第八章微生物遗传.doc

山西师范大学生命科学学院 微生物学电子教案绪论教学对象生物科学、生物技术、生物工程和科学基础教学方法讲授、多媒体学时分配2学时目的和要求通过本章的课堂教学，引导学生走进微生物世界，了解微生物是什么？微生物学的发展简史？微生物学的发展促进人类社会的进步以及微生物学作为一门独立学科在生命科学发展中的重要作用和地位；展望未来，激发学生的学习兴趣和明确肩负的重任。重点和难点重点：微生物学的发展史；微生物的五大共性教学内容见附页：板书设计 绪 论一、微生物定义及其类群：1. 微生物2. 微生物学3. 微生物类群二、微生物学的发展史三、微生物在自然界社会和科研中的作用四、微生物的五大共性五、微生物学的分支 教学内容：绪 论一、微生物概念 微生物 (microorganisms) 是一群个体微小、结构简单，人的肉眼看不见的，必须借助于光学显微镜或电子显微镜才能看到的微小生物。微生物的种类很多主要包括：细菌、放线菌、支原体、立克次氏体、衣原体、蓝细菌、酵母菌、霉菌、原生动物、病毒、类病毒、朊病毒等。 微生物学 ：微生物学是研究微生物及其生命活动规律的学科。研究的内容涉及微生物的形态结构、分类鉴定、生理生化、生长繁殖、遗传变异、生态分布以及微生物对自然界微生物各类群之间，微生物与其他生物之间的相互作用、相互影响，微生物在农业、工业、环境保护、医疗卫生事业各方向的应用等。微生物的类群 非细胞型生物：病毒、类病毒、朊病毒、拟病毒 细胞型生物 原核生物：细菌、放线菌、蓝细胞、支原体等 真核生物：真菌（霉菌、酵母菌）、藻类等 微生物学的发展 二、微生物学的发展历史（可分为五个时期） 1. 史前期 史前期是指人类还未见到微生物个体尤其是细菌细胞前的一段漫长的历史时期，大约在距今 8000 年前一直到 1676 年间。在史前期，世界各国人民在自已的生产生产实践中都积累了许多利用有益微生物和防治有害微生物的经验。主要体现（ 1 ）酿造业方面 我国人民所创造的制曲酿酒工艺有四大特点：历史悠久、工艺独特、经验丰富、品种多样。以后也逐渐能利用微生物制造醋、酱油。（ 2 ）农业方面 古人提出了肥田要熟粪（堆肥）及瓜豆间作的耕作制度（主要利用根瘤菌固氮）。同时对作物、牧畜、蚕桑的病害及防治也逐步有认识。（ 3 ）医学方面 对疾病的病原及传染问题已有接近正确的推论，对防治疾病有丰富的经验。例如：种“牛痘“就是通过种“人痘”发展来的，用于预防天花。 2. 初创期 从 1676 年 Leeuwenhoek 用自制的单式显微镜观察到细菌的个体起，直至 1861 年近 200 年的时间。在这一时期中，人们对微生物的研究仅停留在形态描述的低级水平上，对它们的生理活动及其与人类实践活动的关系却未加研究，因此微生物学作为一门学科在当时还未形成。主要代表人物是：何兰的 Leeuwenhoek 。 3. 奠基期 从 1861 年巴斯德根据曲颈瓶试验彻底推翻生命的自然发生说并建立胚种学说起，直至 1897 年的一段时间。这个阶段的主要特点是：建立了一系列研究微生物所必要的独特方法；借助于良好的研究方法，开创了寻找病原微生物的“黄金时期”；把微生物的研究从形态描述推进到生理学研究的新水平；微生物学以独立的学科形式开始形成。主要代表人物是法国的 Pasteur 和德国的 Koch ，他们分别被称为微生物学的奠基人和细菌学的奠基人 4. 发展期 1897 年德国人 Buchner 用无细胞酵母菌压榨汁中的 “ 酒化酶 ” 对葡萄糖进行酒精发酵成功，从而开创了微生物生化研究的新时代。在发展期中，微生物学研究有以下几个特点： 进入微生物生化水平的研究； 应用微生物的分支学科更为扩大，出现了抗生素等学科 ； 开始寻找各种有益微生物代谢产物； 普通微生物学开始形成； 各相关学科和技术方法相互渗透，相互促进，加速了微生物学的发展。主要代表人物是美国的 Doudoroff 。 5. 成熟期 从 1953 年 4 月 25 日 在英国的自然杂志上发表关于 DNA 结构的双螺旋模型起，整个生命科学就进入了分子生物学研究的新阶段，同样也是微生物学发展史上成熟期的到来的标志。本时期的特点：微生物学从一门在生命科学中较为孤立的以应用为主的学科，成为一门十分热门的前沿基础学科；在基础学理论的研究方面，逐步进入到分子水平的研究，微生物迅速成为分子生物学研究中的最主要的对象；在应用研究方面，向着更自觉、更有效和可人控制的方向发展。主要代表人物是 Watson and Crick 。 三、（一）微生物的作用 众所共知，当前人类正面临着多种危机，诸如粮食危机、能源匮乏、生态恶化和人口爆炸等。人类进入 21 世纪后，将遇到从利用有限的矿物资源时代过渡到利用无限的生物资源时代而产生的一系列的新问题。由于微生物具有五大特点，使得它们能够在解决人类面临的各种危机中发挥其不可替代的独特作用，现分述如下： 1. 微生物与粮食 粮食生产是全人类生存中至关重要的大事。微生物在提高土壤肥力、改进作物特性（如构建固氮植物）、促进粮食增产、防治粮食作物的病虫害、防止粮食霉腐变质以及把多余粮食转化为糖、单细胞蛋白、各种饮料和调味品等方面，都可大显身手。 2 微生物与能源 当前，化学能源日益枯竭问题正在严重地困扰着世界各国。微生物在能源生产上有其独特的优点：把自然界蕴藏量极其丰富的纤维素转化成乙醇；利用产甲烷菌把自然界蕴藏量最丰富的可再生资源转化成甲烷；利用光合细菌、蓝细菌或厌氧梭菌等微生物生产“清洁能源” - 氢气；通过微生物发酵产气或其代谢产物来提高石油采收率（黄原胶：水溶性胶体多糖，具增粘、稳定、互溶等优良特性，用它作为注水增稠剂，注入油层驱油；也可作为钻井粘滑剂，同时可脱去石油中的石蜡，改善成品的品质）；研制微生物电池使之实用化。 3. 微生物与资源 微生物能将地球上永无枯竭的纤维素等可再生资源转化成各种化工、轻工和制药等工业原料。这些产品除了传统的乙醇、丙醇、丁醇、乙酸、甘油、乳酸、苹果酸等外，还可生产水杨酸、乌头酸、丙烯酸、已二酸、丙烯酸、长链脂肪酸、亚麻酸油和聚羟基丁酸酯（ PHB ），等等。由于发酵工程具有代谢产物种类多、原料来源广、能源消耗低、经济效益高和环境污染少等优点，故必将逐步取代目前需高温、高压、能耗大和“三废”严重的化学工业。另外微生物在金属矿藏资源的开发和利用上也有独特的作用。 4. 微生物与环境保护 在环境保护方面可利用微生物的地方甚多：利用微生物肥料、微生物杀虫剂或农用抗生素来取代会造成环境恶化的各种化学肥料或化学农药；利用微生物生产的 PHB （聚羟基丁酸酯）制造易降解的医用塑料制品以减少环境污染；利用微生物来净化生活污水和有毒工业污水；利用微生物技术来监察环境的污染度，如用艾姆氏法检测环境中的“三致”物质，利用 EMB 培养来检查饮水的肠道病原菌等。 5. 微生物与人类健康 微生物与人类健康有着密切的关系。首先是因为各种传染病构成了人类的主要疾病，而防治这类疾病的主要手段又是各种微生物产生的药物，尤其是抗生素。自从遗传工程开创以来，进一步扩大了微生物代谢产物的范围和品种，使昔日由动物才能产生的胰岛素、干扰素和白细胞介素等高效药物纷纷转向由“工程菌”来生产。与人类生殖、避孕等密切相关的甾体激素类药物也早已从化工生产方式转向微生物生物转化的生产方式。此外，一大批与人类健康、长寿有关的生物制品，如疫苗、类毒素等均是微生物产品。 ( 二 ) 研究微生物学的基本方法 在自然科学中，微生物世界难以被认识的主要障碍是：个体微小、外貌不显、杂居混生、因果难联。在微生物学的创立和发展中，克服这四道难关的主要代表是列文虎克、巴斯德、柯赫等人。由他们所创建的显微镜技术、无菌技术、纯种分离技术和微生物培养技术等四项独特研究方法，为微生物学的创建和发展奠定了基础，而且至今仍有力地推动着现代生物学的研究和生产实践的发展。 1. 显微镜技术 栖居于自然界中的微生物是以肉眼难以分辩地杂居丛生着。在显微镜问世之前，人们是无法目睹这个丰富多彩的微生物世界。光学显微镜的诞生，它将肉眼的分辨率提高到微米级水平，而电子显微镜的出现使人眼分辨达到纳米水平。从此过去视而不见、触而不觉的微生物世界就展现在人们的眼前。第一台显微镜是由荷兰的杨森父子发明的。列文虎克是第一个用显微镜来观察和描述微生物的。以后光学显微镜中相继出现了相差、暗视野和荧光等新附件，加上良好的制片和染色技术等又大大推动着微生物学形态、解剖和分类等研究。 30 年代初电子显微镜技术，以及与之配套的各种新技术和新方面的应用，使微生物学的研究从细胞水平逐渐向亚细菌和分子水平迈进。所以显微镜技术的问世和完善，不仅为揭开微生物世界作出贡献，同是也为揭示微观领域的奥秘提供了强有力的工具。 2. 无菌技术要真正揭开微生物世界的奥秘，就得深入研究，也就是必须创造一个无其他微生物干扰的无菌环境，即我们熟称的无菌技术，无菌技术是在分离、转接及培养纯培养物时防止其被其他微生物污染的技术。现代无菌技术是由法国人阿贝特（ Appert ）在食品保藏中偶然发现的。而对灭菌技术的原理等作出科学解释的是巴斯德，他所进行的举世闻名的曲颈瓶实验，不仅彻底否定了当时十分流行的“生命自然发生学说”，而且为微生物学中的无菌技术的创立和发展奠定了理论和实践基础。 3. 纯种分离技术 纯种分离技术是人类揭开微生物世界奥秘的重要手段。要揭开在自然条件下处于杂居混生状态的某一微生物的特点，以及它们对人类是有益还是有害，就必须采用在无菌技术基础上的纯种分离方法。早期对微生物群体进行单个纯化分离者是李斯特。但真正取得突破的是柯赫发明的培养皿琼脂平板技术。从此它为微生物的纯种分离技术奠定了扎实的基础。直到现在它仍广泛地应用于微生物菌种的筛选、鉴定、育种、计数及各种生物测定等工作中。 4. 纯种培养技术 微生物纯种培养技术在科学实验和生产实践中有着极其重大的理论与实践意义。若为微生物提供一个初级培养的实验方法并不复杂，但要使微生物在大规模生产中良好地生长或累积代谢产物，就得考虑一些最为合理的培养装置和有效的工艺条件，并且还要在整个微生物的发酵过程中严防其他微生物的干扰，即防止杂菌污染。在整个微生物纯种培养技术的发展过程中，大规模液体深层通气搅拌发酵装置，即发酵罐的发明及大规模地普及使用，它为生物工程学开辟了崭新的前景。同时微生物发酵工业也已成为国民经济的重要支柱之一。 综上所叙，微生物学中四项独特的基本研究技术无疑为微生物学的创始、奠基和发展提供了基础。随着微生物在工、农、医及环保等领域中日益广泛地应用，微生物学的研究方法和技术必将日趋完善和发挥更大的作用。 四、微生物的五大共性个体微小，结构简单 微生物的个体极其微小，要测量它们，必须用 um 或 nm 作单位。如一个典型的球菌体积仅为 um 3 ；最近芬兰科学家 E. O .Kajander 等发现了一种能引起尿结石的纳米细菌，其直径最小仅为 50nm ，甚至比最大的病毒更小一些。这种细菌分裂缓慢，三天才分裂一次，是目前所知的最小的具有细胞壁的细菌。迄今为止所知的个体最大的细菌是一个硫细菌，其大小一般在 0.1-0.3mm, 能够清楚的用肉眼看到。它们的结构也是非常简单的，大多数微生物为单细胞，只有少数为简单的多细胞。又如 PSTV 由 359 个核苷酸组成的 RNA ，长度为 50nm ；朊病毒仅蛋白质分子组成。 2. 吸收多，转化快 科学家研究发现微生物吸收和转化物质的能力比动物、植物要高很多倍，如在合适的环境下， Escherichia coli 每小时内可消耗其自重 2000 倍的乳糖。 Candidautilis( 产朊假丝酵母 ) 合成蛋白质的能力比大豆强 100 倍，比食用公牛强 10 万倍，微生物的这个特性为它们的高速生长繁殖和产生大量代谢产物提供了充分的物质基础，从而使微生物有可能更好地发挥“活的化工厂”的作用，人类对微生物的利用主要体现在它们的生物化学转化能力上。 表 1.1 微生物形态、大小和细胞类型 微生物 大小近似值 细胞的特性 病毒 0.010.25 m m 非细胞的 细菌 0.1 10 m m 原核生物 真菌 2 m m1m 真核生物 原生动物 2 1000 m m 真核生物 藻类 1 米 几米 真核生物 3. 生长旺，繁殖快 生物界中，微生物具有惊人的生长繁殖速度，其中二等分裂的细菌尤为突出。人们研究得最透砌的微生物是 Escherichia coli( 大肠杆菌 ) ，其细胞在合适的生长条件下，每分裂一次的时间是 12.5-20.0 分钟。如按 20 分钟分裂一次计，则每小时分裂 3 次， 24 小时可达到 4.722 10 24 个（约 4.722 10 6 Kg ）。 事实上，由于种种客观条件的限制，细菌的指数分裂速度只能维持数小时，而在液体培养基中，细菌细胞的浓度一般仅能达到 10 8 -10 9 个 /ml 。另外 T 2 Phage1 150/ 半小时。 微生物的这一特性在发酵工业上具有重要的实践意义，主要体现在它的生产效率高、发酵周期短上。同时也给生物学基本理论的研究带来极大的优越性：它使科研周期大大缩短、经费减少、效率提高。当然，对于危害人、畜和植物等的病原微生物或使物品发霉的微生物来说，它们的这个特性就会给人类带来极大的麻烦甚至严重的祸害，因而需要认真对待。 4. 适应强、易变异 微生物有极其灵活的适应性，这是高等动植物无法比拟的，诸如抗热性、抗寒性、抗盐性、抗酸性、抗压力等能力。例如：在海洋深处的某些硫细菌可在 250 -300 之间生长；嗜盐细菌可在饱和盐水中正常生长繁殖； Thiobacillus thiooxidans( 氧化硫杆菌 ) 在 PH1-2 酸性环境中生长。 Bacillus.sp.( 未定名 ) 的芽孢在琥珀内蜜蜂肠道中已保存了 2500 万年 -4000 万年。 微生物的个体一般都是单倍体，加之它具有繁殖快、数量多以及与外界环境直接接触等原因，虽然微生物的变异频率仅为 ( 10 -6 -10 -9 ) ，也可在短时间内产生大量变异的后代。在微生物育种中利用变异这一特性可获得高产菌株。如：在 1943 年，利用 Penicillium chrysogenum( 产黄青霉 ) 发酵生产青霉素，每毫升青霉素发酵液中只分泌约 20 单位的青霉素，生产 1 茶匙约需数千英磅。而现在通过微生物遗传育种工作者的不懈努力，使该菌产量变异逐渐累积，加之其他条件的改进，每毫升发酵液中达到 5 万单位，甚至达到 10 万单位，成本大大降低。这在动植物育种工作中是不可思议的。这是对人类有益的变异。 实践中常遇到一些有害变异，在医疗中最常见的致病菌对抗生素所产生的抗药性变异。青霉素 43 年刚问世时，对 Staphylococcus aureusr 最低制菌浓度为 0.02ug/ml, 过了几年，制菌浓度不断提高，有的菌株的耐药性竟比原始菌株提高了 1 万倍。如在 40 年代用青霉素治疗时，即使是严重感染的病人，每天只需 10 万单位，而现在成人需 1 0 万单位，新生儿也不少于万单位。病情严重时，甚至用数千万。同时也说明了“