微生物遺傳學

微生物遺傳學是以病毒、細菌、小型真菌以及單細胞動植物等微生物為研究對象的遺傳學分支學科。微生物有 微生物遺傳學個體小、生活周期短、常能在簡單的合成培養基上迅速繁殖等特點，並且可以在相同條件下處理大量個體，所以是進行遺傳學研究的良好材料。微生物遺傳學在20世紀40～50年代的發展，促進了遺傳學中一些基本理論的闡明；50～60年代推動了分子遺傳學的發展。

基本介紹

• 中文名：微生物遺傳學
• 外文名：microbial genetics

研究背景

分子遺傳學是在微生物遺傳學的基礎上發展起來的一個遺傳學分支。遺傳密碼 、轉錄 、翻譯 、信使核糖核酸（mRNA） 、轉移核糖核酸（tRNA）等都是在微生物中被發現或證實的。

微生物遺傳學

微生物遺傳學推動生產的發展。通過消除阻遏作用而提高最終產物的原理被套用於胺基酸和核苷酸的發酵生產中並取得了顯著的增產效果。重組DNA技術在工業、農業和醫學上的套用前景更難以估量 ，而重組DNA技術也是微生物遺傳學研究的產物。微生物遺傳學研究對於醫療衛生事業也作出了重要的貢獻，在致癌物質的檢測方面尤為突出。

微生物遺傳學是以病毒、細菌、小型真菌以及單細胞動植物等微生物為研究對象的遺傳學分支學科。微生物有個體小、生活周期短、能在簡單的合成培養基上迅速繁殖等特點，並且可以在相同條件下處理大量個體，所以是進行遺傳學研究的良好材料。

發展簡史

30年代中已經開始對酵母菌、脈孢菌和草履蟲的遺傳學研究，不過那時研究的對象限於能進行有性生殖的微生物，研究的課題大多限於基因的分離、連鎖和重組等。開始認識和利用微生物的優越性進行遺傳學研究的是美國遺傳學家G.W.比德爾和生物化學家E.L.塔特姆。他們原來企圖通過果蠅複眼色素遺傳的研究來闡明基因的原初功能，雖然取得了一些進展，但並不理想，於是便改用脈孢菌作為研究材料，另行研究基因在胺基酸等的生物合成中所起的作用。這樣做的原因是：①果蠅複眼色素的分子結構和生物合成途徑比較複雜，要取得大量色素也比較困難；②胺基酸等的分子結構或生物合成都比色素簡單；③脈孢菌便於通過大量培養而取得它的代謝產物；④正像在果蠅的複眼色素的研究中必須獲得不能合成色素的突變型一樣，要研究基因在胺基酸合成中的作用，必須獲得不能合成胺基酸的突變型。要做到這一點，所研究的生物必須本身能合成全部胺基酸，脈孢菌正是這樣一種生物；⑤脈孢菌的基因分離、連鎖、重組等研究已經有一定的基礎；⑥在微生物中利用射線誘發基因突變已有報導。

微生物遺傳學

基礎研究

營養缺陷型

40年代初比德爾和塔特姆用射線處理脈孢菌得到了多種營養缺陷型，這些突變型只有在培養基中添加了它們所不能合成的物質才能生長。研究營養缺陷型的重要意義是：①為生物合成代謝途徑的研究提供了有效的手段；②提出了一個基因一種酶的假設；③利用營養缺陷型探索代謝途徑的原理在遺傳學各個領域中得到廣泛套用；④除研究基因的原初功能外，還被套用於研究基因結構和基因突變，從這些研究所得到的許多原理以後又被套用於人類體細胞的遺傳學研究（見體細胞遺傳學），從而推動了人類遺傳學的發展；⑤套用營養缺陷作為標記,發現了細菌接合。

微生物遺傳學

基因重組

早在30年代就有人提出細菌是否有基因重組的問題，並且試圖進行驗證,但因所用的檢測遺傳重組的形態和糖發酵性狀不很穩定，並且沒有採用排除親本而選擇重組體的方法，所以沒有取得可信的結果。1946年美國微生物遺傳學家J.萊德伯格和塔特姆在大腸桿菌中以營養缺陷型為選擇標記，發現了細菌的基因重組現象。這一發現既說明了生物界遺傳規律的普遍性；又開闢了套用大腸桿菌等為材料的遺傳學研究的廣闊領域。目前大腸桿菌已是遺傳學方面研究得最為詳盡的生物，通過大腸桿菌和它的噬菌體的遺傳學研究又開創了分子遺傳學。大腸桿菌基因重組的發現還導致了大腸桿菌的轉導、真菌的準性生殖和放線菌的基因重組等現象的發現，並為微生物遺傳學理論套用於生產實踐開闢了前景。

化學鑑定

肺炎雙球菌的轉化現象在1928年就已發現，可是轉化因子的化學本質直到1944年才為美國化學家O.T.埃弗里鑑定為DNA。此後DNA的重要意義才逐漸被認識，分子遺傳學的發展才有可能。

藥性突變

細菌的抗藥性來自基因突變還是對環境的適應性變異是個長期爭論不休的問題。1943年原來當醫生的S.盧里亞和由物理學轉向噬菌體遺傳學研究的遺傳學家M.德爾布呂克用波動實驗證明了抗藥性的出現可以在細菌接觸藥物以前發生，表明抗藥性是基因突變的結果。關於細菌的變異在19世紀就已經有許多報導，可是通過嚴密的實驗設計和結果分析而得出關於變異的實質方面的明確結論是從這一實驗開始的。這一工作在方法論方面給微生物遺傳學帶來深遠的影響，它的結論加深了人們對於生物變異規律的普遍性的認識。

微生物遺傳學書籍

遺傳學研究

這方面的研究在20世紀30年代末已由德爾布呂克等系統地開展，40年代進入全盛時期。噬菌體乾重的90%以上由蛋白質和核酸構成，噬菌體感染細菌時只有核酸進入細菌細胞，蛋白質外殼則留在細胞外面，在感染後短短20～30分鐘便有上百個噬菌體被釋放出來。這樣一種簡單的體系很有利於研究遺傳物質的本質。正是噬菌體的遺傳學研究為 DNA是遺傳物質和三聯體是遺傳密碼的基本單位提供了重要的證據，並闡明了基因是一個不容分割的功能單位而不是突變和重組的單位（見互補作用），而且在噬菌體的研究中發現了基因突變的熱點，以後又揭示了基因的重疊性現象。同時噬菌體遺傳學研究也是基因調控概念的實驗根據之一。

研究方法

除了一般的微生物學研究方法以外，在微生物遺傳研究中最突出的方法是突變型的篩選和選擇性培養方法的套用。突變型一方面可作為染色體的標記，另一方面可用來剖析各種生命活動的遺傳控制。為了後一目的，必須獲得特定類型的突變型。在高等動植物中，雖然也有一些篩選特定類型的突變型的例子，但是多數突變型是由於偶然出現而長期積累起來的。微生物遺傳學研究則不同，一般工作常從篩選特定的突變型開始，例如篩選不能合成某一種胺基酸的突變型（營養缺陷型）、對於某一種藥物或噬菌體具有抗性的突變型、在較高溫度中不能進行DNA 複製的突變型、轉化過程中發生遺傳性障礙的突變型、某一特定的酶發生缺陷的突變型以及導致某一種蛋白質的某一功能區發生變化的突變型等。微生物遺傳學的迅速發展和便於取得所需要的突變型有著密切的關係。

特定類型的突變型的篩選之所以能夠成功，主要是套用選擇性培養基的結果。例如把大量對某種藥物敏感的細菌接種在含有該種藥物的培養基上，在這上面能形成菌落的細菌便是發生了抗藥性突變的細菌。這一原理也套用於突變的研究、細菌接合的研究、轉導的研究、基因精細結構分析的研究(見基因定位)和基因調控的研究等。選擇性培養方法的套用大大提高了工作效率，在基因重組的分析中一般需要測定雜交子代中親本組合和重組類型的比率；兩個基因的距離愈近，則發現重組類型所須分析的子代個體愈多。同一基因內部的兩個突變位點的距離必然更近，因此在高等動植物中較難發現它們之間的重組。在微生物中套用選擇性培養方法，可以檢出距離十分接近的兩個突變位點之間的重組，因為特定的選擇條件能淘汰絕大多數非重組個體，而只使為數有限的重組體存活。例如大腸桿菌T4噬菌體的快速溶菌突變型rⅡ能感染寄主細菌大腸桿菌B而形成噬菌斑，但在大腸桿菌K上則不能形成噬菌斑。用大腸桿菌K作為選擇性培養條件,便能檢出兩個十分接近的rⅡ突變位點之間發生重組而出現的野生型噬菌體。由於選擇性培養方法的套用，才有可能在較短時間測定大量的這類突變型，非但提高了工作效率，還從根本上改變了對基因的認識。

學科關係

用遺傳學方法揭示了沙門氏菌(Salmonella)中鞭毛抗原相轉變的分子機制；對於一些致病菌的致病因素進行分析等。

微生物遺傳學的研究一方面要依靠生物化學的知識和方法，另一方面也對生物化學有許多貢獻。而且常用微生物遺傳學方法。

分子遺傳學是在微生物遺傳學的基礎上發展起來的一個遺傳學分支。遺傳密碼、轉錄、翻譯、信使核糖核酸(mRNA)、轉移核糖核酸(tRNA)等都是在微生物中被發現或證實的。

由於不能用人作為實驗材料，人類遺傳學的研究進展很緩慢。60年代以來:①離體培養細胞的集落生長;②合成培養基的套用；③突變型細胞株的建立；④細胞融合。

微生物遺傳學還推動了生產的發展。40年代微生物育種工作僅限於誘變處理。在致癌物質的檢測方面尤為突出（見毒理遺傳學）。

意義

某些微生物的一些生物學特性對於遺傳學中的特殊問題的研究具有重要意義。例如子囊菌中一次減數分裂所產生的四分體分布在一個子囊裡面，這一特性有助於對基因轉變現象的研究。

微生物遺傳學除推進了人們對遺傳規律的認識以外，也推進了對微生物的代謝、生長發育、免疫機制以及致病性等方面的認識。例如通過營養缺陷型和糖發酵缺陷型的研究，闡明了某些微生物的胺基酸、核苷酸等物質的合成途徑以及一些糖的代謝機制等；用不能形成成熟芽孢的突變型進行細菌芽孢形成機制的研究；用遺傳學方法揭示了沙門氏菌中鞭毛抗原相轉變的分子機制；對於一些致病菌的致病因素進行分析等。

微生物遺傳學的研究一方面要依靠生物化學的知識和方法，另一方面也對生物化學有許多貢獻。胺基酸、核苷酸及蛋白質和核酸等大分子的生物合成的研究多採用微生物為材料，而且常用微生物遺傳學方法。

分子遺傳學是在微生物遺傳學的基礎上發展起來的一個遺傳學分支。遺傳密碼、轉錄、翻譯、信使核糖核酸、轉移核糖核酸等都是在微生物中被發現或證實的。

由於不能用人作為實驗材料，人類遺傳學的研究進展很緩慢。20世紀60年代以來，人類遺傳學的飛速發展主要是由於對人的離體培養細胞套用微生物遺傳學研究方法的結果。它的主要環節是：離體培養細胞的集落生長；合成培養基的套用；突變型細胞株的建立；細胞融合。它們也同樣適用於高等動植物的遺傳學研究，並成為體細胞遺傳學的重要研究方法。

微生物遺傳學還推動了生產的發展。20世紀40年代微生物育種工作僅限於誘變處理。隨著微生物遺傳學的開展，雜交、轉導和轉化等技術也套用到育種工作中去。細菌的胺基酸合成代謝中的基因調控機制被闡明以後，通過消除阻遏作用而提高最終產物的原理被套用於胺基酸和核苷酸的發酵生產中，並取得了顯著的增產效果。

重組DNA技術在工業、農業和醫學上的套用前景更難以估量，而重組DNA技術也是微生物遺傳學研究的產物。微生物遺傳學研究對於醫療衛生事業也作出了重要的貢獻，在致癌物質的檢測方面尤為突出。