细菌的遗传和变异

第5章细菌的遗传与变异遗传与变异是所有生物的一起生命特点。

细菌亦是一种生物，其形态结构、生理代谢、致病性、耐药性、抗原性等性状都是由细菌的遗传物质所决定。

遗传（heredity）使细菌的性状维持相对稳固，且代代相传，使其种属得以保留。

另者在必然条件下，假设子代与亲代之间和子代与子代之间的生物学性状显现不同称变异（variation）。

变异可使细菌产生新变种,变种的新特性靠遗传得以巩固，并使物种得以进展与进化。

细菌的变异分为遗传性与非遗传性变异，前者是细菌的基因结构发生了改变，如基因突变或基因转移与重组等，故又称基因型变异；后者是细菌在必然的环境条件阻碍下产生的变异，其基因结构未改变，称为表型变异。

基因型变异样发生于个别的细菌，不受环境因素的阻碍，变异发生后是不可逆的，产生的新性状可稳固的遗传给后代。

相反，表型变异易受到环境因素的阻碍，凡在此环境因素作用下的所有细菌都显现变异，而且当环境中的阻碍因素去除后，变异的性状又可恢复，表型变异不能遗传。

第一节细菌的变异现象一、形态结构的变异细菌的大小和形态在不同的生长时期可不同，生长进程中受外界环境条件的阻碍也可发生变异。

如鼠疫耶尔森菌在陈腐的培育物或含30g/L NaCl的培育基上，形态可从典型的两极浓染的椭圆形小杆菌变成多形态性，如球形、酵母样形、亚铃形等。

又如许多细菌在青霉素、免疫血清、补体和溶菌酶等因素阻碍下，细胞壁合成受阻，成为细胞壁缺点型细菌（细菌L型变异），L型的革兰染色多为阴性，呈球形、长丝状或多形态性，在含血清的高渗低琼脂培育基（含20％血清、5％NaCl、%琼脂）上能缓慢生长，形成中央厚而周围薄的荷包蛋样小菌落。

细菌的一些特殊结构，如荚膜、芽胞、鞭毛等也可发生变异。

肺炎链球菌在机体内或在含有血清的培育基中初分离时可形成荚膜，致病性强，经传代培育后荚膜慢慢消失，致病性也随之减弱。

将有芽胞的炭疽芽胞杆菌在42℃培育10～20d后，可失去形成芽胞的能力，同时毒力也会相应减弱。

第4章细菌的遗传与变异遗传与变异是所有生物的共同生命特征，细菌也不例外。

细菌在一定的环境中生长繁殖，通过DNA的复制，将亲代的各种性状稳定地传给子代，使种属保持原有的性状，这就是细菌的遗传（heredity）。

而变异（variation）是指在细菌繁殖过程中，由于外界环境条件发生变化或细菌的遗传物质本身发生改变，导致细菌的生物学性状发生相应的变化。

变异可使细菌产生新变种，变种的新特性靠遗传得以巩固，并使物种得以发展与进化。

细菌细胞在某一特定时间表现出来的生物学性状称为表型（phenotype），这些性状不仅取决于细菌的基因组（基因型，genotype），还与环境密切相关。

针对环境的变化，细菌某些基因的表达在转录、翻译水平会发生明显的改变，从而使细菌的生物学形状发生了变化，这称为表型变异（phenotypic variation）。

例如鼠疫耶氏菌有毒株含有一个大质粒pYV，是该细菌产生毒力的重要因素，但其表达在环境温度为25℃时被抑制，而37℃低钙条件则诱导其表达。

又如，将有鞭毛的普通变形杆菌点种在普通营养琼脂平板上，细菌呈迁徙生长，若将此菌点种在含0.1％石碳酸的培养基上，细菌产生鞭毛的能力被抑制，只能在点种处形成不向外扩展的单个菌落，此变异是可逆的。

这种变异与基因型突变（genotypic mutation）不同：基因型突变是可以遗传的，不受环境条件改变的影响，而表型变异是可逆的，并随着环境的改变而发生变化。

表型变异不属于突变的范畴。

第一节细菌遗传变异的物质基础－细菌基因组细菌的遗传物质是DNA，遗传信息由DNA构成的特定基因来传递。

细菌的基因组是指由细菌染色体和染色体以外的遗传物质所携带基因的总称。

染色体外的遗传物质包括质粒、转座子和前噬菌体。

（一）细菌染色体细菌的染色体大都为双链DNA分子组成的封闭的环，缺乏组蛋白，外无核膜包围，长度从250µm到35000µm不等，包含580kb至超过4600kb的DNA。

病原生物学Pathogen Biology第三章细菌的遗传和变异概述•遗传（heredity）是指生物子代与亲代之间的性状相同性；•变异（variation）则是指生物子代与亲代之间性状的差异性。

–遗传性变异(基因型变异),是不可逆的，产生的新性状可稳定的遗传给子代–非遗传性变异(表型变异),不能遗传。

•遗传使细菌的种属性状相对稳定,变异可使细菌产生变种和新种。

一、细菌的遗传物质(Genetic materials of bacteria)1.染色体(chromosome)2.质粒(plasmid)3.前噬菌体(prophage)4.转座子(transposon, Tn)真核和原核生物染色体的区别*霍乱弧菌有两条染色体，大的含2961146bp，小的含1072314bp*细菌rRNA编码基因是多拷贝以装备大量核糖体满足细菌生长需求真核和原核生物染色体的区别操纵子（operon）：指包含结构基因、操纵基因以及启动基因等相邻基因组成的DNA片段，其中结构基因的表达受到操纵基因的调控。

主要见于原核生物，其大多数基因表达调控是通过操纵子机制实现的。

第二节细菌遗传变异的物质基础基因组：染色体和染色体外遗传物质质粒转位因子一条环状双螺旋DNA长链,反复卷曲缠绕形成松散的网状结构,外无核膜包裹,仅附着在横隔中介体上或细胞膜上.1. 细菌的染色体(Bacterial chromosome)1.1 多种形式•一条环状双链DNA：大多数（>90%）细菌，大小范围在580kbp～5220kbp之间•两条环状dsDNA：少数细菌（如霍乱弧菌，问号钩端螺旋体，马耳他布鲁菌）•三条环状dsDNA：paracoccusdernitrificans•线性dsDNA：疏螺旋体属（Borrella）伯氏疏螺旋体、迦氏疏螺旋体、埃氏疏螺旋体和radyrhizobiunjaponicum 等1. 细菌的染色体(Bacterial chromosome)1.2 染色体上有耐药基因(drug resistance gene)和致病岛(pathogenicity island)的存在，细菌种内和种间可交换pathogenic island：指菌基因组中编码与细菌毒力相关因子的外源DNA（1～200kb），两侧有重复序列、插入序列或tRNA。

细菌的遗传与变异细菌是微生物界中最简单、最原始的有生命之物。

它们可以通过不同的方式进行繁殖和传播，其中最常见的方式就是分裂繁殖。

在这种过程中，细菌体内的遗传物质会被复制并分配到新生细胞中，从而保证了后代基因的一致性。

但是，细菌的遗传物质并不总是保持不变的，它们也会发生变异，不同的遗传变异会对细菌的生长、繁殖和适应能力产生重要影响。

细菌的遗传基础细菌的遗传信息主要储存在细胞核外的染色体和质粒中。

与动物和植物的遗传物质DNA相似，细菌的DNA也是由基本的碱基单元构成的，包括腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）。

这些碱基组成了一个双螺旋的结构，形成了著名的DNA分子。

然而，与动物和植物的DNA不同的是，细菌的染色体和质粒并没有被包裹在细胞核内，它们可以自由地在细胞质中游动。

此外，一些细菌也具有病毒样的遗传物质，如噬菌体（bacteriophage）和质粒所编码的转座酶等。

细菌的遗传变异在细菌进展的漫长历史中，数以亿计的遗传变异发生了。

这些遗传变异可能来自于突变、水平基因转移、DNA重组等多种机制。

不同的遗传变异会导致细菌表现出不同的特点，如细菌的抗药性、营养代谢能力和环境适应性等。

突变突变是细菌发生遗传变异的最基本机制之一。

突变指的是DNA序列的改变，包括插入、缺失和替代等。

这些变异可能导致突变体表现出与野生型不同的性状，从而具有更高或更低的适应能力。

水平基因转移除了突变之外，细菌还可以通过水平基因转移的方式获得新的基因信息。

这种机制主要包括转化、转导和菌体接触等方式。

在水平基因转移过程中，来自其他种类细菌的遗传信息被导入到目标菌体中，从而产生新的融合基因或者替代基因等。

DNA重组DNA重组是指DNA分子的重组组合，其主要涉及到DNA的切割、重组和连接等过程。

这种机制可以产生新的基因片段、基因组重排和基因组切除等遗传变异模式。

细菌的遗传变异对生态环境的影响细菌的遗传变异对于生态环境的维持和稳定具有重要影响。

第五章细菌的遗传与变异遗传：子代与亲代生物学性状基本相同变异：子代与亲代生物学性状差异第一节细菌的遗传物质基础一、染色体：裸露环状双螺旋DNA1、功能：控制细菌所有性状2、基因：DNA片段，决定细菌遗传性状的功能单位，每个基因含若干碱基对二、质粒：细菌染色体外能自由复制的遗传物质，是一种寄生于细菌细胞内的亚细胞有机体。

含20-30基因1、功能：1）携带遗传物质，控制细菌的某些性状。

例：R质粒，可使细菌产生耐药性；F质粒，编码性菌毛2）可在细菌间转移第二节细菌变异类型及其发生机制一、细菌变异类型1、表型变异：主要由于环境条件发生变化所引起的、可逆的。

获得的新性状不稳定机制：没有基因改变，与环境条件有密切关系。

例：持续乳糖大肠杆菌————→诱导酶→分解乳糖2、基因变异：细菌遗传物质发生改变、不可逆、新性状稳定二、细菌变异机制1、基因突变：是微生物某些遗传物质发生突然而稳定的改变，DNA碱基对的变化经常发生：每分裂102—109，突变一次1）点突变：核苷酸序列的改变仅为一个或几个碱基的置换、插入或丢失，出现的突变只影响到一个或几个基因，引起较少的性状变异2）染色体畸变：涉及大段的DNA核苷酸序列发生改变2、基因的转移与重组1）转化：受菌在环境中直接摄取供菌游离的DNA 片段2）转导：以噬菌体为载体，使受体菌获得供体菌的部分遗传物质。

3）溶原性转换：噬菌体不携带供菌的任何基因，只将其本身的DNA与受染菌基因重组举例：棒状杆菌噬菌体感染白喉杆菌4）接合：供菌和受菌由完整细胞相互直接接触而传递大片段DNA。

通过性菌毛的传递5）原生质体融合：指经处理使两种失去细菌细胞壁后进行融合，使遗传物质交换三、基因的转移与重组总结（比较）方式遗传物质来源接合性菌毛质粒或大片DNA转化直接摄取供体菌的DNA转导溶原性噬菌体供体菌的DNA溶原性转换溶原性噬菌体噬菌体的DNA原生质体融合融合遗传物质交换第三节细菌的遗传变异在医学上的应用一、细菌毒力变异与疾病预防变异：毒力增强或减弱意义：制备减毒活疫苗，预防疾病，如卡介苗二、细菌形态、结构、菌落等的变异与细菌鉴定意义：给细菌的鉴定带来困难三、细菌L型变异与感染性疾病：细菌受菌体外环境因素（如抗生素、溶菌酶、抗体、补体等）影响，阻断了细菌细胞壁主要成分肽聚糖的合成，转变成一种细胞壁缺失的变异型特点：1、仍保持生命力，可导致疾病；2、可过细菌滤器；3、不易着色，革兰阴性；4、高渗固体培养基中缓慢生长菌落；5、“荷包蛋”样、颗粒样；6、对原敏感的药物转为耐药性；7、与男性不育；8、与肿瘤发生有关四、在测定致癌物质方面的应用凡是能诱导细菌基因突变的物质都可能是致癌物质。