面向21世纪课程教材 Textbook Series for 21st Century 微生物学 沈萍主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS
前 言 我们正面临者一个新的徽生物学时代的到来。当第一个完整的细基因组(也是第一个独立 的生命体)测序完成,并以“看得见”的核苷酸顺序和丰富而神秘的基因组内涵出现在人们面前时, 这个新时代就已经开始。我们将在基因组水平上进一步,甚至重新认识我们熟悉而又陌生的徽生 面对微生物学发暖的新形式以及整个生命科学的迅猛发展,作为一本基础微生物学教材,如问 处理好基础性、系统性和先进性之间的关系,以适重的篇幅写出具有现代化的基础微生物学教材, 将微生物的精华介绍给学生们,是我们写这本教材的主要宗旨。为此,我们在编写过程中贯穿了如 下几点指导思想和安排: 【.突出一个“新”字,使学生处于学科发展前沿,拉近学生与现代科学发展的距离。这里所指 的“新”,首先是对教材的核心部分,即:基本知识、基本理论和基本技能赋予新的内容,以现代化的 跟光进行审视和更新。使其与现代生命科学的发展息息相通,这是教材的主体。其次是以适当的 方式和简明的形式让基础内容与学科发展前沿相接,使学生知道本学科当前发展的趋势、研究的热 点以及争论的问要靴发学生的学习热情和求知欲。同时,明确只有在新的起点或者克处在知识的 前沿才能谈得上开拓、创新。 2.注重启发性、培养学生的创新和开拓精神。在重要内容的编排和取舍上,注意授“鱼“和 “渔“的关系,对一些重要的具有启发性的发现、发明以不同的字体在适当的位置突出地显现出来, 使其具有反向和多向思维的启示,让学生的知识学活,不因循守旧,敢于创新。此外,对每章后的 “思考题”,精心安排,力求少而精,尽量做到使学生能触类旁通,举一反三,活跃思维。 3,内容的取舍和编排上突出重点,尽量酬去陈旧的内容和实例。与传统的编写方式相比,除了 进一步注重章节之间的有机衔接,结构的合理性外,本书更注重突出微生物的独特性和微生物学对 生命科学的贡献及其与分子生物学的相互游透,因此,在章节安排上除了将研究微生物特有的技术 方法和形态观察单列一章外,还增加了“徽生物基因表达的调控”、“微生物和遗传工程”两章。将本 应属于微生物学范畴的分子生物学和遗传工程的有关内容,有机地渗透进微生物学中来,正确地反 映微生物学在其发展中所起的巨大作用及与其他学科之间相互促进的关系。 微生物的极其多样性是微生物又一突出的生物学特性,并与其资源的开发利用、人类生存的环 境等密切相关,是21世纪的重要话题,因此,本书中在阑述了系统发育和分类的基础上,将“微生物 的多样性”单列一章,突出其重要性。 微生物学是一门应用性很强的学科,微生物学的实际应用是微生物学基础理论知识的实践,同 时还涉及到生产的特殊设备和有关学科知识,因此,在学生了解和掌握了微生物的基本生命活动规 律后,在金书的最后一章介绍“徽生物工业和产品”,加强学生理论联系实际,综合应用知识的能力, 了解微生物的应用范围、问题和前景。从而获得较完整的微生物学基本理论知识和实践能力,并得
,2 前言 到启示。 4.为了使本书编写的内容和形式既具中国特色又与国际最新数材接轨,我们参阅了大量的 中、外教材和文献,其中武汉大学、复旦大学合编的《微生物学)(第一、二版)以及周德庆教授编著的 (徽生物学教程》是本书编著参考的重要国内敦材。国外教材参阅了由国际著名微生物学家 M T Madigan,M J Pelczar,Jr.、L M Prescott等编著的最新教材,其中仅1999年出版的就有六本。 并通过国际互联网获取微生物学发展的最新资科,使本书内容尽量新颖 5,为了使本书内容形象生动,具有很强的可读性、启发性、活用性.尽可能引用新额、形象的照 片和图片:每章后都写有小结和思考题;书后有主要的参考书。常用微生物名称和名词的索引将方 便读者查阅和使用。 全书共分十五章,分别由武汉大学、北京大学、复且大学、南开大学、山东大学的十多位长期从 事微生物教学和科研、具有丰富教学实践经验的老师合作编写而成。本书初稿完成后承蒙中国科 学院院士、华中农业大学陈华癸教授,教育部生物学教学指导委员会委员、南开大学生命科学学院 院长耿运琪教授对书稿进行了评审,提出了宝费意见。同时陈华癸院士为此书写了序言。在本书 的完成过程中得到了许多兄弟院校的大力支持,特别是对编写大纲提出过许多宝费的意见和建议, 尤其是下列学校和老师:苏文金(厦门大学)黄秀梨(北京师范大学)、吕玲(中山大学)、邓小晨 (四川大学),薮兆麟(西北大学)、周群英(同济大学)、华中师范大学微生物学教学组、阙振荣(河北 大学)、陈声明(浙江大学),裘娟萍(浙江工业大学)、黄君红(洪江师范学院)等。武汉大学微生物学 教研室的陈淑损、范秀容、陶天申、李广武、毛绍五位教授和其他老师、实验室的全体博士和硕士 研究生,以及海外校友,他们从本书大纲的制定一直到完成,都给予了热情地帮助、关心和支持。书 中许多照片和图表系参考主要参考书目进行重绘,特别是(Brok'sBiology of Microrganisms)(M T Madigan et al)、(Microbiology)(L M Prescott et al)和(Microbiology(M]Pelczar,jr.tal)等书 中的精美照片和简明图表,由武汉大学生命科学学院陈宝联同志绘制全部插图。陈向东、唐兵二位 老师除认真完成自己承担的编写任务外,还对本书的完稿做了许多具体细致的工作。在此,一并表 示深深的谢意。最后,我们对国家教育部理科生物学教学指导委员会和武汉大学各级领导对本书 在编写和出版过程中给予的支持、关照和指导,高等教育出版社的吴雪梅、孙素青和邓捷等同志为 本书的出版付出的辛勤劳动.在本书出版之标也向他们表示诚壁的谢意1 本书的编写在许多方面是一次改草的尝试,由于作者水平和能力有限,会有不当或错漏之处, 请广大师生、同行和读者多批评指正。谢谢! 沈萍 1999.10
序 《微生物学》是由武汉大学、北京大学、复旦大学、南开大学 山东大学五所综合大学的教师合作编写而成的一本基础微生物 学教材。本书包括了微生物学的基本理论和基本知识,并着重 阐述了微生物学范畴的分子生物学和遗传工程的有关内容,同 时也侧重了微生物的多样性及其应用,与当今微生物学的发展 相适应。 编写者们自身的教学和科研实践认真努力,使本教材内容 丰富,结构合理,较好地处理了基础性、系统性和先进性之间的 关系,也加强了理论与实际的联系。对于生命科学有关专业的 学生和教师是一本颜具特色的优秀教材,对于从事微生物学及 其相关的科技人员则是一本好参考书。 7东华承 一九九九年十一月
目 录 4944444444441) 第一章绪 论 一、微生物和你 ,(影) 四、20世纪的微生物学 f7 三生招要限K瑞生的7的 微生物科学 .(2) 五、21世纪微生物学展望 .(10 小结. 4(11 发居4. .(2) 思考颗 第二章微生物的纯培养和显微技术 第一节微生物的分离和纯培养.(12) 一、显微镜的种类及原理 .(21 一、无菌技术.(12》 二、显微观察样品的制备.(25) 、用固体培养基分离纯培养 .(13) 第三节显微镜下的微生物 .27) 三、用液体培养基分离纯培养. ·(15》 一、细菌和古生菌.(27) 四、单细抱(单跑子)分离 .(16) 二、真茵.(33) 五、选择培养分离 444.(17) 三、藻类 (34) 六、二元培养物. .(18) 四、原生动物 (35) 七、微生物的保藏技术.(19) 小结 (37) 第二节显微镜和显微技术. (20) 思考题 (37) 第三章 微生物细胞的结构与功能 第一节原核微生物 (38 二、鞭毛与纤毛 (6) 一、细胞壁 .(38) 三、细胞质膜. (66) 二、细胞壁以内的构造—原生 四、细胞核, .(67) 侦述4”(47】 五、细胞质和细胞器 44444 (68 三、细胞壁以外的构造.(57) 小结 .(73) 第二节真核微生物.(61) 思考题 (3列 一、细胞壁. .(63)
.2 第四章微生物的营养 第一节微生物的营养要求 (75) 第三节营养物质进入细胞 (90) 一、微生物细胞的化学组成. ,75 一、打广散, (90) 营养物质及其生理功能 (76 促进扩散 (91) 三、微生物的营养类型 (81) 一、主动远端 (921 第二节培养基. 四、膜泡运输 (94) 配制培养基的原则 +4(82} 小结. (95) 二、培养基的类型及应用.(86) 思考题.(95) 第五章微生物的代谢 第一节代谢概论 (96 第四节微生物代谢的调节 .(123 第二节微生物产能代谢 (98) 海活性调节。 =4,123】 牛切气化 (98) 分支合成途径调节 (24) 二 异养微生物的生物氧化. (98) 第五节微生物次级代谢与次级代谢 三、自养微生物的生物氣化 (106) 立勿 .(125 四、能量转换 (107) 次级代谢与次级代谢产物 (125 第三节耗能代谢 (112) 二、次级代谢的调节. (126 细胞物质的合成 (12) 小结 (127 二、其他耗能反应:运动、运输喻 思考题. (127) 生物发光 (121 第六章微生物的生长繁殖及其控制 第一节细菌的个体生长. .(128) 一、丝状真菌的生长繁殖.(137) 、染色体DNA的复制和分离·(128) 一、酵图菊的生长路殖. .(140) 细胞壁扩增 (128) 第四节环境对生长的影响及生长的 三、细菌的分裂与调节 (129) 则定 ·(1421 第二节 细菌的群体生长繁殖 (130 环境对微生物生长的影响 (143) 一、细菌群体生长规律, (130) 二、微生物生长的测定. (146 生长的数学模型 (131) 第五节 微生物生长繁殖的控制 (149) 三、主要生长参数 132】 一、控制微生物的化学物质 149 四、同步培养. (133) 控制微生物的物理因素 (152) 五、连续培养,(135) 小结.(155) 第三节真菌的生长与繁殖 4,(137) 思考题 .(156)
目录 ·3, 第七章病 第一节概述 .(157) 第五节病毒的非增殖性感染 .(181 ,病毒的特点和定义 (157) 非增殖性感染的类型 (181 二、病露的屑主范制 (158) 二、缺损病毒 182 二、病南的分类写合之 (159) 第六节病与宿主的相互作用 (184 第二节 病香学研究的基本方法 (160 噬菌体感染对原核细胞的 一、病毒的分离与纯化. (160 影0响.(184 病毒的测定 (162 二 病毒染对真核细胞的影响 三、病毒的鉴定 163 ,(185》 第三节 粒的性质 (164 三、机体的病毒感染 (187 妻拉的形态结构 (164 第七节 亚病因子 (188 囊垃的学组成 (167) 门星病爱. (188) 第四节 病垂的漫用制 (170) 卫星RNA (189 病唐的复制周期 (171 三、类病毒 (190】 - 病毫感染的起始 (173 四、航病 (91) 三、病垂大分子的合成: (174) 小结 4192) 四、病毒的装配与释放 (179) 思考题 (192 第八章 微生物遗传 第一节透传的物质基础 (194 第四节基因突变及修复: {206】 一、DNA作为遗传物质 (194》 基因突变的类型及其分离 (207) 二、RNA作为遗传物质 4.(195) 二、 基因突变的分子基础 (209】 、所病意的发现和思考 195) 三、DNA损伤的修复. (2L2) 第二节 微生物的基因组结构 (197 第五节 细菌基因转移和重纪 (215) 大肠杆萄的基因组.(198) 、细菌的接合作用. (215) 啤酒酵母的基因 (199 细菌的转导 (218) 童氏甲院球菌的基因组 (199) 三、细菌的遗传转化. (220) 第二节 质粒和转座因子, 200) 四、基闲定位和草闲组刚克 (223) 质粒的分子结构· 201】 第六节 真核微生物的遗传学特性 (228) 所拉的主要类型 (201) 、酵母菌的接合型遗传 (21R】 质粒的不亲和帖 (204 闷黄的 (228) 四、转座因子的类型和分子结构 三、酵母菌的线粒体. (229 (204) 四、丝状真菌的准性生殖 (230) 五、转座的遗传学效应 (206) 第七节微生物育种 (231)
4 目录 诱变育种 (231) 小结 (236) 、体内基因重组育种 .(233) 思考题 (237 三、DNA Shuffling技术 (235) 第九章微生物基因表达的调控 第一节转录水平的调控 (238) 翻泽起始的阔 (249) 一、DNA结合蛋白 .(238) 二、mRNA的稳定性 (249) 操纵子的话录周控 .(239) 三、稀有密码子和重叠基因调控 三、分解代谢物阳浸调控.(243) (250) 四、细菌的应急反应. (244) 四、反义RNA调控 251 五、通过。因子更换的调控 (245) 五、翻译的阻遏调控 (252 六、信号传导和二组分调节系统 六、PPGPP对核糖体蛋白质合成 (245 的影响 ,(252 七、入壁体溶源化和裂解途径 七、细菌蛋白质的分泌调控 (253) 的转录调控. ,(248) 小结 ,。253} 第二节 转录后调控. (249) 思考题. (254 第十章 微生物与基因工程 第-节基因工程概述.(255) 一、 宿主的基本要求与性质 .(266) 基因工程的发展历史. 255) 原核牛物宿士 .(267) 基因工程的基本过程 *(256 真核生物宿主 (267) 三、微生物学与基因工程的关系.(26) 四、外源DNA导入宿主细胞· (268) 第二节 微生物与克隆载体 (257) 五、基因文库与cDNA文库的 一、质粒克隆载体. (257) 松建 .269) 二 入噬菌体克隆载体 (260 六、重组体的筛选与鉴定 (270 一、和斯质拉载体 (260) 第五节 表大载体闪律, ·(273 D.M13第体载林 (260) 表达系统的要求与主要调控 五、噬菌质粒载体. (261) 元件t* .(273) 六、真核生物的克隆载体 (262) 二、表达载体中调节开关的作用 七、人工染色体 (263 .(274 第三节微生物与基因工程工具酶. (264 非融合蛋白的表达. (275) 限制性核酸内切酶 ((264) 四、轴台蛋白的表达 .(276 一、DNA车接题 (266) 第六节 DNA的合成、体外扩增和 第四节微生物作为克隆载体的宿主 定位诱变.(277) (266 DNA的合成 (277)
目 5 二、PCR扩增技术的原理和应用 四、基因治污 (24) ,(277) 五、基因工程在微生物研究中的 三、IDNA的定位诱变 (279) 应用 1285) 第七节基因工程的应用及展里 (281 六、基因工程研究展望· 4.285 县闲丁程药物+, (281 小结. (287) 二、转基因植物.(282》 思若2额44+4++++(287) 二、转基闭动物 +4444(284} 第十一章 微生物的生态 第一节微生物在生态系统中的作用 传播 (302 (2881 人体微生物 (02 、微生物在生态系统中的角色 二、病原微生物通过水体的传播 .(288 .(303 二、微生物与生物地球化学循环 三、病原微生物通过土壤的传播 (289} ·(304 二节 生态环竟中的微生物 (292) 四、病原微生物通过空气,的传播 微生物群落. 4.(293)】 (304 陆生生境的微生物 .(294 第四节微生物与环境保护 .(305) 三、水生生境的微生物 295 微生物对污染物的降解与 四、大气生境的微生物. (295 转化. (305 五、极端环境下的微生物 295) 重金属的转化 (307) 六、动物体中的微生物: (298】 二、污读个个质的粉牛物Q外理·()7 七、植物体中的微生物 (299 四、污染环境的生物修复.(310) 八、工农业产品上的微生物及 五、环境污染的微生物监测 *.(311)】 生物性的控制 (301 小结 +4.(312) 九、原位研究方法 (302) 思考题· (312 第三节人体微生物及病原微生物的 第十二章微生物的进化、系统发育和分类鉴定 第一节进化的测量指征. (314) 第二节细菌分类 .(320 一、进化指征的选择. (314) 一、分类单元及目等级. .(321) 二、rRNA作为进化的指征 (315) 二、分类单元的命名 *323 三、rRNA的顺序和进化.(315) 三、细菌分类和归杰氏手册. (325 四、系统发育树 (317) 第三节微生物分类鉴定的特征和 五、三界生物的主要特征 .(319) 技术. .(329】
6 形态学和生理生化特征 (329) ,快速、自动化微生物检测仪器 二、血清学试验与噬菌体分型(330) 和设备. .(339 三、氨基酸顺序和蛋白质分析 .(331) 三、现代分子生物学和免疫学 四、核酸的硅是组成和分子杂交 枝术的采用 ·(341) (332 四、电子计算机在微生物学中的 五、遗传重组 (334 用 .(341) 第四节微生物的快速鉴定和自动化 小结 343 件析特术 (335 思考题. (343 微量多项试验鉴定系统 .(335) 第十三董 微生物物种的多样性 第一节真细菌的多样性 (344 、真核微生物系统发育总观.(34 真细系统发育总观 (344) 藻类.(366 二、真细菌的主要类型 +(347) 三、真菌 367 三、放线菌的主要类型 (358) 四、粘菌 (370) 第二节古生菌的多样性.(359) 五、原生动物 .(372) ,古生菊系统发育总观.(359) 第四节微生物资源的开发利用 三伊甲市生西 极端嗜盐古生菌 **.(360) 和保护 .(373 (362) 什么是微生物资源 .373) 四、超嗜热古生菌 .(362】 微生物资源的特点.。 .373) 五、无细胞壁的古生菌 —热原 三、资源的开发利用亟待拓宽和 体属 (362) 深入. (373】 六、微生物生存的温度极限.(363》 四、积极开展微生物资源的 七、古生菌 地球早期的生命 迁地保护和就地保护 (374) 形式. .(363} 小结 .(374》 第三节真核微生物的多样性 .(364) 思考题 (375 第十四章 惑染与免疫 第—节感染的一般概急 (376 三、细胞因蒙.383列 一、感染的途径与方式 (376) 、数症4:(384 微生物的致病性 (377) 第三节宿主的特异性免疫 (385 第二节宿主的非特异性免疫 +,381 一、特异性免短的一般概念.(385) 生甲醒陪 (381) 抗原和抗体 .(388 二、体液因素 (382) 二、B出包个春的体瘦免疫 .392