噬菌體與宿主細(xì)菌的作用機(jī)制及其在水產(chǎn)養(yǎng)殖的應(yīng)用
噬菌體感染細(xì)菌后產(chǎn)生兩種后果,一是噬菌體增殖并裂解細(xì)菌,建立溶菌周期;二是噬菌體在細(xì)菌內(nèi)不增殖,其核酸整合于細(xì)菌染色體內(nèi),并可隨細(xì)菌分裂而將噬菌體核酸傳至子代細(xì)菌中,建立溶原狀態(tài)。噬菌體感染宿主菌后將進(jìn)行大量增殖并最終裂解細(xì)菌,完成其溶菌周期。這種能使細(xì)菌裂解的噬菌體稱烈性噬菌體。其溶菌過程大致分3個(gè)階段進(jìn)行,速度快,完成一次溶菌周期只需要20~30min。其作用分為三個(gè)階段。
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1吸附階段。噬菌體吸附于敏感細(xì)菌是具有高度特異性的,有尾噬菌體首先借助尾刺和尾絲吸附于細(xì)菌細(xì)胞的特異受體部位。受體可分布在細(xì)胞壁的不同層內(nèi)或細(xì)胞膜上,位于深層的受體可能是通過菌體表面孔隙與噬菌體結(jié)合。微球狀噬菌體依賴其表面結(jié)構(gòu)與細(xì)菌性菌毛側(cè)面吸附;細(xì)桿狀噬菌體以其頂端吸附于性菌毛的頂端。細(xì)菌的受體多由脂多糖或脂蛋白構(gòu)成,一個(gè)細(xì)菌可吸附約200個(gè)噬菌體。當(dāng)噬菌體吸附于細(xì)菌后,由尾刺或吸附部的頂端分泌溶菌酶類物質(zhì),將細(xì)菌的胞壁溶一小孔,使其尾髓或吸附頂插入,將衣殼中的核酸通過尾部管腔注入細(xì)菌體內(nèi),將蛋白質(zhì)外殼留在菌細(xì)胞外。
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2增殖階段。噬菌體核酸注人細(xì)菌體內(nèi),以其遺傳信息轉(zhuǎn)錄mRNA,在菌體的核蛋白體上轉(zhuǎn)譯噬菌體的結(jié)構(gòu)蛋白和功能蛋白等;同時(shí)以噬菌體核酸為模板進(jìn)行自身核酸的復(fù)制;這些材料合成后,在細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)內(nèi)按一定程序組裝成完整成熟的噬菌體。
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3釋放階段。噬菌體在宿主菌內(nèi)復(fù)制達(dá)一定數(shù)量(20~1000個(gè)不等)時(shí),細(xì)菌細(xì)胞突然被裂解。原因可能是噬菌體大量增殖在細(xì)菌體內(nèi)產(chǎn)生的壓力,另一方面時(shí)噬菌體合成酶類的溶解作用。細(xì)菌的裂解釋放出大量成熟的噬菌體,烈(毒)性噬菌體的溶菌周期完成。
由于噬菌體裂解細(xì)菌,在液體培養(yǎng)基中可使渾濁的菌液變?yōu)槌吻?;在固體培養(yǎng)基中,在長(zhǎng)滿細(xì)菌的平皿表面可出現(xiàn)無菌的空白區(qū)域,稱為噬斑(plaque)。不同噬菌體產(chǎn)生的噬斑,其大小、形狀、透亮度等性狀均不同,對(duì)噬菌體的鑒定有意義。每一個(gè)噬斑是由一個(gè)噬菌體增殖并裂解噬斑內(nèi)的細(xì)菌后形成的。實(shí)驗(yàn)時(shí)噬菌體是經(jīng)一定倍數(shù)稀釋,通過噬斑計(jì)數(shù),可測(cè)知一定容積中噬菌體的數(shù)量,稱為噬斑形成單位數(shù)(PFU)。
有些噬菌體感染敏感細(xì)菌后并不繁殖,而是以其基因組整合于細(xì)菌染色體DNA上,成為細(xì)菌染色體的一部分,并隨著細(xì)菌基因組的復(fù)制而復(fù)制。當(dāng)細(xì)菌分裂時(shí),噬菌體基因組也能隨之分配至兩個(gè)子代細(xì)菌基因中,這種狀態(tài)稱溶原狀態(tài)。感染細(xì)菌后引起溶原狀態(tài)的噬菌體稱為溶原性噬菌體或稱溫和噬菌體。整合在細(xì)菌染色體上的噬菌體核酸稱為前噬菌體。染色體上帶有前噬菌體的細(xì)菌稱為溶原性細(xì)菌。溶原性細(xì)菌具有以下特征:
①能正常進(jìn)行分裂繁殖,并將前噬菌體傳至子代菌體中。
②某些細(xì)菌轉(zhuǎn)變?yōu)槿茉?xì)菌后,由于染色體上獲得了噬菌體的基因組,可改變細(xì)菌的某些生物學(xué)性狀。如白喉棒狀桿菌感染了β-棒狀桿菌噬菌體后能產(chǎn)生白喉毒素;溶血性鏈球菌感染噬菌體后能產(chǎn)生紅疹毒素等。
③溶原性細(xì)菌對(duì)其本身有關(guān)的噬菌體具有“免疫性”。溶原性細(xì)菌由于帶有前菌體,其基因編碼一種阻遏蛋白,可阻抑噬菌體大部分基因功能的表達(dá)。盡管噬菌體核酸進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi),但其核酸復(fù)制和結(jié)構(gòu)蛋白的合成受到阻抑,噬菌體不能增殖。溶原性細(xì)菌受到這種免疫性保護(hù),使細(xì)菌免遭烈性噬菌體的裂解,而且這種免疫保護(hù)是具有特異性的。
④溶原性細(xì)菌可自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)槿芫鸂顟B(tài)。因少數(shù)細(xì)菌所攜帶的前噬菌體可從染色體上脫離、進(jìn)行如同烈性噬菌體的復(fù)制增殖,轉(zhuǎn)入溶菌周期。這種自發(fā)終止溶原狀態(tài)的頻率為10-~10-許多理化因子可誘導(dǎo)大部分甚至幾乎全部溶原性細(xì)菌轉(zhuǎn)入溶菌周期。如用紫外線照射和絲裂霉素C誘導(dǎo),可使近90%溶原性細(xì)菌釋放出前噬菌體進(jìn)行復(fù)制。因此,溫和噬菌體既有溶原周期,又有溶菌周期,而烈性噬菌體只有裂解周期。
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當(dāng)前,用噬菌體作為生物防治的一項(xiàng)新興技術(shù)措施,具有良好的發(fā)展前景。在人醫(yī)和獸醫(yī)用于治療綠膿桿菌感染和動(dòng)物的沙門氏菌病,取得顯著效果。在水產(chǎn)養(yǎng)殖上,國(guó)內(nèi)外從不同的生境分離到的噬菌體,用于控制水產(chǎn)動(dòng)物疾病取得了大量成功案例和實(shí)效。
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