细菌遗传学
遗 传与变异 变异: 基因突变与基因
转移
细菌的遗传和变异
• 遗传（heredity）
– 遗传使细菌的性状保持相对稳定，且代代相 传，使其种属得以保存。
• 变异（variation）
– 在一定条件下，子代和亲代之间以及子代和 子代之间的差异称为变异。
细菌的变异现象
• • • • • • • 形态、结构变异（如：孢子、荚膜、鞭毛） 毒力变异 耐药性变异 代谢变异（营养缺陷、糖发酵类型、生化反应） 抗原性变异 菌落变异 温度敏感性变异
自发还是诱变的证明
三、影印培养法
1951年J&E Lederberg 发明影印培养法法 (Replica plating) 直接证明了突变的自发 性：细菌的抗药性发生在加入药物以前， 而药物的作用只是把突变型筛选出来。
影印培养法可以分离出纯种的突变株，它在微生 物遗传的理论和育种研究中都有广泛的应用
突变的分子基础(自学)
• 诱变剂的作用 • 自发突变的机制 • 错配修复与增变基因(mutator gene):dam mutH mutL mutS uvrD • 突变的热点
突变类型的筛选 基因突变是通过其表型效应而被发现的， 通常突变在群体中占极少数，因此需要 用一些特别的方法来区分突变型与野生 型菌。前述的影印培养法、EMB批示平 板法。 筛选过程：野生型菌 诱变剂处理 突变型 浓缩突变型分离 突变型鉴定
基因突变的类型
1、点突变、多点突变 2、按表型：形态突变，生化突变(营养缺陷型、糖发酵能 力、抗性突变型、对药物的依赖)，致死性突变(条件致 死性：Ts), 毒力改变以及抗原性突变 3.按突变所引起的遗传信息意义是否改变：错义 (missense)、同义(samesence)和无义(nonsense)突变 4.按遗传物质结构的改变：碱基置换(substituion)、碱基插 入(insertion)、碱基缺失(deletion)和移码(frame shift)
突变类型的筛选
• 突变型的鉴定：有正选择(抗性突变)和负 选择两种(营养缺陷型) 1、生长谱法： 2、梯度培养皿法
梯度培养皿法
底层：不含抗生素
上层：含抗生素
细菌生长情况
第二部分、基因转移
人类能感知的自然界两性现象是生命 得以一代一代传递下去的普遍规律。 细菌是否存在两性现象？也即不同性 状的细菌间是否能通过遗传物质的交换 而产生新的性状的后代，并且新的性状 能具有遗传特征。
Luria & Delbruck
自发还是诱变的证明
二、 涂 布 试 验
Newcombe涂布实验结果
未涂布的 5 3 4 8 2 6 总计 28 涂布的 198 14 16 13 4 112 353
涂布试验于1949年 由H. Newcombe 设计。 其原理与波动试验相同。 如果细菌抗性是诱发的，加入phage前重新 涂布无非使细菌所处的位置发生了变化， 但如果是自发产生的，则可使重新涂布 的培养皿中长出多得多的抗性菌落。
• 失去LPS的特异性多糖重复单位
细菌遗传学-基因突变与基因转移
起步较晚：主要是细菌遗传学的研究要以群体为 研究对象，而多细胞的动植物的遗传学却能以 个体为研究对象。 细菌作为遗传学研究的优点：细菌是单倍体，遗 传物质的改变即可导致表型的改变，并且繁殖 快速，而真核生物是二倍体，遗传物质的改变 却不一定导致表型的改变。 发展迅速： 细菌遗传学是是分子生物学的重要基础，是基因 工程的奠基石
E.Coli K12品系
A品系：met－ bio－ thi＋ leu＋ thr＋ B品系：met＋ bio＋ thi－ leu－ thr－
基本培养基
基本培养基
met ＋ bio ＋ thi＋ leu＋ thr＋
conjugation
混合培养菌的平板上约每107个亲本细胞中 出现一个原养型菌落
质疑：
二、基因转移
除基因发生突变外，还有细菌间的基因转移也可使细菌 的遗传物质和表型发生变化 • 在细菌中遗传物质有三种转移的形式: 接合（conjugation）： DNA从细胞到细胞直接转移 转化（ transformation ）：细胞从周围介质中吸收裸露 的DNA 转导（transduction）：以噬菌体为媒介，将供体菌的 部分DNA转移到受体菌的现象。 。
回复突变
以前所述基因突变均为所编码蛋白质功能的丧失或功能 的变化属于正向突变(forward mutation). 但自然界也大 量存在突变型重新获得野生表型的回复过程，称为回 复突变(reverse or back mutation)。如：His- His+ 回复突变一个重要的应用是作为诱变剂和致癌剂的检测 手段 Ames试验： His-鼠伤寒沙门菌
实验推理：如果细菌的抗性是由phage引起的 (adaptation),则分装于小管中的样品将出现大致 相等数目的抗性细菌，但如果抗性突变是自发 的，则各小管中样品中所含突变的细菌数应与 发生突变的早晚有关。 实验结果：各小管所涂平板抗性菌落数相差极大， 说明抗性不是phage诱导出来的，而是在接触 到phage之前，在某一次细胞分裂过程中随机 地自发产生的。
突变类型的筛选
• 突变型的浓缩 1、青霉素浓缩法 2、差别杀菌法 3、饥饿法：某些营养缺陷型菌株在一些培养 条件下会死亡，但当细胞中发生另一营养缺陷 突变时，反而使细菌能存活下来。如：E.coli Thy-菌在无Thy的基本培养基中培变型的分离 1、逐个分离法 2、夹层培养法： 3、限量补给法：基本培养基加0.1%的 LB琼脂平板 4、噬菌体突变型分离
• 补充培养基：在基本培养基中有针对性地加上 某一种或几种其自身不能合成的成分，以满足 相应营养缺陷型生长的培养基。 • 营养缺陷型表示：所要求的营养物的头三个字 母表示，如bio-，对应的野生型以bio+表示 • 营养缺陷型菌(auxotroph):不能在基本培养基上 生长，而只能在营养培养基生长的菌株。该类 型菌多是与生化合成反应有关的基因发生了变 异，使正常的代谢过程受到阻碍。该类型菌在 工业上有很大的应用价值。如Met-Vel - E.coli 生产Thr
几个基本概念
• 基本培养基(minimal medium)：只含有少量无 机盐(如：Na+ K + Mg + + NH4 + )，痕量营养元 素(如：B1)和一种碳源(如：葡萄糖、甘油)。 凡能满足某一菌种野生型和原养型菌株营养要 求的最低成分的组合培养基。 • 营养培养基(Nutrient medium)： 又称LB(Luria broth) or YT培养基,含酵母提取物、蛋白胨 氯 化钠。又称完全培养基 • 原养型菌(prototroph):能在基本培养基生长的菌 株 • 野生型菌(wildtype):指某一微生物在发生营养 要求突变以前的原始菌
变异
• 遗传性变异（基因型变异）
– 细菌的基因结构发生了改变，如基因突变或 重组，不可逆，可遗传给后代。
• 非遗传性变异（表型变异）
– 环境改变导致，基因结构未发生变异，可逆， 不可遗传。
形态结构变异
• 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)
• 细菌对某种抗菌药物有敏感变成耐药的变异 称为耐药性变异。 • 金黄色葡萄球菌耐青霉素的菌株已从1946年 的14%上升至目前的80%。 • 有些细菌还表现为同时耐受多种抗菌药物， 即多重耐药性，甚至产生药物依赖性。 • 含链霉素培基 痢疾杆菌─────→依链株(耐药菌株) 长期培养
菌落变异
• 在陈旧培养基中长期培养 光滑型菌落 ─────→ 粗糙型菌落 S 或在有免疫力的人体内 R
（在动物细胞中，从周围介质中吸收任何裸露DNA都称为转染。在
酵母和植物细胞中导入裸露的DNA可以称为转染或转化)
• 三种转移形式的共同特点是： （1）单方向转移； （2）产生部分二倍体（partial diploid）； （ 3 ）基因只有整合到环状染色体上才 能稳定地遗传。
细菌的接合
• 一、E.coli 接合的发现 1946年莱德伯格(Lederberg, J.) 和塔特姆 (Tatum) 发现细菌的接合（conjugation）。 细菌接合是指通过细胞的直接接触，遗 传信息从供体单向转移到受体的过程。
细菌的基因符号和命名
例
Strain No. Sex genotype phenotype CSH1 F- trpB-lacZ-thi-strA Trp-Lac-B1-Strr CSH 13 F′lacZ proA+ B+ ;△(lac pro)supE thi
一、基因突变
突变的自发性
从孟德尔遗传学到分子现代遗传学的建以都是以 变异的研究为基础的。无论是基因结构的确定、 基因定位，还是基因表达和调控，以及育种等 实际应用都是如此。细菌的遗传学则主要以其 中的突变体为实验材料进行研究。 突变是指遗传物质突然发生了稳定的可遗传的变 化.包括数量与结构的改变。 以细菌进行遗传学试验之困惑：细菌基因的突变 是自发还是被诱导。三个经典实验
conjugation
• 两个亲本菌的作用是否等同 • Hayes的发现：氯霉素处理A菌再与B菌 杂交，结果没有影响，但用氯霉素处理B 菌后再与A菌杂交，结果却没有重组子 • 细菌接合中的遗传物质的转移是单向过 程，其中A作为遗传物质的供体，而重组 发生在作为受体菌的B中
• ⑴是否为回复突变：任意2个基因突变的回复 突变率均小于10-12 • ⑵细菌的杂交实验获得的重组子可能是转化的 结果。 • (3)培养基中含有某些代谢产物，混合后这些产 物互相补充了对方的不足而得以在基本培养基 上生长。
1950年Davis 的实验证明A、 B菌遗传物质 的交换需要细 菌的直接接触