兽医微生物细菌的遗传变异

1、第一节第一节 细菌常见的变异现象细菌常见的变异现象 形态和结构的变异形态和结构的变异 菌落形态变异菌落形态变异 毒力变异毒力变异 耐药性变异耐药性变异 代谢变异代谢变异 抗原性变异抗原性变异 1 1、形态和结构的变异、形态和结构的变异 常见的有细胞壁缺陷变异常见的有细胞壁缺陷变异 (细菌细菌L型等型等)、荚、荚 膜变异或鞭毛变异等。膜变异或鞭毛变异等。 3-6%食盐食盐 鼠疫杆菌鼠疫杆菌多形态性多形态性(衰残型衰残型) 琼脂培基琼脂培基 一、细菌常见的变异现象一、细菌常见的变异现象 1 1、形态和结构的变异、形态和结构的变异 青霉素、溶菌酶青霉素、溶菌酶 正常形态细菌正常形态细菌 L型变异型变

2、异 抗体或补体抗体或补体 (部分或完全失去胞壁部分或完全失去胞壁) 正常霍乱弧菌霍乱弧菌L型 一、细菌常见的变异现象一、细菌常见的变异现象 形态结构变异 特殊结构的变异特殊结构的变异 42-43 炭疽杆菌炭疽杆菌失去形成芽胞能力失去形成芽胞能力, 毒性毒性 10-20天天 降低降低 变形杆菌（变形杆菌（H） 1%石炭酸石炭酸 （O） 迁徙生长迁徙生长 单个菌落单个菌落鞭毛变异鞭毛变异 一、细菌常见的变异现象一、细菌常见的变异现象 2 2、菌落形态变异、菌落形态变异 菌落分为两种类型，即表面光滑、湿润，菌落分为两种类型，即表面光滑、湿润， 边缘整齐的光滑型（边缘整齐的光滑型（S型）菌落和表面粗糙

3、、型）菌落和表面粗糙、 枯干，边缘不整齐的粗糙型枯干，边缘不整齐的粗糙型(R型型)菌落。在菌落。在 一定条件下，光滑型菌落可变为粗糙型，称一定条件下，光滑型菌落可变为粗糙型，称 为为SR变异。变异。SR变异，经常伴随着变异，经常伴随着S型抗型抗 原的丧失和病原菌毒力由强变弱等性状的改原的丧失和病原菌毒力由强变弱等性状的改 变变 。 一、细菌常见的变异现象一、细菌常见的变异现象 3 3、毒力变异：毒力增强或减弱、毒力变异：毒力增强或减弱 毒力是病原菌特有的一种生物学性状。在毒力是病原菌特有的一种生物学性状。在 自然条件下，不仅不同菌株的毒力有所不同，自然条件下，不仅不同菌株的毒力有所不同， 就是

4、同一菌株在不同条件下也表现出不同的毒就是同一菌株在不同条件下也表现出不同的毒 力。在某种传染病的发病初期，从患病动物体力。在某种传染病的发病初期，从患病动物体 内分离出来的菌株毒力较强，然而在流行末期内分离出来的菌株毒力较强，然而在流行末期 分离到的细菌毒力大为减弱。毒力强的菌株在分离到的细菌毒力大为减弱。毒力强的菌株在 体外连续传代改变培养条件后，毒力往往减弱，体外连续传代改变培养条件后，毒力往往减弱， 而通过易感动物又能便毒力减弱的菌株恢复毒而通过易感动物又能便毒力减弱的菌株恢复毒 力。力。 一、细菌常见的变异现象一、细菌常见的变异现象 4 4、耐药性变异、耐药性变异 是对某种化学药物抗性

5、的变异，如耐药性是对某种化学药物抗性的变异，如耐药性 的产生。的产生。 另外细菌也可产生对致死物理因子抗性的另外细菌也可产生对致死物理因子抗性的 变异，如对变异，如对多种物理因素的抗性增强等，比如多种物理因素的抗性增强等，比如 耐热性增强。耐热性增强。 一、细菌常见的变异现象一、细菌常见的变异现象 5 5、代谢变异、代谢变异 主要引起主要引起营养缺陷型变异营养缺陷型变异，即细菌丧即细菌丧 失合成一种或几种营养成分的能力，无法失合成一种或几种营养成分的能力，无法 在基本培养基上正常生长繁殖的变异类型。在基本培养基上正常生长繁殖的变异类型。 这种突变对研究细菌代谢产物的生物合成这种突变对研究细菌代

6、谢产物的生物合成 途径很有用处。此外，营养型变异菌株可途径很有用处。此外，营养型变异菌株可 作为杂交、转化、转导和原生质体融合等作为杂交、转化、转导和原生质体融合等 研究中的标记菌种。研究中的标记菌种。 一、细菌常见的变异现象一、细菌常见的变异现象 6 6、抗原变异、抗原变异 由于环境条件的影响细菌抗原发生缺失或由于环境条件的影响细菌抗原发生缺失或 增加，增加， 或者或者由于细菌基因突变的影响，而引由于细菌基因突变的影响，而引 起其抗原结构发生改变的变异类型。起其抗原结构发生改变的变异类型。 常见的抗原变异有：常见的抗原变异有： 菌体抗原菌体抗原变异变异 鞭毛抗原鞭毛抗原变异变异 （H-O变异

7、变异） 荚膜抗原荚膜抗原变异变异 一、细菌常见的变异现象一、细菌常见的变异现象 二、诱发细菌变异的方法二、诱发细菌变异的方法 诱发突变是应用人工方法使细菌增诱发突变是应用人工方法使细菌增 殖和复制殖和复制DNA时出现时出现“错误错误”，从而育，从而育 成人类需要的细菌变异品系。成人类需要的细菌变异品系。 （一）物理方法（一）物理方法 包括改变温度及辐射等。包括改变温度及辐射等。 （二）化学方法（二）化学方法 常用各种化学诱变剂。常用各种化学诱变剂。 （三）生物学方法（三）生物学方法 利用各种生物学的方法可诱使微生物发利用各种生物学的方法可诱使微生物发 生变异，使细菌发生毒力等性状的改变，获生变

8、异，使细菌发生毒力等性状的改变，获 得性能良好的菌株。得性能良好的菌株。 常用的诱变方法常用的诱变方法 第二节第二节 细菌遗传的物质基础细菌遗传的物质基础 1 1、 基因组基因组 (genome)(genome) 细菌的基因组位于核体，是遗传的主要物质细菌的基因组位于核体，是遗传的主要物质 基础。核体又称染色体基础。核体又称染色体(chromosome)是由两条是由两条 环状双螺旋环状双螺旋DNA长链组成，含细菌的遗传基因，长链组成，含细菌的遗传基因， 控制细菌的遗传与变异。控制细菌的遗传与变异。细菌染色体细菌染色体DNA以半以半 保留方式进行复制。故子代与亲代细菌的性状相保留方式进行复制。故

9、子代与亲代细菌的性状相 同。倘若在同。倘若在DNA复制中，子代复制中，子代DNA发生改变，发生改变， 便会出现变异。便会出现变异。 2 2、质粒、质粒 (Plasmid)(Plasmid) 质粒是细菌染色体外的遗传物质，多为质粒是细菌染色体外的遗传物质，多为 环状双螺旋环状双螺旋DNA分子。分子。质粒可以自身复制，质粒可以自身复制， 随宿主菌分裂传到子代菌体。在一定条件随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。质粒是自下，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行复制单位，有的需与核质染色体的复制 同步，称为同步，称为严紧型复制严紧型复制。

10、编码细菌各种重。编码细菌各种重 要的生物学性状。要的生物学性状。 1 F质粒：质粒：编码性菌毛的质粒称致育质粒或编码性菌毛的质粒称致育质粒或F 质粒质粒 。 具有具有F质粒的细菌有性菌毛，为质粒的细菌有性菌毛，为雄性细菌雄性细菌； 无无F质粒的细菌无性菌毛，为质粒的细菌无性菌毛，为雌性细菌雌性细菌，该，该 质粒与细菌的有性结合有关。质粒与细菌的有性结合有关。 2 2 毒力质粒：毒力质粒：编码细菌各种毒力因子的质编码细菌各种毒力因子的质 粒统称毒力质粒或粒统称毒力质粒或ViVi质粒质粒。 如致病性大肠杆菌在黏膜上定居及产生毒素如致病性大肠杆菌在黏膜上定居及产生毒素 的能力可由不同质粒编码，其中的

11、能力可由不同质粒编码，其中K K质粒编码质粒编码 对黏膜具有黏附活性的菌毛，对黏膜具有黏附活性的菌毛，STST质粒与质粒与LTLT质质 粒分别编码耐热肠毒素和不耐热肠毒素。细粒分别编码耐热肠毒素和不耐热肠毒素。细 菌对抗菌药物或重金属盐类的抗性则由菌对抗菌药物或重金属盐类的抗性则由R R质质 粒所决定。粒所决定。 一个质粒可同时具有几种编码功能。一个质粒可同时具有几种编码功能。 3 R质粒：质粒：含有细菌对抗菌药物或重金属含有细菌对抗菌药物或重金属 盐类的抗性基因的质粒，称为盐类的抗性基因的质粒，称为R质粒质粒 （resistance plasmid)。 由于由于R因子可通过接合的种、属不同因

12、子可通过接合的种、属不同 的细菌间转移，因此有些痢疾杆菌即使未的细菌间转移，因此有些痢疾杆菌即使未 与药物接触过，但可自耐药的大肠杆菌获与药物接触过，但可自耐药的大肠杆菌获 得得R因子而耐药。因子而耐药。 4 Col质粒：质粒：大肠杆菌素质粒（大肠杆菌素质粒（Col plasmid，或称，或称Col因子）：携带有产生大因子）：携带有产生大 肠杆菌素（肠杆菌素（colicin）酶系基因的质粒，赋）酶系基因的质粒，赋 予大肠杆菌产生大肠杆菌素的能力。予大肠杆菌产生大肠杆菌素的能力。 大肠杆菌素（大肠杆菌素（colicin）是一种由是一种由E.coli 的某的某 些菌株所分泌的细菌素，具有通过抑制复

13、些菌株所分泌的细菌素，具有通过抑制复 制、转录、转译或能量代谢等而专一地杀制、转录、转译或能量代谢等而专一地杀 死其他肠道细菌的功能。死其他肠道细菌的功能。 凡带凡带Col质粒质粒的菌株，由于质粒本身编码一的菌株，由于质粒本身编码一 种免疫蛋白，从而对大肠杆菌素有免疫作种免疫蛋白，从而对大肠杆菌素有免疫作 用，不受其伤害。用，不受其伤害。 质粒可以在细菌间转移，当质粒从一个质粒可以在细菌间转移，当质粒从一个 细菌转移至另一个细菌时，携带的性状也细菌转移至另一个细菌时，携带的性状也 随之转移。质粒的转移不仅可以发生在同随之转移。质粒的转移不仅可以发生在同 种、同属的细菌之间，有的甚至还可以在种、

14、同属的细菌之间，有的甚至还可以在 不同种属的细菌间进行。按其转移的特性不同种属的细菌间进行。按其转移的特性 时将质粒分为二类时将质粒分为二类:接合性质粒与非接合性接合性质粒与非接合性 质粒。质粒。 2、穿梭载体、穿梭载体 是一类特殊的质粒，可在某种是一类特殊的质粒，可在某种 属关系差异较大的微生物中转移，例如在属关系差异较大的微生物中转移，例如在 大肠杆菌与酵母之间。利用它可携带质核大肠杆菌与酵母之间。利用它可携带质核 或真核微生物的外源序列。或真核微生物的外源序列。 3、转位因子、转位因子 转位因子转位因子 (transposable element) 细菌基因细菌基因 组中能改变自身位置的

15、组中能改变自身位置的DNA片段称之为转片段称之为转 座因子。座因子。此种移动可发生在同一染色体上，此种移动可发生在同一染色体上， 也可发生在染色体之间或质粒之间，甚至也可发生在染色体之间或质粒之间，甚至 染色体与质粒之间。染色体与质粒之间。 细菌的转位因子有三种类型细菌的转位因子有三种类型: 插入序列（插入序列（IS，insert sewuence） 转座子转座子(Tn, transposon) Mu噬菌体噬菌体(促变噬菌体促变噬菌体, mutator phage) 4、毒力岛、毒力岛(pathogenicity island，PAI) PAI是指病原菌的某个或某些毒力基因群，是指病原菌的某个

16、或某些毒力基因群， 分子结构与功能有别于细菌染色体，但位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，因此称之为于细菌染色体之内，因此称之为“岛岛”。 这是这是20世纪世纪80年代末德国学者年代末德国学者Hacker等提等提 出的一个新概念。出的一个新概念。 PAI特征：特征： 1、分子量较大，通常为、分子量较大，通常为20100kb。 2、PAI虽然是染色体的虽然是染色体的DNA片段，但其片段，但其 G+Cmol%及密码使用与细菌染色体有明及密码使用与细菌染色体有明 显差异显差异 3、两端往往具有重复序列与插入元件，往、两端往往具有重复序列与插入元件，往 往位于细菌染色体的往位于细

17、菌染色体的tRNA位点内或附近，位点内或附近， 或位于与质粒、噬菌体整合有关的位点处。或位于与质粒、噬菌体整合有关的位点处。 第三节第三节 细菌变异的机制细菌变异的机制 细菌是单细胞生物，以二分裂方式进行细菌是单细胞生物，以二分裂方式进行 无性繁殖，子代只有从一个亲代获得遗传物无性繁殖，子代只有从一个亲代获得遗传物 质。细菌要发生变异，质。细菌要发生变异，一种情况是基因发生一种情况是基因发生 突变，一种情况是两个不同性状细菌的基因突变，一种情况是两个不同性状细菌的基因 可以转移到一起，经过基因间的重组，形成可以转移到一起，经过基因间的重组，形成 新的遗传型个体。新的遗传型个体。 一、基因突变一

18、、基因突变 基因突变简称突变，是变异的一种，基因突变简称突变，是变异的一种，指指 生物细胞遗传物质生物细胞遗传物质DNA分子结构突然发生分子结构突然发生 了稳定的可遗传的变化。了稳定的可遗传的变化。它是生物进化的它是生物进化的 一个重要因素。一个重要因素。 基因突变的种类：基因突变的种类： 细菌与一般生物细胞一样可发生突变，细菌与一般生物细胞一样可发生突变， 其突变也可按发生改变的范围大小，分为其突变也可按发生改变的范围大小，分为 染色体畸变和点突变。染色体畸变和点突变。 1 1、染色体畸变、染色体畸变 染色体畸变（染色体畸变（chromosomal aberration） 是指染色体的一大段

19、发生了变化。是指染色体的一大段发生了变化。 包括染色体结构上的包括染色体结构上的 缺失缺失（delection） 重复重复（duplication） 插入插入（insertion） 易位易位（translocation） 倒置倒置（inversion） 2 2、点突变、点突变 点突变（点突变（point mutation）是指）是指DNA链上链上 一个或少数几个碱基对的改变。一个或少数几个碱基对的改变。 包括包括 碱基对的碱基对的置换置换 （replacement） 因缺失或插入而造成的因缺失或插入而造成的移码移码 (frame shift) 转换（转换（transition） 颠换（颠换（t

20、ransversion） 二、基因转移二、基因转移 供体细菌直接或间接地将部分遗传物质单向供体细菌直接或间接地将部分遗传物质单向 传递给受体细菌，从而导致受体细菌发生传递给受体细菌，从而导致受体细菌发生 基因重组的现象称为基因重组的现象称为基因转移基因转移 （transgenosistransgenosis）。）。 细菌的基因转移和重组的主要形式有细菌的基因转移和重组的主要形式有转化、转化、 转导、接合、原生质体融合和溶原性转换。转导、接合、原生质体融合和溶原性转换。 1 1、转化（、转化（transformationtransformation） 供体菌裂解后游离的供体菌裂解后游离的DNA片

21、段被受体菌直片段被受体菌直 接摄取，使受体菌获得新的遗传性状的过接摄取，使受体菌获得新的遗传性状的过 程称为程称为转化转化。 感受态感受态（competence） 受体菌只有处于感受态时，才能摄取受体菌只有处于感受态时，才能摄取 转化因子。细菌处于感受态是因为其转化因子。细菌处于感受态是因为其 表面有一种吸附表面有一种吸附DNA的受体。的受体。 转化 2 2、转导（、转导（transductiontransduction） 转导是以温和噬菌体为载体，将供转导是以温和噬菌体为载体，将供 体菌的一段体菌的一段DNA转移到受体菌内，使受转移到受体菌内，使受 体菌获得新的性状。体菌获得新的性状。 普遍

22、性转导普遍性转导 局限性转导局限性转导 普遍性转导普遍性转导（general transduction） 供体菌供体菌DNADNA的任何片段都有同等的机会被的任何片段都有同等的机会被 装入噬菌体外壳内装入噬菌体外壳内, ,继而进入受体菌继而进入受体菌, ,故称故称 普遍性转导。普遍性转导。 噬菌体噬菌体 普遍性转导模式图普遍性转导模式图 普遍性转导普遍性转导 普遍性转导普遍性转导 完全转导（完全转导（complete transduction） 外源性外源性DNA片段与受体菌的染色体整片段与受体菌的染色体整 合，并随染色体而传代，称完全转导。合，并随染色体而传代，称完全转导。 流产转导（流产转

23、导（abortive transduction） 外源性外源性DNA片段不能重组到受体菌染片段不能重组到受体菌染 色体上，由于不能自身复制，随着细菌分色体上，由于不能自身复制，随着细菌分 裂供体裂供体DNA只能沿着单个菌体传递下去，只能沿着单个菌体传递下去， 称为流产转导。称为流产转导。 局限性转导局限性转导（restricted transduction） 局限性转导或特异性转导，由温和局限性转导或特异性转导，由温和 噬菌体介导，所转导的只限于前噬噬菌体介导，所转导的只限于前噬 菌体两旁的供体菌染色体的基因。菌体两旁的供体菌染色体的基因。 如如噬菌体进入大肠埃希菌。噬菌体进入大肠埃希菌。 局

24、限性转导局限性转导 gal bio galbio galbio gal bio bio gal 3 3、接合（、接合（conjugationconjugation） 接合是两个完整的细菌细胞通过性菌接合是两个完整的细菌细胞通过性菌 毛直接连接沟通，将质粒毛直接连接沟通，将质粒DNA从供体菌从供体菌 转移给受体菌的过程。转移给受体菌的过程。 接合性质粒接合性质粒：能通过接合方式转移的能通过接合方式转移的 质粒称为接合性质粒质粒称为接合性质粒，主要包括，主要包括F质粒质粒 和和R质粒质粒。 E. coli strains undergoing conjugation (TEM x27,700) F

25、质粒的接合质粒的接合 F+F-F+F- F+F+F+F+ Donor Recipient 4 4、原生质体融合、原生质体融合 是指以人工方法去除两个不同菌株细胞的细是指以人工方法去除两个不同菌株细胞的细 胞壁使其成为原生质体，试原生质体发生胞壁使其成为原生质体，试原生质体发生 融合，形成双亲本菌株优良形状、稳定遗融合，形成双亲本菌株优良形状、稳定遗 传的融合子（传的融合子（fusant），这一过程称为），这一过程称为原原 生质体融合生质体融合（protoplast fusion）。）。 5 5、溶原性转换、溶原性转换 是指温和性噬菌体感染宿主后，噬菌体基因是指温和性噬菌体感染宿主后，噬菌体基因

26、 组与细菌的基因组整合，成为溶原性细菌，组与细菌的基因组整合，成为溶原性细菌， 从而获得噬菌体编码的某些形状，但此细从而获得噬菌体编码的某些形状，但此细 菌失去了前噬菌体，则其获得的这些形状菌失去了前噬菌体，则其获得的这些形状 也随之消失，称为也随之消失，称为溶原性转换溶原性转换（lysogenic conversion）。）。 第四节第四节 细菌遗传变异研究的实际意义细菌遗传变异研究的实际意义 1 1、理论意义：、理论意义： 用细菌进行的一系列遗传学实验，不仅揭示用细菌进行的一系列遗传学实验，不仅揭示 了细菌本身许多遗传变异的规律，而且推动了细菌本身许多遗传变异的规律，而且推动 整个分子遗传

27、学的迅速发展。在微生物学领整个分子遗传学的迅速发展。在微生物学领 域内，细菌遗传变异的研究也有助于对其他域内，细菌遗传变异的研究也有助于对其他 有关问题的了解和发展，例如帮助了解微生有关问题的了解和发展，例如帮助了解微生 物的起源和进化，微生物结构与功能的关系，物的起源和进化，微生物结构与功能的关系， 原核生物性状的调节控制，以及推动微生物原核生物性状的调节控制，以及推动微生物 分类学的深入发展。分类学的深入发展。 2 2、实践意义、实践意义 在实践方面，细菌遗传变异的研究在以下若干在实践方面，细菌遗传变异的研究在以下若干 方面也具有重大的实用意义。方面也具有重大的实用意义。 1 1 疾病诊断

28、疾病诊断 在临床细菌学检查工作中，要作出正确的诊断，在临床细菌学检查工作中，要作出正确的诊断， 不但要熟悉细菌的典型特性，还要了解细菌不但要熟悉细菌的典型特性，还要了解细菌 的变异规律。的变异规律。 2 2 疾病预防疾病预防 菌苗接种是使机体建立特异性免疫，预防传染菌苗接种是使机体建立特异性免疫，预防传染 性疾病的有效措施，弱毒菌苗株都是病原菌性疾病的有效措施，弱毒菌苗株都是病原菌 的减毒变异株，有较好的免疫效果。的减毒变异株，有较好的免疫效果。 3 3 疾病治疗疾病治疗 在治疗细菌疾病用药时，应选择敏感的抗菌在治疗细菌疾病用药时，应选择敏感的抗菌 药物，并应防止耐药菌株的扩散。药物，并应防止

29、耐药菌株的扩散。 4 基因工程基因工程 基因工程是用人工方法将所需要的某一供体基因工程是用人工方法将所需要的某一供体 生物的生物的DNADNA大分子提取出来，在离体的条件下大分子提取出来，在离体的条件下 用适当的工具酶切割，把它与作为载体的用适当的工具酶切割，把它与作为载体的DNADNA 分子连接起来，然后与载体一起导入某一易分子连接起来，然后与载体一起导入某一易 生长、繁殖的受体细胞中，让外源遗传物质生长、繁殖的受体细胞中，让外源遗传物质 在其中在其中“安家落户安家落户”，进行正常的复制和表，进行正常的复制和表 达，从而获得新的产物。达，从而获得新的产物。 第一节第一节 细菌常见的变异现象细

30、菌常见的变异现象 形态和结构的变异形态和结构的变异 菌落形态变异菌落形态变异 毒力变异毒力变异 耐药性变异耐药性变异 代谢变异代谢变异 抗原性变异抗原性变异 形态结构变异 特殊结构的变异特殊结构的变异 42-43 炭疽杆菌炭疽杆菌失去形成芽胞能力失去形成芽胞能力, 毒性毒性 10-20天天 降低降低 变形杆菌（变形杆菌（H） 1%石炭酸石炭酸 （O） 迁徙生长迁徙生长 单个菌落单个菌落鞭毛变异鞭毛变异 一、细菌常见的变异现象一、细菌常见的变异现象 PAI特征：特征： 1、分子量较大，通常为、分子量较大，通常为20100kb。 2、PAI虽然是染色体的虽然是染色体的DNA片段，但其片段，但其 G+Cmol%及密码使用与细菌染色体有明及密码使用与细菌染色体有明 显差异显差异 3、两端往往具有重复序列与插入元件，往、两端往往具有重复序列与插入元件，往 往位于细菌染色体的往位于细菌染色体的tRNA位点内或附近，位点内或附近， 或位于与质粒、噬菌体整合有关的位点处。或位于与质粒、噬菌体整合有关的位点处。 一、基因突变一、基因突变 基因突变简称突变，是变异的一种，基因突变简称突变，是变异的一种，指指 生物细胞遗传物质生物细胞遗传物质DNA分子结构突然发生分子结构突然发生 了稳定的可遗传的变化。了稳定的可遗传的变化。它是生物进化的它是生物进化的 一个重要因素。一个重要因素。