微生物学前沿

第1章绪论001
1.1开展微生物学前沿研究的意义001
1.2微生物学前沿的主要研究领域002
1.2.1微生物组学002
1.2.2微生物系统学003
1.2.3人感染性病毒与分子免疫005
1.2.4分子微生物学007
1.2.5化学微生物与合成生物学007
1.2.6环境微生物学009
1.2.7空间微生物学与地外生命009
1.3微生物多样性009
1.3.1微生物多样性的概念010
1.3.2生物多样性与天然产物筛选010
1.3.3微生物多样性的保护和管理011
参考文献012

第2章原核微生物系统学014
2.1原核微生物的描述和定义014
2.1.1原核微生物概念的提出与演变014
2.1.2原核微生物的进化016
2.1.3原核微生物的结构特征017
2.1.4原核微生物的生态分布017
2.2原核微生物的细胞分子生物学基础018
2.2.1原核微生物的形态与大小019
2.2.2原核微生物的基本细胞结构与功能020
2.2.3原核微生物的细胞骨架022
2.2.4细胞膜024
2.2.5细胞器026
2.2.6细胞的多细胞性和分化027
2.2.7原核微生物基因组028
2.2.8原核微生物的转录与翻译029
2.2.9原核微生物基因重组030
2.3原核微生物的分类与命名031
2.3.1基本概念031
2.3.2分类、鉴定和命名的关系031
2.3.3系统学与分类学的关系032
2.3.4原核微生物分类单元及其等级032
2.3.5原核微生物命名034
2.3.6原核微生物的分类系统038
2.4原核微生物的多相分类041
2.4.1传统分类042
2.4.2数值分类044
2.4.3化学分类046
2.4.4基因型分类055
2.5基因组时代下的原核微生物系统学071
2.5.116S rRNA在原核微生物系统学中的地位071
2.5.216S rRNA为主干的原核微生物系统学存在的问题071
2.5.3基因组和宏基因组驱动下原核微生物系统学的机遇074
2.5.4系统发育基因组学074
2.5.5全基因组序列数据在新物种描述中的应用与数据标准076
2.5.6系统发育基因组学对原核微生物分类的影响举例076
2.5.7基因组时代原核微生物系统学的实施方式078
2.6未培养微生物及其分类079
2.6.1未培养微生物“不可培养”的原因079
2.6.2未培养微生物分类历史与现状081
2.6.3未培养微生物的命名规则085
2.6.4未培养古菌与细菌命名路线图087
2.6.5未培养微生物高等级分类单元的分类087
参考文献088

第3章放线菌092
3.1放线菌系统学的研究进展092
3.2放线菌的生理特征107
3.2.1放线菌的生活习性107
3.2.2放线菌的形态结构107
3.2.3链霉菌的生命周期109
3.3放线菌生物技术的发展111
3.3.1分离培养与纯化技术111
3.3.2基因工程技术112
3.3.3功能基因组学技术113
3.3.4体外分子定向进化与分子育种114
3.4放线菌资源的开发及应用115
3.4.1放线菌资源概况及分布115
3.4.2放线菌在生物医药领域的应用116
3.4.3放线菌在农业上的应用122
3.4.4放线菌生命暗物质的挖掘124
参考文献124

第4章细菌126
4.1概述126
4.2厚壁菌门127
4.2.1好氧产芽孢细菌——芽孢杆菌属128
4.2.2厌氧产芽孢细菌——梭菌属及有关细菌135
4.2.3产乳酸细菌140
4.3支原体——柔膜菌门143
4.3.1支原体的生物学特征144
4.4革兰氏阴性细菌——变形菌门147
4.4.1α-变形菌纲147
4.4.2β-变形菌纲154
4.4.3γ-变形菌纲160
4.4.4δ-变形菌纲179
4.4.5ε-变形菌纲186
4.5拟杆菌门188
4.5.1拟杆菌属的特征188
4.5.2普雷沃氏菌属和卟啉单胞菌属的特征190
4.5.3拟杆菌群细菌的耐药性190
4.5.4拟杆菌的自然生境与致病性190
4.6螺旋体191
4.6.1螺旋体属191
4.6.2钩端螺旋体属192
4.7梭杆菌193
4.7.1梭杆菌的形态193
4.7.2梭杆菌的生理特征194
4.7.3梭杆菌的生态分布194
4.7.4梭杆菌的基因组特征195
4.8蓝细菌门195
4.8.1细胞壁和细胞膜195
4.8.2细胞分裂方式196
4.8.3功能专化的细胞与分化196
4.8.4生理生化特征196
4.8.5生态分布197
4.8.6非光合作用的蓝细菌198
4.9异常球菌与栖热菌198
4.9.1异常球菌科198
4.9.2栖热菌及相关细菌200
4.10硝化螺菌门和铁还原杆菌门201
4.10.1硝化螺菌门201
4.10.2铁还原杆菌门202
4.11浮霉状菌202
4.12疣微菌204
4.13酸杆菌206
4.14嗜热袍菌206
4.15未培养细菌新分支208
参考文献210

第5章古菌211
5.1概论211
5.2古菌的生物学特征212
5.3古菌展示了地球早期生命的特征214
5.4广古菌门214
5.4.1产甲烷古菌215
5.4.2热原体目（Thermoplasmatales）相关的分支220
5.4.3嗜盐古菌221
5.5TACK超门226
5.5.1泉古菌门226
5.5.2奇古菌门231
5.5.3深古菌门232
5.5.4氟斯特拉氏菌门233
5.5.5曙古菌门233
5.5.6初古菌门233
5.6DPANN超门234
5.7阿斯加德古菌超门234
参考文献236

第6章真菌238
6.1真菌的特征和重要性238
6.1.1真菌的一般特性238
6.1.2真菌的重要性239
6.2真菌的形态与结构241
6.2.1真菌的一般形态特征241
6.2.2酵母细胞242
6.2.3菌丝形态和超微结构243
6.2.4真菌细胞壁的功能、组成与结构248
6.3真菌的生长与繁殖251
6.3.1真菌的一般生长环境251
6.3.2真菌生长的营养和环境需求253
6.3.3菌丝的生长257
6.3.4酵母细胞的繁殖和生长周期259
6.3.5真菌的繁殖260
6.3.6真菌孢子的传播、休眠与萌发265
6.4真菌的遗传与基因组270
6.4.1真菌的个体、群体和物种271
6.4.2菌丝融合和营养体不亲和性272
6.4.3营养不亲和性272
6.4.4真菌的有性生殖基本过程和生活周期274
6.4.5真菌的交配系统277
6.4.6交配型基因的进化与功能279
6.4.7自交生育280
6.4.8生育障碍282
6.4.9准性生殖282
6.4.10真菌基因组的特性与演化282
6.4.11重复序列诱导的点突变285
6.5真菌的生物多样性和主要类群286
6.5.1真菌的起源及与其他真核生物的关系286
6.5.2真菌的物种多样性287
6.5.3真菌分类的主要依据288
6.5.4真菌界及其主要类群290
6.5.5微孢子菌292
6.5.6隐菌门292
6.5.7芽枝霉门293
6.5.8壶菌门295
6.5.9捕虫霉门299
6.5.10毛霉门300
6.5.11子囊菌门305
6.5.12担子菌门317
6.5.13卵菌门332
参考文献336

第7章病毒339
7.1病毒研究的历史339
7.2病毒的性质341
7.2.1病毒的基本特点341
7.2.2病毒的结构341
7.2.3病毒的形状343
7.2.4病毒的寄主344
7.2.5病毒的酶类346
7.3病毒的分类和命名347
7.3.1病毒的分类347
7.3.2病毒的命名350
7.4病毒的复制351
7.4.1病毒基因组的多样性351
7.4.2RNA病毒的复制352
7.4.3DNA病毒的复制354
7.4.4病毒的复制周期355
7.5肝炎病毒360
7.5.1甲型肝炎病毒360
7.5.2乙型肝炎病毒361
7.5.3丙型肝炎病毒364
7.5.4其他类型肝炎病毒365
7.6冠状病毒368
7.6.1冠状病毒概述368
7.6.2SARS冠状病毒370
7.6.3MERS冠状病毒371
7.6.4新冠病毒372
7.7正黏病毒374
7.7.1正黏病毒概述374
7.7.2流感病毒374
7.8黄病毒376
7.8.1黄病毒概述376
7.8.2登革热病毒377
7.8.3寨卡病毒378
7.9癌症病毒378
7.9.1疱疹病毒与癌症379
7.9.2肝癌与肝炎病毒379
7.9.3皮肤癌和乳头瘤病毒380
7.9.4白血病病毒381
7.9.5病毒性癌症的发病机制382
7.9.6病毒引发癌症的分子机制383
7.10反转录病毒384
7.10.1反转录病毒的特点384
7.10.2反转录病毒的结构385
7.10.3反转录病毒的复制387
7.10.4HIV的致病性387
7.11噬菌体389
7.11.1RNA噬菌体——MS2390
7.11.2单链多面体状DNA 噬菌体——ΦX174391
7.11.3单链丝状DNA噬菌体——M13393
7.11.4双链DNA噬菌体——T7393
7.11.5双链DNA噬菌体——T4394
7.11.6温和噬菌体：溶原性噬菌体和λ噬菌体396
7.11.7可易位的噬菌体——Mu噬菌体402
7.11.8古菌噬菌体404
7.12病毒状感染因子404
7.12.1卫星病毒404
7.12.2类病毒404
7.12.3朊病毒406
参考文献408

第8章人感染性病毒与分子免疫411
8.1禽流感病毒跨种传播的分子机制411
8.1.1宿主细胞的受体类型411
8.1.2流感病毒的HA蛋白411
8.1.3影响流感病毒受体结合特异性的结构因素412
8.1.4影响跨种传播的其他重要蛋白质414
8.2埃博拉病毒入侵宿主细胞的机制414
8.2.1埃博拉病毒的囊膜糖蛋白415
8.2.2与埃博拉病毒入侵相关的宿主蛋白416
8.2.3埃博拉病毒与宿主细胞的相互作用416
8.3冠状病毒跨种传播的分子机制418
8.3.1冠状病毒的受体419
8.3.2冠状病毒的S蛋白419
8.3.3影响冠状病毒入侵的因素419
8.4寨卡病毒感染的分子机制421
8.5蝙蝠抗高致病性病毒的免疫特征424
8.5.1蝙蝠与病毒424
8.5.2蝙蝠相关的免疫学研究428
8.6新发和再发病毒的细胞免疫433
8.6.1新发病毒与细胞免疫433
8.6.2重要新发病毒的T细胞免疫特征434
8.6.3新发病毒的T细胞检测技术进展437
8.7mRNA疫苗439
8.7.1mRNA疫苗的构建440
8.7.2mRNA疫苗在传染病防控中的应用443
参考文献444

第9章分子微生物学447
9.1概述447
9.1.1基本概念447
9.1.2理论上的重大发现448
9.1.3技术上的重要进步449
9.1.4微生物基因组计划450
9.1.5微生物与宏基因组452
9.1.6微生物基因工程452
9.2微生物基因组学453
9.2.1微生物基因组的特点453
9.2.2微生物基因组学的研究内容与方法458
9.2.3微生物基因组研究的重要意义与应用464
9.3宏基因组学466
9.3.1宏基因组测序466
9.3.216S rRNA扩增子测序467
9.3.3鸟枪法宏基因组测序473
9.3.4组学数据功能注释476
9.3.5宏基因组学的应用479
9.4微生物基因工程483
9.4.1微生物基因重组表达系统483
9.4.2微生物基因重组表达的精细控制486
9.4.3微生物染色体合成与基因操作487
9.4.4新型基因编辑工具491
参考文献503

第10章化学微生物学505
10.1微生物代谢与活性天然产物的物质基础505
10.1.1细胞的生物元素505
10.1.2生物溶剂——水506
10.1.3细胞固形物质的组成506
10.2微生物次级代谢508
10.2.1次级代谢的意义509
10.2.2次级代谢的调节510
10.3微生物次级代谢产物的研究514
10.3.1微生物来源的抗菌药物514
10.3.2微生物来源的抗肿瘤药物515
10.3.3微生物来源的其他活性药物515
10.4结构多样的微生物天然产物518
10.4.1聚酮类518
10.4.2非核糖体肽类519
10.4.3聚酮和非核糖体肽杂合类519
10.4.4核糖体合成和翻译后修饰肽类521
10.4.5新颖萜类天然产物的发现523
10.4.6其他类新颖天然产物的发现523
10.5微生物天然产物的生物合成524
10.5.1次级代谢的生物合成524
10.6微生物天然产物的生源途径525
10.6.1PKS类525
10.6.2NRPS类530
10.6.3PRPS类531
10.6.4萜类534
10.7微生物天然产物研究的挑战535
10.7.1传统微生物天然产物研究策略上的局限535
10.7.2获取资源技术上的不足535
10.7.3化合物检测、获得技术手段上的缺乏536
10.8微生物天然产物研究的相关技术手段536
10.8.1新的资源获取和开发536
10.8.2基因组挖掘策略537
10.8.3基因组测序及基因组挖掘分析工具538
10.8.4DNA组装及大片段DNA获取技术540
10.8.5沉默基因簇激活策略541
10.8.6产物检测分析手段的进步543
10.9微生物活性筛选544
10.9.1筛选样品资源库544
10.9.2自动化高通量样品处理体系546
10.9.3微生物高通量筛选模型547
10.10合成生物学549
10.11代谢组学分析550
10.12微生物药物的智能生物制造551
参考文献551

第11章环境微生物学553
11.1土壤环境微生物553
11.1.1土壤微生物学发展史553
11.1.2土壤微生物分布555
11.1.3土壤微生物多样性556
11.2湖泊水体微生物559
11.2.1湖泊环境微生物群落结构特征559
11.2.2淡水中的微生物群落代谢活力561
11.2.3环境条件对水体微生物群落结构的影响562
11.3海洋水体微生物562
11.3.1海洋环境与海洋生态系统562
11.3.2海洋微生物多样性563
11.3.3海洋微生物研究进展及前景567
11.3.4海洋微生物资源的开发利用569
11.4大气微生物569
11.4.1大气微生物的来源569
11.4.2大气微生物的分布特点569
11.4.3大气微生物群落结构571
11.4.4空气中微生物的监测评价572
11.4.5大气微生物的粒径分布573
11.5极端生境微生物573
11.5.1低温环境中的微生物574
11.5.2高温环境中的微生物575
11.5.3酸性环境中的微生物578
11.5.4高盐环境中的微生物584
11.5.5高压环境微生物586
11.5.6沙漠环境微生物587
11.5.7喀斯特生境微生物590
11.5.8特殊环境未培养微生物研究593
参考文献600

第12章生命起源与地外生命科学探索603
12.1生命的定义603
12.2地球上的生命历史604
12.2.1生命历史的化石记录604
12.2.2生命历史的分子系统进化605
12.3地外是否存在生命605
12.3.1关于地外生命的观点605
12.3.2地外生命存在的基础606
12.4地外生命探索607
12.4.1寻找地外生命的核心607
12.4.2寻找地外生命的途径607
12.4.3探索结果607
12.5合成生物学与实验室中的第二地球608
12.6空间微生物研究608
12.6.1空间站609
12.6.2国际空间站微生物组学研究609
12.6.3我国空间微生物组学研究611
12.6.4载人航天工程中的微生物科学与技术应用612
12.7我国探月与深空探测工程613
12.7.1中国探月工程613
12.7.2我国其他深空探测工程614
12.8地外生命探索过程中的行星保护614
12.8.1行星保护的定义614
12.8.2行星保护国际政策615
12.8.3行星保护技术616
12.8.4行星保护国际发展概况616
参考文献617