第一章微生物遗传学绪论

遗传（heredity）：是指生物繁殖过程中，亲代与子代在各方面的相似现象。变异（variation）：是指子代个体发生了改变，在某些方面不同于亲代。2023/6/27本文档共63页；当前第1页；编辑于星期三\8点59分遗传生育传染病遗传病易感性微生物2023/6/27本文档共63页；当前第2页；编辑于星期三\8点59分微生物遗传与育种微生物的遗传规律微生物的育种方式2023/6/27本文档共63页；当前第3页；编辑于星期三\8点59分H7N9爆发2023/6/27本文档共63页；当前第4页；编辑于星期三\8点59分PB2PB1HANPNAMPNSPA6个内部片段来源于H9N2RNA病毒-H7N9本文档共63页；当前第5页；编辑于星期三\8点59分在新H7N9甲型禽流感的8个基因中，表面血凝素haemagglutinin蛋白基因来自于H7亚型病毒，神经氨酸酶neuraminidase基因来自H11N9，其余6个内核基因都来自H9N2。也就是说新H7N9甲型禽流感是由这三个病毒的基因重组产生的一个全新的基因。2023/6/27本文档共63页；当前第6页；编辑于星期三\8点59分政府应对2023/6/27本文档共63页；当前第7页；编辑于星期三\8点59分捕捉H7N9的30天上海郊区，金山，本文档共63页；当前第8页；编辑于星期三\8点59分2004年上海市政府一号工程本文档共63页；当前第9页；编辑于星期三\8点59分本文档共63页；当前第10页；编辑于星期三\8点59分H7N9

新H7N9甲型禽流感自4月1日国际卫生组织正式公布以来，截止到4月7日，中国已经有18例确诊。大部分确诊的病例的病情严重，6人已确认死亡。目前尚未发现人与人之间传播，并且确诊的案例彼此并无关联。然而，我们对这个新的病毒的许多方面都不了解，包括它的传播性，致病性和起源，因此，导致了我们在判断这个病毒是否会造成瘟疫时存在不确定性，以及我们的公共健康管理部门应该如何正确的应对。本文档共63页；当前第11页；编辑于星期三\8点59分科学界：一个全新的病毒在新H7N9甲型禽流感的8个基因中，表面血凝素haemagglutinin蛋白基因来自于H7亚型病毒，神经氨酸酶neuraminidase基因来自H11N9，其余6个内核基因都来自H9N2。也就是说新H7N9甲型禽流感是由这三个病毒的基因重组产生的一个全新的基因。中国杭州疾控中心和WHO中国流感中心共采集，分析了4个新H7N9甲型禽流感的基因组，并在GISAID数据库上公布。我们用这4个基因组以及1193个已知的流感各亚型的基因组，做了一个全面的系统生成树和进化分析。本文档共63页；当前第12页；编辑于星期三\8点59分病毒开始变异我们在haemagglutinin全长560个氨基酸中，发现了A/Shanghai/1/2013病毒有9个变异。这说明新H7N9甲型禽流感有很强的变异能力。由于表面血凝素haemagglutinin蛋白是病毒用来吸附感染动物细胞的，它的高变异能力可能导致它传播感染能力和治病能力的变化，这需要引起我们的特别注意。本文档共63页；当前第13页；编辑于星期三\8点59分新H7N9甲型禽流感不是由经典的H7N9进化而来本文档共63页；当前第14页；编辑于星期三\8点59分基因重组的地点可能在江浙一带本文档共63页；当前第15页；编辑于星期三\8点59分本文档共63页；当前第16页；编辑于星期三\8点59分CellHost&Microbe于9月19日在线发表第一次病毒重配事件产生了一个原初的H7N9病毒，它是由具有欧亚起源的禽流感病毒提供了HA和NA基因和中国野鸟携带的H9N2病毒提供内部基因。随后，这种原初的H7N9病毒从野鸟传入家禽中，并与原来在华东地区家禽中流行的H9N2病毒发生第二次重配。这次重配发生在2012年早期，从而导致了家禽中爆发了这次能感染人的多样的新型H7N9病毒。2023/6/27本文档共63页；当前第17页；编辑于星期三\8点59分2023/6/27本文档共63页；当前第18页；编辑于星期三\8点59分国内知名机构中科院微生物所（北京）中科院病毒所（武汉）上海交大山东大学南开大学2023/6/27本文档共63页；当前第19页；编辑于星期三\8点59分杨胜利院士 （中科院上海生物工程研究中心）赵国屏院士 （中科院上海生命科学院）邓子新院士 （上海交通大学）谭华荣 （中科院微生物研究所，中国遗传学会微生物遗传专业委员会主任委员）

2023/6/27本文档共63页；当前第20页；编辑于星期三\8点59分参考教材：现代微生物遗传学陈三凤编，化工出版社2002盛祖嘉，《微生物遗传学》，2007（第三版），科学出版社2023/6/27本文档共63页；当前第21页；编辑于星期三\8点59分大纲第一章绪论(1.5)第二章经典遗传学概论(6)第三章遗传的物质基础(2)第四章细菌遗传学(4)第五章放线菌遗传学(1)第六章真菌的遗传学(4)第七章基因突变与诱变育种(6)第八章转座因子（1.5）第九章代谢控制育种（2）2023/6/27本文档共63页；当前第22页；编辑于星期三\8点59分绪论第一节微生物遗传学的发展简史第二节微生物作为遗传学研究材料的优越性第三节微生物遗传学方法在高等动植物的遗传与育种研究中的应用2023/6/27本文档共63页；当前第23页；编辑于星期三\8点59分第一节微生物遗传学的发展简史1.成为一门独立的学科前2.发展成为一门独立的学科3.分子遗传学的发展2023/6/27本文档共63页；当前第24页；编辑于星期三\8点59分什么是科学库恩的“范式”概念《科学革命的结构》范式是由理论要素、心理要素以及联结这两个要素的本体论和方法论要素组成的。理论要素包括概念、原理、定律、公式、实验技术和设备等；心理要素包括科学家团体从事科学活动的共同心理功能，诸如信念、直觉、审美、灵感、顿悟、价值判断等；本体论、方法论要素起着世界观、思维方式、研究纲领的作用，以此指导科学共同体的工作2023/6/27本文档共63页；当前第25页；编辑于星期三\8点59分1.成为一门独立的学科前微生物学发展的早期，微生物的遗传变异现象已为许多人注意。如巴斯德观察到炭疽杆菌在高温培养后毒性大减而抗原性不变；科赫法则。由于20世纪40年代前遗传学的研究只限于高等动物和植物，对在动物和植物中发现的遗传学规律能否用于微生物持怀疑态度。认为细菌的核是分散的，细菌的变异不同于植物和动物的突变。2023/6/27本文档共63页；当前第26页；编辑于星期三\8点59分法国化学家和生物学家巴斯德是微生物学的伟大创立者。巴斯德（1822-1895）(1)彻底否定了"自然发生"学说(2)免疫学--预防接种(3)证实发酵是由微生物引起的(4)巴斯德消毒法2023/6/27本文档共63页；当前第27页；编辑于星期三\8点59分巴斯德与炭疽病炭疽病，马、牛、羊很快死去，血液里发现了丝状体。巴斯德得到比较纯粹的炭疽病菌。。巴斯德提议，将那些患病的牲口令部杀掉，并烧掉尸体．深埋地下．以制止疾病蔓延。2023/6/27本文档共63页；当前第28页；编辑于星期三\8点59分接种预防巴斯德根据人类种牛痘可预防天花的现象，总结出接种免疫原理：接种什么病菌，就可以防治该病菌所引起的疾病。巴斯德重新回到炭疽病的防治研究上来。他将自己提纯出来的炭疽病菌放在温热的鸡汤里培养，这样可以使病菌的毒性更快地减弱。在最终培养出毒性极弱的疫苗。2023/6/27本文档共63页；当前第29页；编辑于星期三\8点59分Koch证明了炭疽病由炭疽杆菌引起1882，发现结核杆菌1883，首次发表Koch法则。2023/6/27本文档共63页；当前第30页；编辑于星期三\8点59分其他重要研究1928年肺炎双球菌中的转化现象被发现。30年代中酵母菌、脉孢菌是进行系统的遗传学研究的仅有的微生物，研究的内容基本只限于基因重组和定位。总之，40年代以前的微生物遗传学的研究是不系统的、局限的。2023/6/27本文档共63页；当前第31页；编辑于星期三\8点59分40年代前大量的微生物遗传变异现象的观察，及酵母菌和脉孢菌中的经典遗传学研究都为以后的发展打下基础。在高等动物和植物的遗传学研究中也逐渐认识到研究基因的作用机制这一类问题时有必要采用微生物作为研究材料。40年代初期抗生素工业的兴起给微生物遗传学研究以很大的推动力。2023/6/27本文档共63页；当前第32页；编辑于星期三\8点59分2发展成为一门独立的学科40年代主要有5个方面的工作促使微生物遗传学发展成为一门独立的学科。（1）脉孢菌中营养缺陷型的发现（2）细菌的抗性突变的证实（3）细菌基因重组的发现（4）转化因子的化学本质的鉴定（5）噬菌体遗传学研究的开展2023/6/27本文档共63页；当前第33页；编辑于星期三\8点59分（1）脉孢菌中营养缺陷型的发现40年代前已发现X射线能诱发霉菌细胞的突变。研究果蝇基因作用机制的遗传学家比德尔（G.W.Beadle）和生物化学家塔特姆（E.L.Tatum）用X射线处理脉孢菌的分生孢子，得到预期的营养缺陷型。营养缺陷型——因突变而丧失产生某种生物合成酶的能力，并因而成为必须在培养基中添加某种物质才能生长的突变类型。2023/6/27本文档共63页；当前第34页；编辑于星期三\8点59分研究营养缺陷型的重要意义①为生物合成代谢途径的研究提供了有效的手段;lys-②提出了一个基因一种酶的假设；③利用营养缺陷型探索代谢途径的原理在遗传学各个领域中得到广泛应用；④除研究基因的原初功能外，还被应用于研究基因结构和基因突变;⑤应用营养缺陷作为标记,发现了细菌接合。2023/6/27本文档共63页；当前第35页；编辑于星期三\8点59分（2）细菌的抗性突变的证实1943年以前对于细菌的抗性是否来源于基因突变已有许多讨论，但缺乏严密的实验论证。1943年卢里亚（）和物理学家德尔布吕克（M.Delbruck）用严密的实验证实细菌的抗性是基因突变的结果。使人们认识到可能所有的生物都有着基本相同的遗传变异规律。严密的实验方法开始被应用到微生物遗传学领域。抗性突变型——因突变而产生了对某种化学药物或致死物理因子的抗性2023/6/27本文档共63页；当前第36页；编辑于星期三\8点59分抗性突变的争论一种观点认为，突变是通过适应而发生的，即各种抗性是由其环境（指其中所含的抵抗对象）诱发出来的，突变的原因和突变的性状间是相对应的，并认为这就是“定向变异”，也有人称它为“驯化”或“驯养”。另一种看法则认为，基因突变是自发的，且与环境是不相对的。由于其中有自发突变、诱发突变、诱变剂与选择条件等多种因素错综在一起，所以难以探究问题的实质。从1943年起，经过几个严密而巧妙的实验设计，主要攻克了检出在接触抗性因子前已产生的自发突变株的难题，终于解决了这场纷争。2023/6/27本文档共63页；当前第37页；编辑于星期三\8点59分基因突变的自发性和不对应性的证明变量试验涂布试验平板影印培养试验2023/6/27本文档共63页；当前第38页；编辑于星期三\8点59分大肠杆菌稀释培养物10ml10ml(培养前先分成50小管)(在同一个大管中作整体培养)3714435

抗噬菌体菌落数抗噬菌体菌落数变量试验

甲管乙管噬菌体起淘汰原始未突变株和鉴别抗噬菌体突变株的作用。（10mL）（10mL）1943年，S.E.Luria和M.Delbrück根据统计学原理设计。加入噬菌体2023/6/27本文档共63页；当前第39页；编辑于星期三\8点59分（3）细菌基因重组的发现细菌能否通过有性生殖而导致基因重组这一问题早在20年代便曾有人提出并企图用实验解答。可是由于方法的局限而得不到应有的结果。应用细菌的营养缺陷型为材料，在1946-1947年莱德伯格（J.Lederberg）和泰特姆报道了大肠杆菌中的基因重组。2023/6/27本文档共63页；当前第40页；编辑于星期三\8点59分1946年，J.Lederberg的大肠杆菌

杂交试验：材料：大肠杆菌(Escherichiacoli)K12菌株的两个营养缺陷型品系：菌株A—甲硫氨酸缺陷型met-和生物素缺陷型bio-；菌株B—苏氨酸缺陷型thr-和亮氨酸缺陷型leu-。方法：将A、B两菌株混和，在基本培养基(固体)上涂布培养。结果：平板上长出原养型菌落(++++)。2023/6/27本文档共63页；当前第41页；编辑于星期三\8点59分

A品系：met－

bio－

leu＋thr＋

B品系：met＋bio＋leu－thr－

AA+BB

基本培养基

met

＋bio

＋

leu＋

thr＋2023/6/27本文档共63页；当前第42页；编辑于星期三\8点59分使人们更为明确地认识到微生物和高等动植物在遗传规律上的一致性。通过基本相同的方法，以后陆续在霉菌、放线菌等各种生物中发现基因重组，从此遗传学研究遍及任何一种生物。探索基因重组促使在50年代发现了转导，遗传学研究的手段得以扩充。2023/6/27本文档共63页；当前第43页；编辑于星期三\8点59分（4）转化因子的化学本质的鉴定1928年格里菲斯（F.Griffith）在肺炎双球菌中发现转化现象（非致病的R型肺炎球菌可以转变为致病的S型肺炎球菌）后，直到1944年转化因子的本质才被艾弗里(O.T.Avery)所鉴定。这是说明遗传的物质基础是DNA的第一个明确的实验根据。是1953年DNA分子双螺旋模型的提出和分子遗传学发展的前奏。2023/6/27本文档共63页；当前第44页；编辑于星期三\8点59分①加S菌DNA②加S菌DNA及DNA酶以外的酶③加S菌的DNA和DNA酶④加S菌的RNA⑤加S菌的蛋白质⑥加S菌的荚膜多糖活R菌长出S菌只有R菌1944年、和M。McCarty从热死S型S.pneumoniae中提纯了可能作为转化因子的各种成分，并在离体条件下进行了转化试验：只有S型细菌的DNA才能将S.pneumoniae的R型转化为S型。且DNA纯度越高，转化效率也越高。说明S型菌株转移给R型菌株的，是遗传因子。2023/6/27本文档共63页；当前第45页；编辑于星期三\8点59分（5）噬菌体遗传学研究的开展噬菌体是体制最简单的生物。噬菌体遗传学的研究非但把遗传学规律推广到最简单的生物，而且温和噬菌体及转导作用的发现成为微生物遗传学、分子遗传学研究的有效手段。2023/6/27本文档共63页；当前第46页；编辑于星期三\8点59分同时期，遗传学的发展2023/6/27本文档共63页；当前第47页；编辑于星期三\8点59分1.遗传学初创时期(1900-1910)(1).1900年，三位植物学家：狄·弗里斯（DeVrisH.）科伦斯（CorrensC.）冯·切尔迈克（VonTschermakE.）在不同国家用多种植物进行了与孟德尔早期研究相类似的杂交育种试验è获得与孟德尔相似的解释è证实孟尔遗传规律è确认重大意义。

1900年孟德尔遗传规律的重新发现è标志着遗传学的建立和开始发展è孟德尔被公认为现代遗传学的创始人。

1910年起将孟德尔遗传规律è孟德尔定律。2023/6/27本文档共63页；当前第48页；编辑于星期三\8点59分遗传学初创时期(1900-1910)(2).1901-1903年，狄·弗里斯发表“突变学说”，认为，突变是生物进化的因素。(3).1903年，Sutton和Boveri分别提出染色体遗传理论，认为：遗传因子位于细胞核内染色体上（即萨顿-鲍维里假说），从而将孟德尔遗传规律与细胞学研究结合起来(4).1906年，贝特森（英国的遗传学家）首创“遗传学(Genetics)”，并引入了F1代F2代、等位基因、合子等概念(5).1909年，约翰生（丹麦的遗传学家）发表“纯系学说”，并提出“gene”、“基因型（genotype)”、和“表现型(phenotype)”等概念，以代替孟德尔所谓的“遗传因子”(6).1908年，哈德和温伯格分别推导出群体遗传平衡定律2023/6/27本文档共63页；当前第49页；编辑于星期三\8点59分遗传学全面发展时期(1910-1952)

形成了近代遗传学的主要内容与研究领域(1).细胞遗传学/经典遗传学(1910-1940)

1910，摩尔根等：性状连锁遗传规律（对黑腹果蝇的研究）摩尔根等人认识到同一对染色体上的两对等位基因，大都一起分离，即“连锁”；少数则进行交换每两个相互连锁的基因间都有一定的交换值。根据交换值，摩尔根等人创造了染色体作图法，并于1913年画出了历史上第一个果蝇基因位置图。摩尔根是遗传学史上的巨人，一生共写了22本书和大约370篇文章，是第一个获得诺贝尔奖的遗传学家2023/6/27本文档共63页；当前第50页；编辑于星期三\8点59分遗传学全面发展时期(1910-1952)(2).数量遗传学与群体遗传学基础(1920-)

费希尔等：数理统计方法在遗传分析中的应用

1918年，费希尔发表了重要文献“根据孟德尔遗传假设的亲属间相关的研究”，成功运用多基因假设分析资料，首次将数量变异划分为各个分量，开创了数量性状遗传研究的思想方法。

1925年，首次提出了方差分析（ANOVA）方法,为数量遗传学的发展奠定了基础。2023/6/27本文档共63页；当前第51页；编辑于星期三\8点59分遗传学全面发展时期(1910-1952)(3).微生物遗传学及生化遗传学(1940-1953)

1941，Beadle和Tatum等认为：一个基因相当于一个蛋白质，从而提出了“一个基因一个酶”假说（one-gene-one-enzymehypothesis)

1944，阿委瑞：肺炎双球菌转化,证明遗传物质是DNA而不是蛋白质

1952，赫尔歇和蔡斯：噬菌体重组，用同位素32P和35S标记实验证明DNA噬菌体的遗传物质也是DNA而不是蛋白质(4).其它研究方向

1927，穆勒在果蝇、斯塔德勒在玉米中人工诱导基因突变，开始人工诱变的工作，丰富遗传学内容，为育种提供依据

1937，布莱克斯里等：植物多倍体诱导（用秋水仙素）

杂种优势的遗传理论2023/6/27本文档共63页；当前第52页；编辑于星期三\8点59分3.分子遗传学的发展微生物遗传学是在研究对象上区别于经典遗传学的一个分支。分子遗传学是在研究方法上区别于经典遗传学的一个遗传学分支；（基因）40年代中遗传学家就意识到基因有两个基本属性：自体催化和异体催化。自体催化是DNA和染色体复制问题。1953年DNA分子结构的现代模型的提出为这方面的研究开辟了广阔的前景。2023/6/27本文档共63页；当前第53页；编辑于星期三\8点59分异体催化是蛋白质合成问题。通过微生物营养缺陷型的研究提出了一个基因一种酶假设，它首先指出了基因在蛋白质合成中所起的作用。分子遗传学的一个中心课题是遗传密码，而遗传密码是蛋白质合成问题的关键。关于这两个属性的认识也只有当遗传学发展到应用微生物为研究材料后，才有一定的基础，分子遗传学才能发展起来。2023/6/27本文档共63页；当前第54页；编辑于星期三\8点59分微生物遗传学是在经典遗传学基础上发展起来的，又在它的基础上发展成为分子遗传学。2023/6/27本文档共63页；当前第55页；编辑于星期三\8点59分第二节微生物作为遗传学研究材料的优越性1为什么在基因作用的研究中采用微生物为材料2.微生物作为遗传学研究材料的优越性3微生物遗传学方法在高等动植物的遗传和育种研究中的应用2023/6/27本文档共63页；当前第56页；编辑于星期三\8点59分1为什么在基因作用的研究中采用微生物为材料从整个遗传学发展史来看，大约从1900年到1910年这一段时间中的主要成就便是在微生物以外的各种生物中证实了孟德尔规律的普遍性；大约从1910年到30年代中的主要成就是和细胞学相结合，阐明遗传物质的传递规律；从40年代起主要是阐明基因突变机制和基因作用机制，而在这些研究中微生物方面的研究占有重要的地位。2023/6/27本文档共63页；当前第57页；编辑于星期三\8点59分比德尔等在30年代中用果蝇为材料研究基因的作用机制，逐渐认识到采用微生物为材料可能会收到更好的效果。研究果蝇中，发现基因突变有影响翅的、触角的、复眼色素的等，用组织移植法