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噬菌体与宿主细菌的作用机制及其在水产养殖的应用

噬菌体感染细菌后产生两种后果,一是噬菌体增殖并裂解细菌,建立溶菌周期;二是噬菌体在细菌内不增殖,其核酸整合于细菌染色体内,并可随细菌分裂而将噬菌体核酸传至子代细菌中,建立溶原状态。噬菌体感染宿主菌后将进行大量增殖并最终裂解细菌,完成其溶菌周期。这种能使细菌裂解的噬菌体称烈性噬菌体。其溶菌过程大致分3个阶段进行,速度快,完成一次溶菌周期只需要20~30min。其作用分为三个阶段。

1吸附阶段。噬菌体吸附于敏感细菌是具有高度特异性的,有尾噬菌体首先借助尾刺和尾丝吸附于细菌细胞的特异受体部位。受体可分布在细胞壁的不同层内或细胞膜上,位于深层的受体可能是通过菌体表面孔隙与噬菌体结合。微球状噬菌体依赖其表面结构与细菌性菌毛侧面吸附;细杆状噬菌体以其顶端吸附于性菌毛的顶端。细菌的受体多由脂多糖或脂蛋白构成,一个细菌可吸附约200个噬菌体。当噬菌体吸附于细菌后,由尾刺或吸附部的顶端分泌溶菌酶类物质,将细菌的胞壁溶一小孔,使其尾髓或吸附顶插入,将衣壳中的核酸通过尾部管腔注入细菌体内,将蛋白质外壳留在菌细胞外。

2增殖阶段。噬菌体核酸注人细菌体内,以其遗传信息转录mRNA,在菌体的核蛋白体上转译噬菌体的结构蛋白和功能蛋白等;同时以噬菌体核酸为模板进行自身核酸的复制;这些材料合成后,在细菌细胞质内按一定程序组装成完整成熟的噬菌体。

3释放阶段。噬菌体在宿主菌内复制达一定数量(20~1000个不等)时,细菌细胞突然被裂解。原因可能是噬菌体大量增殖在细菌体内产生的压力,另一方面时噬菌体合成酶类的溶解作用。细菌的裂解释放出大量成熟的噬菌体,烈(毒)性噬菌体的溶菌周期完成。

由于噬菌体裂解细菌,在液体培养基中可使浑浊的菌液变为澄清;在固体培养基中,在长满细菌的平皿表面可出现无菌的空白区域,称为噬斑(plaque)。不同噬菌体产生的噬斑,其大小、形状、透亮度等性状均不同,对噬菌体的鉴定有意义。每一个噬斑是由一个噬菌体增殖并裂解噬斑内的细菌后形成的。实验时噬菌体是经一定倍数稀释,通过噬斑计数,可测知一定容积中噬菌体的数量,称为噬斑形成单位数(PFU)。

有些噬菌体感染敏感细菌后并不繁殖,而是以其基因组整合于细菌染色体DNA上,成为细菌染色体的一部分,并随着细菌基因组的复制而复制。当细菌分裂时,噬菌体基因组也能随之分配至两个子代细菌基因中,这种状态称溶原状态。感染细菌后引起溶原状态的噬菌体称为溶原性噬菌体或称温和噬菌体。整合在细菌染色体上的噬菌体核酸称为前噬菌体。染色体上带有前噬菌体的细菌称为溶原性细菌。溶原性细菌具有以下特征:

①能正常进行分裂繁殖,并将前噬菌体传至子代菌体中。

②某些细菌转变为溶原细菌后,由于染色体上获得了噬菌体的基因组,可改变细菌的某些生物学性状。如白喉棒状杆菌感染了β-棒状杆菌噬菌体后能产生白喉毒素;溶血性链球菌感染噬菌体后能产生红疹毒素等。

③溶原性细菌对其本身有关的噬菌体具有“免疫性”。溶原性细菌由于带有前菌体,其基因编码一种阻遏蛋白,可阻抑噬菌体大部分基因功能的表达。尽管噬菌体核酸进入细菌体内,但其核酸复制和结构蛋白的合成受到阻抑,噬菌体不能增殖。溶原性细菌受到这种免疫性保护,使细菌免遭烈性噬菌体的裂解,而且这种免疫保护是具有特异性的。

④溶原性细菌可自发地转变为溶菌状态。因少数细菌所携带的前噬菌体可从染色体上脱离、进行如同烈性噬菌体的复制增殖,转入溶菌周期。这种自发终止溶原状态的频率为10-~10-许多理化因子可诱导大部分甚至几乎全部溶原性细菌转入溶菌周期。如用紫外线照射和丝裂霉素C诱导,可使近90%溶原性细菌释放出前噬菌体进行复制。因此,温和噬菌体既有溶原周期,又有溶菌周期,而烈性噬菌体只有裂解周期。

当前,用噬菌体作为生物防治的一项新兴技术措施,具有良好的发展前景。在人医和兽医用于治疗绿脓杆菌感染和动物的沙门氏菌病,取得显著效果。在水产养殖上,国内外从不同的生境分离到的噬菌体,用于控制水产动物疾病取得了大量成功案例和实效。

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