走進微世界-微生物的遺傳和變異

微生物的遺傳和變異是研究微生物的重要領域，微生物遺傳學更是作為遺傳學的一個重要分支，發展十分迅速，通過對微生物遺傳和變異的研究，為我們提供了一個新的視野來認識遺傳學的特點，特別是大量的微生物的基因組全序列完成測定，人們在基因的水平上更有針對性的研究了遺傳的規律和特點，為進一步揭示生命的奧秘做出貢獻。

微生物的生長旺盛、繁殖快，適應性強、易變異，分布廣、種類多等特點決定了利用微生物作為研究材料，具有天然的優勢，它極大的縮短了研究的周期。接下來本文將重點和大家分享微生物遺傳和變異的基礎知識。首先我們先來了解幾個概念：

遺傳（heredity ）: 上一代生物將自身的一整套遺傳基因穩定地傳遞給下一代的特性 。

變異（variation）：生物體在某種外因或內因的作用下，發生遺傳物質結構或數量的改變，而且這種改變穩定，具有可遺傳性 。

遺傳保證了微生物種的相對穩定性、種的存在和延續，而變異則推動了種的進化和發展。

表型( phenotype ) 某一生物體所具有的一切外表特徵及內在特性的總和。

表型的實現是由生物體的遺傳型和環境條件共同作用的結果。

遺傳型（genotype）某一生物體個體所含有的全部遺傳因子，即基因的總和 ，又稱為基因型。

一、微生物遺傳的基礎

蛋白質在生物中發揮著重要的作用，無論是代謝調控還是結構組成等，在發現核酸存在之前，人們一度將蛋白質作為遺傳物質的基礎。我們現在都知道了，DNA和RNA是生物的遺傳物質，為了得到這個結論，科學家付出了大量的時間和精力來證明它，其中最有代表性的是三個經驗實驗：

1、經典轉化實驗--證明DNA是遺傳變異的基礎

經典轉化實驗是由英國細菌學家F.Griffith設計完成的。實驗選擇兩種菌株，S型注入小鼠體內後，小鼠致死，R型注入小鼠體內後，小鼠不致死，R型是由S型突變而來。將S型菌株加熱殺死，並注入小鼠體內後，小鼠不死，也不能從小鼠體內重新分離到致病菌；將加熱殺死、已無致病性的S型菌株和小量活的非致病的R型菌株一起注入小鼠體內，小鼠死亡，從小鼠中分離到活的S型致病菌株。

結論：活的、非致病性的R型菌株從已被殺死的S型菌株中獲得遺傳物質，使其產生致病性的S型菌株，Griffith將這種現象稱為轉化，並將引起轉化的遺傳物質稱為轉化因子。Griffith是第一個發現轉化現象，雖然還不了解轉化因子的本質，但為進一步揭示轉化因子實質，確立DNA為遺傳物質奠定了基礎。

經典轉化實驗

2、噬菌體感染實驗（1952年，A.D.Hershey 和 M.Chase）

首先把E.coli培養在以放射性同位素35S或32P的培養基中，用35S標記蛋白質，32P標記蛋DNA。具體實驗過程可以參考下圖步驟。實驗的結果表明，在噬菌體感染過程中，蛋白質外殼未能進入宿主細胞，進入宿主細胞的雖只有DNA,但卻能在細胞體內完成增殖，產生大量具有DNA核心又有蛋白質外殼的完整子代噬菌體，從而證明，在其DNA中，存在著包含合成蛋白質外殼在內的整套遺傳信息，DNA為遺傳物質。

噬菌體感染實驗

3、植物病毒重建實驗

為進一步證明核酸是遺傳物質，H.Fraenkel-Conrat在1956年利用含RNA的菸草花葉病毒（TMV）和霍氏車前花葉病毒，進行了植物病毒重建實驗，具體過程參見下圖。

結論：在RNA病毒中，遺傳物質的基礎也是核酸，只不過是RNA而非RNA。

二、基因突變

1. 基因突變的類型

突變指細胞內遺傳物質的分子結構或數量發生變化的現象。包括基因突變（又稱點突變）和染色體畸變。

基因突變（gene mutation）: 是指一個基因內部遺傳結構或DNA序列的任何改變，涉及一對或少數幾對鹼基的置換、缺失或插入，因其發生的範圍很小，所以又稱點突變（point mutation）。

基因突變（gene mutation）: 是指一個基因內部遺傳結構或DNA序列的任何改變，涉及一對或少數幾對鹼基的置換、缺失或插入，因其發生的範圍很小，所以又稱點突變（point mutation）。

染色體畸變（chromosomal aberration）: 是指染色體較大範圍內結構的變化，如缺失、重複、倒位、易位等以及染色體數目的變化。

基因突變的類型

2. 基因突變的類型

突變的類型很多，從篩選菌株的實用目的出發，凡是能夠利用選擇培養基或其他選擇性培養條件快速選擇出來的突變株恆為選擇性突變株，反之稱為非選擇性突變株，具體參加下圖表解。

基因突變的類型

3. 基因突變的特點

整個的生物界，無論是動物、植物還是微生物，因其遺傳物質本質上都是核酸，其遺傳變異特點都遵循著共同的規律，具體可以概括為7個共同特點,下圖對7個共同點做了具體說明：

基因突變的特點

微生物基因突變具有自發性和不對應性，這兩個特點很多人無法理解的，許多人受一些科幻讀物影響，認為基因的突變是通過對某種特定環境（如高溫、高壓、化學物質、抗生素等）的適應而產生的，這種環境是基因突變產生的原因，所產生的的突變和與該特定環境條件相對應的，並認為環境對生物體具有「馴化」、「馴養」或「定向變異」的作用，這一理論被大量的群體所接受，特別是一些初學者在這一點最容易產生混亂。科學為證明這一結論，設計了一系列的實驗，其中3個實驗的設計最為經典，後續將為大家進一步介紹。

微生物的遺傳變異涉及的知識點很多，我將選擇性的介紹部分大家更容易接受和掌握的內容進行分享。選擇這個題目的重要原因還在於，新冠病毒屬於微生物的範疇，當前疫情仍未結束，病毒是否會進一步變異，怎麼進行變異，病毒又是和如何進行遺傳的，許多人會有不同的疑問，希望本文能給大家帶來一定的幫助。

如果你有有關微生物的疑問，歡迎留言，我將及時回復。

我是@一米小草根，關注我，持續和你分享生物、製藥、學生創新創業知識，偶爾也探討一些教育、時政趣事。