微生物学在20世纪的发展和基因重组成果

二、20世纪微生物学发展

1.基础研究

20世纪早期，基础微生物学的最大进展是细菌新种的发现和分类，由此产生了界、门、纲、目、科、属、种七个等级的分类单位，但在实用上，在种以下还出现了亚种、型和菌株。细菌分类学的研究，除显微观察外，还需要对细菌的营养代谢与产物进行研究，这就构成了细菌生理学及其进一步发展的细菌生物化学。在细菌生长繁殖与变异特性的观察过程中，细菌遗传学概念也就提出，但是直到20世纪40年代，细菌遗传交换的发现，细菌遗传学才成为一个主要的研究领域。莱德伯格（L.Labderberg）和塔特姆（E.L.Tatum）在1946年的冷泉国际会议上首次报告了大肠杆菌菌株（K₁₂）有性繁殖之间的物质交换，经杂交后，得到重组细菌的证据。细菌重组现象一发现，转导就成了一种研究基因结构和它们在染色体上排列方式的有效工具。接合和转导工作的深入使得构建大肠杆菌遗传图谱成为可能。

自1953年DNA双螺旋结构模型提出之后，也加速了生物遗传信息表达的研究，细菌结构简单，如大肠杆菌（E.coli）只有一个环状DNA分子，可以将它作为实验性工具进行细胞遗传材料的操作，即将外源遗传物质的DNA诱导进入细菌，并控制它的复制和表达。这就是体外基因重组，导致基因工程的产生。这样，基础研究和应用研究得到相互交叉与促进。

在20世纪，另一种重要的进展是对病毒的研究，病毒的概念最早于1898年由荷兰生物学家贝哲林克（M.W.Beijerinck）针对烟草花叶病的致病因子提出的。直到1935年，Stanley才把一种TMV具有感染性的“结晶蛋白质”分离出来，1943年，Kausche第一次用电子显微镜拍摄了烟草花叶病毒（TMV）的电镜照片，由此极大地推动了病毒生物学的研究。病毒的寄主有专性的，也有兼性的。噬菌体是侵染细菌的病毒，已知人类的许多疾病，如天花、流感、疱疹、肝炎、艾滋病及“非典”（SARS）等都与病毒有关。病毒不具细胞形态，只有基因组核酸（DNA或RNA）和外壳蛋白。1960年Tsugita测定了TMV外壳蛋白的氨基酸序列；1979年，将人的胰岛素A和B链基因转入大肠杆菌，并得到表达，使高等生物的遗传信息能在原核生物细胞中表达，为人工合成胰岛素创造了条件，使转基因微生物生产多肽药物成为可能。1980年完成了TMV核酸全序列的测定。再者，还有病毒反转录酶的发现以及16SrRNA或18SrRNA序列比较细菌系统发育图的提出，使得微生物研究与生命起源的相关性得到深化与揭示。目前已完成基因组全序测的微生物有100多种。微生物基因组的数据丰富了Woses的系统发育树，但又向系统发育树提出了挑战。由于Woses只注重单个rRNA在生物演化中地位与作用，而很少考虑整个基因组的演化。

亚病毒是比病毒更为简单的致病因子，包类病毒、拟病毒、肮病毒、卫星病毒、卫星RNA和Di颗粒。这些亚病毒的发现只有在病毒系列化与遗传基础上得以开展。近些年来，海洋微生物新类型的发现也是微生物领域研究的一个亮点。现代微生物的遗传和基因重组成果，将微生物学与基因工程的前沿科学得到有效的共同发展。

自Beijerinck（1898）首次提出病毒概念出来，病毒的种类由最初的几十种，发展到今天4000多种。根据病毒宿主的不同，可将它分为：微生物病毒、植物病毒、脊柱动物病毒和无脊柱动物病毒4类。此外，关于微生物的分类学研究的工作，将在本章第五节讲述，而海洋微生物在第11章海洋生物学中亦有介绍。

2.应用研究

微生物的应用主要在医学、农业和工业三方面取得很大的发展。20世纪早期Koch的病原菌研究引起医学微生物学和免疫学的发展，研究了病原体感染人体的机理，以及人体反过来对感染的防御研究。20世纪中前期人类对天花、霍乱、伤寒、白喉、鼠疫、肺结核以及猪瘟、鸡瘟、布氏杆菌病、炭疽病、蹄疫、马传染性贫血病等的病因、病理与防治研究取得很大成绩。其中，抗生素的研究与工业生产给予了有效的帮助。1942年，美国Merek公司开始生产青霉素并大规模用于临床治疗，大显奇效，世人震动。1944年美国Waksman在1941年发现的链霉素也投产了。随后，氯霉素、金霉素、土霉素、红霉素、卡那霉素等相继问世。20世纪50～60年代抗生素发酵工业迅速发展，受此影响，工业微生物学史上开始寻找各种有益微生物代谢产物的热潮，许多贵重的生物药物新产品得到发展，如利用微生物来生产维生素B₂、B₁₂、甾体激素、维生素C和核苷酸等。(www.xing528.com)

微生物在农业上的研究成就是多方面的。微生物在土壤中的主要活动起着物质循环的作用，自生固氮菌、根瘤菌、放线菌结瘤固氮菌和蓝藻是土壤氮素的重要来源；还有真菌同植物共生形成菌根，能改善农作物及林木的营养吸收，促进生长，这些都已得到不同程度的利用。赤霉菌的赤霉素促进植物生长和开花结实作用有着广泛应用。抗生素和Bt菌剂在农作物病虫害防治中发挥着重要作用。在畜牧中，微生物被用来加工饲料。

微生物在食品加工中的作用，源于民间艺术，如酿酒、面包制作、酱油、醋、酸菜以及乳酸饮料生产，都离不开曲霉、酵母菌、根霉、乳酸等微生物的作用，现已成为工业化生产。许多大型真菌的子实体是食用价值很高的食品，如香菇、木耳等，而对它们的多糖生化作用的研究也取得了进展。

20世纪50～60年代是工业微生物迅速发展时期，除药物抗生素外，大量微生物种通过筛选和生化代谢的调节被用以生产有机酸、工业酒精、氨基酸、维生素、核苷酸、酶制剂等。微生物具有很强的转化能力，因此，它们被用来清除土壤的各种污染物，特别是污水中的有机污染物，以降低COD、BOD、SS值，已在活性污泥法中得到应用。当今，自然界中存在的巨大初级的廉价资源，如纤维素、半纤维素、甲壳质、石油、天然气等都能被微生物分解、利用，并转化为蛋白质、葡萄糖、酒精等产品，还有甲壳质的微生物脱乙酰基酶作用获得可利用壳聚糖化合物都有一定的研究，期待着有更大的开发前景。

3.我国微生物学的发展

我国是具有五千年文明史的古国，广大劳动人民对食品微生物早有认识与利用，主要是指在制酒、酱油、醋等微生物产品及制曲工艺方面作出了很大贡献。当然，微生物学作为一门近代科学的研究，我国起步较晚直至20世纪前半期发展也较慢。如今微生物学科非常活跃且发展很快。当前，我国微生物学科学的发展离不开老一辈科学家的努力，他们的工作为微生物学科的发展奠定了坚实的基础。

伍连德（1879—1960）被视为中国微生物先驱。他早年留学英国剑桥大学学医，回国后，在1910—1936年期间，从事鼠疫和霍乱病原的研究和防治，在中国最早建立起卫生防疫机构，培养了一支预防的专业队伍。据报道1910年10月哈尔滨发生了一场鼠疫，伍连德奉命前往处置，经3个月平息（死亡3000多人），在当时这项工作是居国际领先水平的。伍连德著有《鼠疫概论》和《霍乱概论》，而他还创建了“中华医学会”等医学组织。汤飞凡（1897—1957）由协和医学院派遣到美国哈佛大学医学院学习，回国后从事医学病毒研究。他的主要研究成就是发现了沙眼病的病原菌衣原体。1980年国际沙眼防治组织授予汤飞凡沙眼金质奖章，而国家为表彰他的业绩曾发行了一枚纪念邮票。

自30年代开始，我国高等学校设立酿造科目和农产制造系，以酿造为主课，并创建了一批与应用微生物有关的研究机构。魏岩寿和孙学悟等在从事传统发酵菌学的基础上，开创了我国工业微生物学。戴芳澜和俞大缓是我国真菌和植物病理学的奠基人；张宪武和陈华癸对根瘤固氮作用的研究而发展了我国农业微生物学；高尚荫创建了我国病毒学的基础理论研究和微生物学专业。但总的说来，在新中国成立之前，我国微生物学的力量比较弱，未能形成自己的研究队伍，也没有我国自己的现代微生物工业。

新中国成立以后，一些重点大学创设了微生物专业。中国科学院所属的生物学各分支学科部门也相应成立。1951年汤飞凡任中科院菌种保藏委员会主任。1953年戴芳澜（1893—1973）被聘为中科院植物研究所的真菌和植病研究室主任；1958的微生物研究所成立而任所长。在50～60年代，我国微生物学的教学和科研体系形成，而现代化的发酵工业、抗生素工业、生物农药和菌肥工作都得到发展。自80～90年代以来，我国微生物无论在应用或在基础理论研究方面取得了重要的成果。这不仅表现在专业刊物研究内容上，而且学科间的交叉工作上更为广泛。然而，我国微生物的研究若与国际先进水平相比，仍有一定差距，需要再接再厉。