第10章 遗传与变异

第十章

遗传与变异

遗传（heredity）和变异（variation）是生命的三大基本特征之一。

1遗传—生物的亲代特性在子代中重现的现象。各种微生物的性状保持相对稳定，代代相传，子代与亲代表现出相同的性状。

2变异—子代较亲代在性状上的某些改变。在一定条件下，子代与亲代间或子代与子代间的生物学性状出现差异。

3遗传型—基因型，生物体全部基因或遗传因子的总称。4表型—具有一定基因型的个体，在特定环境条件下通过生长发育所表现出来的形态等生物学特征的总和。5遗传性变异和表型变异（e.g.形态，菌落，毒力，酶活性，耐药性等）

一、细菌的变异现象毒力变异无荚膜肺炎球菌有荚膜肺炎球菌牛型结核杆菌BCG（卡介苗）菌落变异：

光滑型菌落变为粗糙型菌落（S-R变异）形态结构的变异

变形杆菌（周身鞭毛）失去鞭毛注入小鼠胆汁、马铃薯、甘油13年230次传代

1％石炭酸

遗传性变异（基因型变异）—微生物的基因型发生改变，可遗传。群体中极少数个体的行为。e.g.细菌的耐药性变异表型饰变（modification）—不同环境下，相同基因型的微生物表现出不同的表型，是暂时的、非遗传性的改变。通常表现为全部个体的行为。(橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳。《晏子春秋·杂下之十》)e.g.变形杆菌的鞭毛有无粘质沙雷氏菌，25℃培养时产生深红色的灵杆菌素。

内因是决定因素，外因是条件。二、细菌遗传和变异的物质基础三个经典实验：1经典转化实验（transformation）2噬菌体的感染实验3植物病毒重建实验证明核酸是遗传变异的物质基础。

1、细菌染色体是单一的环状双链DNA，无组蛋白，无核膜，附着在横隔中介体或细胞膜上，含大量的基因基因：一段有功能的核苷酸序列，控制一定生物学功能

大肠杆菌的基因数有3000～5000个人类的基因数约为大肠杆菌的基因数的1000倍2、质粒（plasmid)

概念：是细菌染色体以外的遗传物质，是环状闭合的双链DNA，经人工培养后可变成开环状或线状。控制某些生物学性状特征：

1、具有独立的自我复制的能力2、控制细菌的某些性状特征3、可自行丢失和人工处理后消除4、可在细菌间转移5、不相容性与相容性种类：

F质粒、R质粒、Col质粒等2、医药方面的细菌质粒（1）F因子（F质粒）100kb致育因子/性因子，E.coli中决定性别的质粒。为严紧型复制质粒，既可存在于染色体外，也可整合入宿主染色体。（2）R因子（R质粒/抗性因子/耐药质粒/传递性抗药质粒）由两个相连的DNA片段组成，决定耐药性及耐药性是否转移。

组成：RTF（抗药转移因子），含转移基因，类似F质粒，有致育性。控制DNA复制和拷贝数的基因r-det\Tn（抗药决定子或抗药基因），大小不固定，有抗药性，可携带多重抗药基因。RTF与r-det可单独存在，自主复制，也可形成一个大的质粒。常导致抗药性在不同菌间蔓延。可用作筛选时的理想标记，也可用作基因载体。R质粒的遗传图CM：氯霉素；AP：氨苄青霉素；SM：链霉素；Su：磺胺；KM：卡那霉素；NM：新霉素（3）col因子(colicinogenicfactor—大肠杆菌素因子（colicin）编码大肠杆菌素，由E.coli分泌的细菌毒素，凡带有col因子的菌株对大肠菌素有免疫作用。可用于肠道内正常菌群的平衡及细菌的分型。（4）Vi质粒（毒力质粒）—编码与细菌致病性有关的毒力因子，如ST、LT质粒等。（5）代谢质粒—编码产生与细菌代谢相关的酶类。又称跳跃基因，位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置的DNA序列，广泛分布于原核和真核细胞中。（三）转座因子（transposableelement）

原核生物的转座因子插入序列(insertionsequence，IS)两端有一段反向重复序列（IR），仅编码转座酶(transposase)转座子(transposon，Tn)含IS序列和其他标志基因（抗性基因）。转座噬菌体（Mu噬菌体，mutatorphage)可随机插入宿主DNA中。TransposaseABCDEFGGFEDCBAIR

IRResistanceGene(s)IR

IRResistanceGene(s)转座作用的遗传学效应①转座引起插入突变②转座产生新的基因③转座产生的染色体畸变④调节基因活动的开关⑤转座引起的生物进化转座因子也是遗传学的有效研究工具。小结：转座因子概念：是基因组能改变自身位置的一段DNA序列，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分子功能：通过位移改变了遗传物质的核苷酸序列，或影响插入点附近基因的表达，或转位因子本身携带一定的基因序列，引起细菌变异分类：插入序列和转座子4、噬菌体基因组噬菌体与宿主菌的关系几个概念：烈性噬菌体温和噬菌体溶原菌前噬菌体溶原转变噬菌体生活周期

烈性噬菌体

吸附穿入增殖成熟裂解温和噬菌体

整合同步复制自发或诱导

（自发几率10-2-10-5）裂解性循环溶源性循环多次循环传代噬菌斑（PFU/mL）噬斑荧光假单胞菌（一）基因突变

细菌遗传物质DNA发生突然而稳定的结构改变，导致细菌性状的遗传性变异

1．小突变（1）碱基置换（2）碱基缺失（3）碱基插入2．大突变（染色体畸变）三、细菌变异的机制基因突变规律随机发生，不定向突变与选择（以耐药突变体为例）结论：细菌基因突变产生耐药性，与抗生素的使用无关实验：影印试验说明：耐药突变株在接触药物之前出现，药物的作用是选择耐药株，淘汰敏感株具有相对稳定性可发生回复突变野生型菌株与突变型菌株

野生型菌株，从自然界分离到的任何微生物在其发生突变前的原始菌株。

突变型菌株，野生型菌株经突变后，性状改变的菌株。正向突变与回复突变正向突变突变型菌株

回复突变

回复突变，野生型菌株经突变成为突变型菌株以后，经再一次突变，有时突变型菌株又恢复为野生型菌株原有的性状，则这次的突变被称为回复突变。

野生型菌株（或野生型菌株的表型）

自发突变与诱发突变自发突变，自然条件下发生的突变。诱发突变，用各种人工因素处理细胞，突变率大大增加，这种突变称为诱变。诱变剂，如紫外线、亚硝酸等。突变率，在生长的微生物群体中，每一细胞的某一性状在每一世代中独立发生突变的机率。一般也可简单地用每单位群体在繁殖一代过程中所形成的突变细胞平均数来表示。变量实验（fluctuationanalysis）SalvadorLuria&MaxDelbrück（1943）

影印平板法常用于营养缺陷型的鉴别、分离。若干细菌某一性状的自发突变率菌名 突变性状 突变率E.coli 抗T1噬菌体 3×10–8E.coli 抗T3噬菌体 1×10–7

E.coli 不发酵乳糖 1×10–10E.coli 抗紫外线 1×10–5Staphylococcusaureus抗青霉素 1×10–7S.aureus 抗链霉素 1×10–9

Salmonellatyphi 抗25g/L链霉素1×10–6

Bacillusmegaterium抗异烟肼 5×10–51、形态突变（1）细胞形态—鞭毛，芽孢，荚膜有无，L型细菌（Pen，溶菌酶）。（2）菌落形态—大小，光滑和粗糙，颜色等，孢子颜色。一般为非遗传型的表型变异，肺炎球菌失去荚膜：S→R变形杆菌：2%琼脂，长鞭毛，薄膜状菌落；6%琼脂或0.1%碳酸形成单个生长的菌落。（三）突变的类型（根据突变体表型来分）2、营养缺陷型（auxotroph）由于基因突变，而丧失合成一种或几种生长因子的能力，必须在培养基中添加相应的营养成分才能正常生长的突变型。（eg.AA,vitamin）野生型（wildtype）：从自然界分离到的任何微