项目六 微生物的遗传变异 王波 主要内容： 一、细菌遗传的物质基础 二、基因突变 三、基因的转移与重组 四、研究细菌遗传变异的实际意义

第一节 细菌遗传的物质基础 1、 基因组 (genome) 第一节 细菌遗传的物质基础 1、 基因组 (genome) 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(chromosome)是由两 条环状双螺旋DNA长链组成，含细菌的遗传基因， 控制细菌的遗传与变异。细菌染色体DNA以半保 留方式进行复制。故子代写亲代细菌的性状相同。 倘若在DNA复制中，子代DNA发生改变，便会出现 变异。

2、质粒 (Plasmid) 质粒是细菌染色体外的遗传物质，多为 环状双螺旋DNA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，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，称为严紧型复制。 编码细菌各种重要的生物学性状。

№1 F质粒：编码性菌毛的质粒称致育质粒或F 质粒 ，具有F质粒的细菌有性菌毛，为雄性细菌； 无F质粒的细菌无性菌毛，为雌性细菌，该质粒与 细菌的有性结合有关。 №2 毒力质粒：编码细菌各种毒力因子的质粒统 称毒力质粒或Vi质粒 。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K质粒编码对黏膜具有黏附活性的菌毛，ST质粒 与LT质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R质粒所 决定。一个质粒可同时具有几种编码功能。

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，携带的性状也随 之转移。质粒的转移不仅可以发生花同种、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。按其转移的特性时将质粒分为二 类:接合性质粒与非接合性质粒。

2、穿梭载体 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。 3、转座因子 (transposable element) 近年来发 现微生物的某些DNA片段作为一个独立单位可 在染色体上移动，此种移动甚至可发生在不同 种细胞之间。这种可移动的DNA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 （IS）、转座子(Tn)以及某些特殊的噬菌体，例 如Mu是促变噬菌体的简称。

4、毒力岛(pathogenicity island，PAI) 是20世纪90年代提出的一个新概念。PAI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，但位于细菌染色体之内， 因此称之为“岛”。PAI虽然是染色体的DNA片 段，但两端往往具有重复序列与插入元件，其 G+Cmol%及密码使用与细菌染色体有明显差异， 分子量较大，多为30～40kb，也有达100kb者。

遗传变异的物质基础 转化实验 三个经典实验证明核 噬菌体感染实验 酸是微生物遗传物质 植物病毒的重建实验 遗传物质在微生物细胞内的存在部位和方式

转化实验（2）细菌培养实验 体外培养 ＳⅢ〖杀死〗 无菌落生长 体外培养 ＲⅡ〖活菌〗 ＲⅡ菌落 ＳⅢ〖杀死〗 ＲⅡ菌落多 ＳⅢ菌落少 体外混合培养 ＳⅢ〖杀死〗 ＲⅡ〖活菌〗

+ 转化实验（3）S型菌无细胞抽提液试验 + + S菌DNA S菌落 S菌Pr R菌落 S菌多糖 活R菌 S菌无细胞抽提液 大量R菌落 Cncnc-micro

植物病毒的重建实验 同时又可把它们重新组合成具感染性的病毒. 植物病毒蛋白质和RNA可以人为地分开, Cncnc-micro

植物病毒的重建实验 TMV HRV （TMV变种） HRV TMV 原始株 拆开 重建 感染 分离纯化

遗传物质在微生物细胞内的存在部位和方式 核染色体 遗传物 质类型 真核生物细胞器 核外染色体 原核生物质粒

基因是一段DNA 染色体 基因Ⅱ 基因Ⅰ DNA

第二节 基因突变 一、基因突变的概念及种类： 1、概念： 第二节 基因突变 一、基因突变的概念及种类： 1、概念： 基因突变简称突变，是变异的一种，指 生物细胞遗传物质DNA分子结构突然发生了稳定的 可遗传的变化。它是生物进化的一个重要因素。 2、种类： 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，分为染色体 畸变和点突变。

二、细菌常见的变异现象 1、菌落形态变异 分为两种类型，即菌落表面光滑、湿润， 边缘整齐的光滑型（S型）和菌落表面粗糙、枯干， 边缘不整齐的粗糙型(R型)。在一定条件下，光滑型 菌落可变为粗糙型，称为S→R变异。S→R变异，经 常伴随着S型抗原的丧失和病原菌毒力由强变弱等性 状的改变 。

2、形态结构变异 常见的有细胞壁缺陷变异 (细菌 L型等)、荚膜变异或鞭毛变异等。 3-6%食盐 鼠疫杆菌────→多形态性(衰残型)。          琼脂培基

形态结构变异 青霉素、溶菌酶 正常形态细菌──────→ L型变异 抗体或补体 (部分或完全失去胞壁) 正常霍乱弧菌 霍乱弧菌L型

形态结构变异 特殊结构的变异 42-43℃ 炭疽杆菌────→失去形成芽胞能力, 毒性 10-20天 降低   42-43℃ 炭疽杆菌────→失去形成芽胞能力, 毒性 10-20天 降低          变形杆菌（H） 1%石炭酸 （O） 迁徙生长 单个菌落 鞭毛变异

3、抗原变异 由于细菌基因突变而引起其抗原结构 发生改变的变异类型。 常见的抗原变异有： 菌体抗原变异 鞭毛抗原变异 （H-O变异） 荚膜抗原变异

4、抗性变异 是对某种化学药物或致死物理因子抗性 的变异。如耐药性的产生、对多种物理因素的抗 性增强等。 5、营养型变异 主要引起营养缺陷型变异，即细菌丧失 合成一种或几种生长因子的能力，无法 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 质体融合等研究中的标记菌种。

6、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。 在自然条件下，不仅不同菌株的毒力有所不同，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力。

细菌毒力减弱的方法 （1）长时间在体外连续培养传代 病原菌在 体外人工培养基上连续多次传代后，毒力一般 都能逐渐减弱乃至失毒力。 （1）长时间在体外连续培养传代 病原菌在 体外人工培养基上连续多次传代后，毒力一般 都能逐渐减弱乃至失毒力。 （2）在高于最适生长温度条件下培养 例如 炭疽I型和Ⅱ号疫苗，均是将炭疽杆菌强毒株在 42～43℃培养传代育成。

（3）在含有特殊化学物质的培养基中培养 如广为采用的结核病卡介苗 (BCG)，系将牛型 结核杆菌在含有胆汁的马铃薯培养基上每15天 传1代，持续传代13年后育成。 （4）在特殊气体条件下培养 如无荚膜炭疽 芽孢苗是半强毒菌株在含50%动物血清的培养基 上，在50%CO2的条件下选育的。

（5）通过非易感动物 如猪丹毒弱毒苗 (GC42 )系将强致病菌和株通过豚鼠370代后， 又通过鸡42代选育而成。 （6）通过基因工程的方法 去除毒力基因或 用点突变的方法使毒力基因失活，可获得无毒 力菌株或弱毒菌株。但对多基因调控的毒力因 子较难奏效。

细菌毒力增强的方法 在自然条件下，回归易感动物是增强 细菌毒力的最佳方法。易感动物既可是本动物， 也可是实验动物。特别是易感实验动物，已广泛 用于增强细菌的毒力，如多杀性巴氏杆菌通过小 鼠，猪丹毒杆菌通过鸽子等。

三、诱发细菌变异的方法 诱发突变是应用人工方法使细菌增殖 和复制DNA时出现 “错误”， 从而育成人类需 要的细菌变异品系。如下介绍常用的诱变方法 及其致突变的机制。

（一） 物理方法 包括温度及各种射线 。 1、温度：温度诱发基因突变的机制似乎是 专一对GC碱基对的作用。包括使C脱氨基转换为 尿嘧啶 (U)，在复制中造成GG → AT转换;以及引 起G-脱氧核糖键的移动，从而在DNA复制过程中 出现包括两个G的碱基对，在再一次复制中造成 GG →CG颠换。

2、辐射：辐射的诱变作用一般认为有直接 作用和间接作用两个方面。前者是指辐射直接 作用于染色体，包括引起DNA骨架断裂所造成的 染色体畸变和引起复制差错。 间接作用是使染色体以外的细胞物质 发生变化，再由这些物质作用于染色体引起突 变;它包括碱基类似物的形成及其突变诱发作用， 和电离辐射引起过氧化氢和游离基的产生以及 它们诱发突变。

（二）化学方法 常用的化学诱变剂有5溴脱氧尿苷 （ UBr ）、5-氟脱氧尿苷、2-氨基嘌呤、8-氮鸟 嘌呤、亚硝酸、羟胺、烷化剂（B丙酸内酯和芥子 气等）、亚硝基胍、丫啶橙染料 (丫啶黄、丫啶 橙、原黄素等)、一系列烷化剂和丫啶类结合的化 合物、溴化乙锭等。它们的作用机制复杂而各有 差异，总的说来主要有以下几方面。

1.取代碱基参入DNA，从而使DNA的某些碱 基对发生置换。例如UBr是T的结构类似物，它通 常以酮式出现，能代替T与A形成氢键而配对。 2. 使碱基发生化学变构，从而引起DNA的 某些碱基对发生置换。例如亚硝酸对碱基有氧 化脱氨基作用，可以便C成为U与A配对，或A成 为次黄嘌呤(H)与C配对，从而引起DNA的某些碱 基对发生置换突变。

3.插入DNA相邻的碱基之间，引起移码突变。 在邻近的两个嘌呤碱基之间插入丫啶染料分子， 可引起DNA复制时碱基增添或缺失的错误，造成 密码子的移码，出现基因突变。

（三）生物学方法 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 得性能良好的菌株。 1、增强毒力 连续通过易感动物，可使病 原菌毒力增强。有的细菌与其他微生物共生， 或被温和噬菌体感染，也可增强毒力。例如产 气荚膜梭菌与八叠球菌共生时毒力增强;肉毒梭 菌当被温和噬菌体感染时，方产生毒素。

2、减弱毒力 病原菌毒力自发减弱的现象， 常见于传染病流行末期所分得的病原菌株。人 工减弱病原微生物的毒力通常使用病原菌通过 非易感动物、鸡胚等方法。如将禽霍乱强毒菌 株通过琢鼠190代后，再经鸡胚传40代，育成禽 霍乱弱毒菌株。无论自然变异弱毒株或人工培 育的变异弱毒株，均由于DNA上核甘酸碱基顺序 的改变的结果。

第三节 基因的转移与重组 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质， 在某种情况下，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，形成新的遗传型 个体。细菌的基因转移和重组的主要形式有转化、 转导、接合、原生质体融合和转染。

转化 转化因子（transforming principle ） 感受态（competence） 在转化过程中，转化的DNA片段称为转化因子 ，分 子量小于107，最多不超过10~20个基因。 感受态（competence） 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表面有一种吸附DNA的受体.

转化 转化因子吸附在受体菌表面受体上，然后再被 摄入 。 解链，一链进入受体菌，另一链为进入提供能 量。 重组。 DNA复制重组菌繁殖后，获得新的性状的细菌 称为转化菌的突变株。

转化

接合（conjugation） 接合是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。 接合性质粒：能通过接合方式转移的 质粒称为接合性质粒，F质粒、R质粒、Col质粒 和毒力质粒。

E. coli strains undergoing conjugation (TEM x27,700)

接合 Donor F+ F- Recipient

接合 R质粒的接合 日本首先分离到抗多种药物的宋内志贺菌多重 耐药株，多重耐药性很难用基因突变解释。 健康人中大肠埃希菌30%~50%有R质粒，而致病 性大肠埃希菌90%有R质粒。 R质粒与耐药性有关，尤其与多重耐药性有关 。耐药质粒从一个细菌转移到另一个细菌中。

接合 R质粒 耐药传递因子（resistance transfer factor,RTF）与F质粒 相似，编码性菌毛的产生和通过接合转移 耐药（r）决定子 r-dir能编码对抗菌药物的耐药性，可由几个转 座子连接相邻排列，如Tn9带有氯霉素耐药基 因，Tn4带有氨苄青霉素、磺胺、链霉素的耐 药基因，Tn5带有卡那霉素的耐药基因。

转导（transduction） 转导是以转导噬菌体为载体，将供 体菌的一段DNA转移到受体菌内， 使受体菌获得新的性状。 普遍性转导（generalized transduction） 局限性转导（restricted transduction）

普遍性转导 前噬菌体从溶原菌染色体上脱离，进行 增殖，在裂解期的后期，噬菌体的DNA已大量复制 ，在噬菌体DNA装入外壳蛋白组成新的噬菌体时， 在105～107次装配中会发生一次装配错误，误将细 菌的DNA片段装入噬菌体的头部，成为一个转导噬 菌体。转导噬菌体能以正常方式感染另一宿主菌， 并将其头部的染色体注入受体菌内。因被包装的 DNA可以是供体菌染色体上的任何部分，故称为普 遍性转导。 部

普遍性转导

普遍性转导 完全转导 外源性DNA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 流产转导

局限性转导 局限性转导或特异性转导， 所 转导的只限于供体菌染色体上特定的基 因。如λ噬菌体进入大肠埃希菌。

局限性转导 gal bio

第四节 细菌遗传变异研究的实际意义 1、理论意义：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， 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。

2、实践意义：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。 №1 疾病诊断 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， 还要了解细菌的变异规律。 №2 疾病预防 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 株都是病原菌的减毒变异株，有较好的免疫效 果。

№3 疾病治疗 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。 №4 疾病诊断

№5 基因工程 基因工程是用人工方法将所需要 的某一供体生物的DNA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DNA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 质在其中“安家落户”，进行正常的复制 和表达，从而获得新的产物。

它的主要操作步骤如下: (1)目的基因分离; (2)目的基因与载体DNA的体外重组，形成一个完整 的有复制能力的嵌合体; (3)重组载体导人受体细胞，通常用转化的方法，导 入能容纳外源载体的受体细菌。 (4)复制与表达;重组载体在受体细胞内必须自主复制 而获得扩增，以表达目的基因特有的遗传性状或产 物，使之成为 “工程菌”。应用这一技术可使细菌 表达出需要的性状或产物。