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1、第七章第七章 微生物的遗传与变异微生物的遗传与变异1/19/20231一、几个概念一、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。1/19/202322 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。1/19/2023
2、3 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。1/19/202343 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。1/19/202354 4、变异、变异
3、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，亦即遗传型的改变。遗传物质结构改变，亦即遗传型的改变。特点：几率极低特点：几率极低(一般为一般为1010-5-51010-6-6)；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。1/19/202365 5、饰变、饰变 指一种不涉及遗传物质结构改变而只发生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在转录和翻译水平上的表型变化.特点特点:整个群体几乎每个个体都发生同样整个群体几乎每个个体都发生同样的变化的变化;性状变化的幅度小性状变
4、化的幅度小.因其遗传物质不因其遗传物质不变变,因此饰变是不遗传的因此饰变是不遗传的.1/19/20237第一节第一节 微生物遗传的物质基础微生物遗传的物质基础一、基因组和质粒一、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，是由双条环物质基础。核体又称染色体，是由双条环状双螺旋状双螺旋DNADNA长链组成的，含有遗传基因，长链组成的，含有遗传基因，控制着细菌的遗传与变异。控制着细菌的遗传与变异。1/19/20238（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
5、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。1/19/20239 质质粒粒编编码码细细菌菌各各种种重重要要的的生生物物学学性性状状.编编码码性性菌菌毛毛的的质质粒粒称称致致育育质质粒粒或或F F质质粒粒;编编码码细细菌菌各各种种毒毒力力因因子子的的质质粒粒称称毒毒力力质质粒粒或或ViVi质质粒粒;而而细细菌菌
6、对对抗抗菌菌药药物物或或重重金金属属盐盐类类的的抗抗性性则则有有R R质质粒粒所所决决定定.一一种种质质粒粒可可同时具有几种编码功能同时具有几种编码功能.1/19/202310质粒示意图质粒示意图1/19/202311细菌的质粒细菌的质粒1/19/202312二、转座因子和毒力岛二、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
7、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。1/19/202313（二）毒力岛（二）毒力岛 毒毒力力岛岛是是2020世世纪纪9090年年代代提提出出的的一一个个新新概概念念。毒毒力力岛岛是是指指病病原原菌菌的的某某个个或或某某些些毒毒力力基基因因群群，分分子子结结构构与与功功能能有有别别于于细细菌菌染染色色体体，但但位位于于细细菌菌染染色色体体之之内内，因因此此称称之之为为“岛岛”。其其生生物物学学意意义义尚尚不不清清楚楚,推推测测其其与与细细菌菌的的毒毒力力变变异异有关。有关。1/19/202314
8、第二节第二节 微生物的主要变异微生物的主要变异一、形态与结构的变异一、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1/19/202315（一）形态的变异（一）形态的变异 微微生生物物在在异异常常条条件件下下发发育育时时,可可以以发发生生形形态态
9、的的改改变变.如如从从炭炭疽疽病病猪猪咽咽喉喉分分离离到到的的炭炭疽疽杆杆菌菌,大大多多呈呈细细长长丝丝状状,而而不不是是典典型型的的竹竹节节状状排排列列.在在实实验验室室保保存存的的菌菌种种,若若没没有有及及时的进行移植时的进行移植,其形态变异更为常见其形态变异更为常见.1/19/202316（二）结构与抗原性变异（二）结构与抗原性变异1 1 荚膜变异荚膜变异:禽源性巴氏杆菌禽源性巴氏杆菌2 2 芽胞变异芽胞变异:炭疽杆菌炭疽杆菌3 3 鞭毛变异鞭毛变异:变形杆菌变形杆菌1/19/202317R R菌落菌落S S菌落菌落（三）菌落的变异（三）菌落的变异1/19/202318二、生化变异二、生
10、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1/19/202319第三节第三节 微生物变异的机理微生物变异的机理一、非遗传性变异一、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
11、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。1/19/202320二、遗传性变异二、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。1/19/202321（一）基因突变（一）基因突变 又又称称为为突突变变。是是基基因因内内部部结结构构的
12、的细细微微变变化化，如如DNADNA分分子子上上排排列列的的碱碱基基对对发发生生的的变变化化。基基因突变可分为碱基置换和移码两种类型。因突变可分为碱基置换和移码两种类型。1/19/202322 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1010-6-61010-9-9。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。
13、1/19/202323（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。1/19/2023241 1、转化、转化肺炎双球菌荚膜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DNADNADNADNA片段片段片段片段
14、,并并并并把它整合到自己基因组中把它整合到自己基因组中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传性状的现象传性状的现象.1/19/2023252 2、转导、转导以温和噬菌体为媒介以温和噬菌体为媒介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把供体细胞中的把供体细胞中的DNADNADNADNA片段携片段携片段携片段携带到受体细胞中带到受体细胞中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而使后者获得了前者部分遗传性而使后者获
15、得了前者部分遗传性状的现象状的现象状的现象状的现象.1/19/2023263 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后者获得一些新性状的现象后者获得一些新性状的现象.1/19/2023274 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传递传递DNA(DNA(DNA(DNA(或质粒或质粒或质粒或质
16、粒)遗传信息的现象遗传信息的现象遗传信息的现象遗传信息的现象1/19/202328三、基因工程三、基因工程（一）基因工程的概念（一）基因工程的概念 基基因因工工程程，也也称称遗遗传传工工程程。基基因因工工程程技技术术是是用用人人工工方方法法将将所所需需某某一一供供体体生生物物的的遗遗传传物物质质-DNADNA分分子子提提出出，在在离离体体条条件件下下进进行行切切割割后后，与与作作为为载载体体的的DNADNA分分子子连连接接，然然后后导导入入某某一一受受体体细细胞胞中中，使使外外来来的的遗遗传传物物质质在在受受体体细细胞胞中中进行复制和表达，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
17、。1/19/202329（二）基因工程的应用（二）基因工程的应用1 1医学方面：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。1/19/2023302 2农业方面农业方面 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
18、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。1/19/2023313 3环境保护方面环境保护方面 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 4其他其他 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。1/19/202332一、理论上的意义一、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
19、旦细菌结构简单，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。基因突变，即能表达出来。基因突变，即能表达出来。第第 四四 节节 微生物变异在理论和实践上的意义微生物变异在理论和实践上的意义1/19/202333 细细菌菌生生长长繁繁殖殖迅迅速速。细细菌菌在在液液体体培培养养基基中中，周周围围环环境境对对其其作作用用直直接接而而均均匀匀。在在固固体体培培养养上上能形成肉眼可见的具有一定特征的菌落。能形成肉眼可见的具有一定特征的菌落。细细菌菌营营养养要要求求简简单单，有有利利于于作作营营养养
20、需需要要分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。细细菌菌种种类类较较多多，其其生生物物性性状状又又很很丰丰富富，便便于选择。于选择。1/19/202334（二）定向培育优良菌种（毒种）（二）定向培育优良菌种（毒种）掌掌握握微微生生物物变变异异的的规规律律，是是育育种种工工作作的的基基础础。定定向向培培育育是是指指用用某某一一特特定定环环境境长长期期处处理理某某一一微微生生物物群群体体，同同时时不不断断对对它它们们进进行行移移种种、传传代代，以以达达到到积积累累和和选选择择理理想想的的新新菌菌株株（毒毒种种）的的目目的。的。近近年年来来已已开开始始用用基基
21、因因重重组组的的方方法法，人人工工创创造造一些新菌种。一些新菌种。1/19/202335二、实际应用二、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。1/19/2023362 2在预防方面在预防方面 无无毒毒或或弱弱毒毒菌菌株株除除可可在在自自然然界界寻寻找找到到外外，亦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
22、面在治疗方面 由由于于耐耐药药株株的的不不断断出出现现与与增增加加，故故选选用用抗抗菌菌药药物物时时，针针对对性性要要强强，必必要要时时先先作作药药敏敏试试验验，并并正正确确掌掌握握用用药药时时机机和和剂剂量量，以以达达到到将将体体内内病病原菌全部消灭掉。原菌全部消灭掉。1/19/202337（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 不不论论在在实实验验室室还还是是在在生生产产中中:A A 必必须须严严格格控控制制菌菌种种的的移移种种代代数数，即即尽尽量量避避免免不不必必要要的的移移种种和和传传代代，以以降降低低突突变变几几率率;B B 创创造造良良好
23、好的的培培养养条条件件;C C 采采用用有有效效的的菌菌种种保保存存方方法法;D D 利利用用不不同同类型的细胞进行传代接种。类型的细胞进行传代接种。1/19/2023382.2.菌种的复壮菌种的复壮 通通过过纯纯种种分分离离，可可把把退退化化菌菌种种中中的的一一部部分分仍仍保保持持原原来来有有典典型型性性状状的的单单细细胞胞分分离离出出来来，经经过过扩扩大大培培养养，就就可可恢恢复复原原菌菌株株的的典典型型性性状状。对对于于退退化化的的病病原原微微生生物物菌菌株株，可可通通过过接接种种敏敏感的动物以提高菌株的毒性。感的动物以提高菌株的毒性。1/19/2023393.3.菌种的保藏菌种的保藏
24、通通过过菌菌种种选选育育获获得得的的较较为为理理想想的的生生产产菌菌株株后后，如如何何在在生生产产过过程程中中能能比比较较长长时时间间地地保保持持它它的的优优良良性性状状不不衰衰退退、不不死死亡亡、不不被被杂杂菌菌污污染，这就是菌种保藏工作的目的。染，这就是菌种保藏工作的目的。菌种保存的基本原理：菌种保存的基本原理：菌种保存就是人工地创造条件，使微生物菌种保存就是人工地创造条件，使微生物的代谢处于不活动状态，以保持遗传性的稳的代谢处于不活动状态，以保持遗传性的稳定，减少其变异性。定，减少其变异性。1/19/202340 常常见见的的菌菌种种保保藏藏方方法法有有以以下下几几种种，可可根根据据微微生生物物本本身身的的特特点点和和研研究究、教教学学、生生产产工工作的需要选择保藏方法：作的需要选择保藏方法：（1 1）斜面低温保藏法）斜面低温保藏法（2 2）液体石蜡封存法）液体石蜡封存法（3 3）砂土保藏法）砂土保藏法（4 4）冷冻真空干燥保藏法）冷冻真空干燥保藏法1/19/202341