异 （一）形态的变异 微生物在异常条件下发育时,可以发生形 态的改变.如从炭疽病猪咽喉分离到的炭 疽杆菌,大多呈细长丝状,而不是典型的竹 节状排列.在实验室保存的菌种,若没有及 时的进行移植,其形态变异更为常见. （二）结构与抗原性变异 1 荚膜变异: 禽源性巴氏杆菌 2 芽胞变异: 炭疽杆菌 3 鞭毛变异: 变形杆菌 R菌落S菌落 （三）菌落的变异（三）菌落的变异 二、生化变异 （一）营养缺陷型变异（一）营养缺陷型变异 （二）抗药性变异（二）抗药性变异 （三）抗噬菌体变异（三）抗噬菌体变异 （四）毒力的变异（四）毒力的变异 第三节 微生物变异的机理 一、非遗传性变异 非遗传性变异，即基因无变化，只因外界环非遗传性变异，即基因无变化，只因外界环 境暂时的影响而表现出的变异。例如炭疽杆菌境暂时的影响而表现出的变异。例如炭疽杆菌 菌落正常表现为粗糙型，但有人证明在厌氧的菌落正常表现为粗糙型，但有人证明在厌氧的 条件下，在含有血清或血液的培养基中，菌落条件下，在含有血清或血液的培养基中，菌落 变为光滑型。如果在有氧的条件下，普通琼脂变为光滑型。如果在有氧的条件下，普通琼脂 培养又可见到粗糙型菌落。目前对非遗传变异培养又可见到粗糙型菌落。目前对非遗传变异 的机理还不太清楚。的机理还不太清楚。 二、遗传性变异 由于微生物基因发生了改变，使其相应的由于微生物基因发生了改变，使其相应的 性状也发生改变，并可以遗传下去，这种变性状也发生改变，并可以遗传下去，这种变 异称为遗传性变异。遗传性变异的机理包括异称为遗传性变异。遗传性变异的机理包括 基因突变和基因重组两方面。基因突变和基因重组两方面。 （一）基因突变（一）基因突变 又称为突变。是基因内部结构的细微变化又称为突变。是基因内部结构的细微变化 ，如，如DNADNA分子上排列的碱基对发生的变化。分子上排列的碱基对发生的变化。 基因突变可分为碱基置换和移码两种类型。基因突变可分为碱基置换和移码两种类型。 按其发生的原因，可分为自发突变和诱发突按其发生的原因，可分为自发突变和诱发突 变两类。变两类。 自发突变是指没有人为影响的外界条件下，自发突变是指没有人为影响的外界条件下， 自然发生的突变，突变率一般是自然发生的突变，突变率一般是1010-6 -6 1010-9 -9。 。 诱发突变是指微生物受某些物理、化学因素诱发突变是指微生物受某些物理、化学因素 的作用发生了突变，这种现象称为诱变。的作用发生了突变，这种现象称为诱变。 （二）基因重组（二）基因重组 将一个不同性状个体细胞内的遗传基因转移将一个不同性状个体细胞内的遗传基因转移 到另一个个体细胞内并使之发生遗传变异的过到另一个个体细胞内并使之发生遗传变异的过 程，称为基因重组。细菌的基因重组有转化、程，称为基因重组。细菌的基因重组有转化、 转导、溶原性转换和接合等四种方式。转导、溶原性转换和接合等四种方式。 1、转化 肺炎双球菌荚膜转化 受体细胞直接吸收了来自供体细胞的受体细胞直接吸收了来自供体细胞的DNADNA片段片段, ,并并 把它整合到自己基因组中把它整合到自己基因组中, ,获得了供体细胞部分遗获得了供体细胞部分遗 传性状的现象传性状的现象. . 2、转导 以温和噬菌体为媒介以温和噬菌体为媒介, ,把供体细胞中的把供体细胞中的DNADNA片段携片段携 带到受体细胞中带到受体细胞中, ,而使后者获得了前者部分遗传性而使后者获得了前者部分遗传性 状的现象状的现象. . 3 3、溶原性转换、溶原性转换 因前噬菌体基因插入寄主的基因组而使因前噬菌体基因插入寄主的基因组而使 后者获得一些新性状的现象后者获得一些新性状的现象. . 4 4、接合、接合 供体菌和受体菌细胞经直接接触通过性菌毛供体菌和受体菌细胞经直接接触通过性菌毛 传递传递DNA(DNA(或质粒或质粒) )遗传信息的现象遗传信息的现象 三、基因工程 （一）基因工程的概念（一）基因工程的概念 基因工程，也称遗传工程。基因工程技术是基因工程，也称遗传工程。基因工程技术是 用人工方法将所需某一供体生物的遗传物质用人工方法将所需某一供体生物的遗传物质- - DNADNA分子提出，在离体条件下进行切割后，分子提出，在离体条件下进行切割后， 与作为载体的与作为载体的DNADNA分子连接，然后导入某一分子连接，然后导入某一 受体细胞中，使外来的遗传物质在受体细胞中受体细胞中，使外来的遗传物质在受体细胞中 进行复制和表达，从而产生一种新物种。进行复制和表达，从而产生一种新物种。 （二）基因工程的应用 1医学方面： 人类的遗传性疾病已发现多达人类的遗传性疾病已发现多达30003000多种。多种。 根据推理，可利用基因移植的方法，使健康根据推理，可利用基因移植的方法，使健康 基因代替遗传病人的缺失基因，实现这个理基因代替遗传病人的缺失基因，实现这个理 想尚需想尚需20-2520-25年。年。 2农业方面 可以通过基因工程手段将固氮菌的固氮基可以通过基因工程手段将固氮菌的固氮基 因移植到玉米、小麦等作物根际土壤细菌中因移植到玉米、小麦等作物根际土壤细菌中 去，或直接转移到小麦、玉米等细胞内，使去，或直接转移到小麦、玉米等细胞内，使 之具有固氮能力，这样可以大大减少氮肥供之具有固氮能力，这样可以大大减少氮肥供 应。应。 3环境保护方面 美国美国ChakrabartzChakrabartz等经过多年研究，在等经过多年研究，在19781978 年获得能降解多种烃类的新菌株。年获得能降解多种烃类的新菌株。 4其他 利用基因工程的方法生产基因工程苗、合利用基因工程的方法生产基因工程苗、合 成肽苗等。成肽苗等。 一、理论上的意义 （一）奠定了分子生物学发展的基础（一）奠定了分子生物学发展的基础 细菌结构简单，为单倍体的单细胞生物，一旦细菌结构简单，为单倍体的单细胞生物，一旦 基因突变，即能表达出来。基因突变，即能表达出来。 第 四 节 微生物变异在理论和实践上的意义 细菌生长繁殖迅速。细菌在液体培养基中细菌生长繁殖迅速。细菌在液体培养基中 ，周围环境对其作用直接而均匀。在固体培养，周围环境对其作用直接而均匀。在固体培养 上能形成肉眼可见的具有一定特征的菌落。上能形成肉眼可见的具有一定特征的菌落。 细菌营养要求简单，有利于作营养需要分细菌营养要求简单，有利于作营养需要分 析和代谢途径的研究，容易获得营养缺陷。析和代谢途径的研究，容易获得营养缺陷。 细菌种类较多，其生物性状又很丰富，便细菌种类较多，其生物性状又很丰富，便 于选择。于选择。 （二）定向培育优良菌种（毒种）（二）定向培育优良菌种（毒种） 掌握微生物变异的规律，是育种工作的基础掌握微生物变异的规律，是育种工作的基础 。定向培育是指用某一特定环境长期处理某一。定向培育是指用某一特定环境长期处理某一 微生物群体，同时不断对它们进行移种、传代微生物群体，同时不断对它们进行移种、传代 ，以达到积累和选择理想的新菌株（毒种）的，以达到积累和选择理想的新菌株（毒种）的 目的。目的。 近年来已开始用基因重组的方法，人工创造近年来已开始用基因重组的方法，人工创造 一些新菌种。一些新菌种。 二、实际应用 （一）诊断、防治传染病一）诊断、防治传染病 1 1在诊断方面在诊断方面 细菌发生变异后，其形态、生理各种特性细菌发生变异后，其形态、生理各种特性 都与原来的菌种不同，往往出现一些非典型都与原来的菌种不同，往往出现一些非典型 菌株，诊断传染病时应予注意。菌株，诊断传染病时应予注意。 2 2在预防方面在预防方面 无毒或弱毒菌株除可在自然界寻找到外，亦无毒或弱毒菌株除可在自然界寻找到外，亦 可用人工方法改变有毒菌株进行定向培育。可用人工方法改变有毒菌株进行定向培育。 3 3在治疗方面在治疗方面 由于耐药株的不断出现与增加，故选用抗菌由于耐药株的不断出现与增加，故选用抗菌 药物时，针对性要强，必要时先作药敏试验，药物时，针对性要强，必要时先作药敏试验， 并正确掌握用药时机和剂量，以达到将体内病并正确掌握用药时机和剂量，以达到将体内病 原菌全部消灭掉。原菌全部消灭掉。 （二）菌种的衰退复壮和保藏（二）菌种的衰退复壮和保藏 1. 1.衰退的防止衰退的防止 不论在实验室还是在生产中不论在实验室还是在生产中: : A A 必须严格控必须严格控 制菌种的移种代数，即尽量避免不必要的移种制菌种的移种代数，即尽量避免不必要的移种 和传代，以降低突变几率和传代，以降低突变几率; ; B B 创造良好的培养创造良好的培养 条件条件; ; C C 采用有效的菌种保存方法采