第3节 微生物的基因重组
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基因重组是分子水平上的概念，可以理解成是遗传物质分子水平上的杂交，杂交必然包含有重组，而重组则不仅限于杂交一种形式。基因重组又称为遗传传递，是指遗传物质从一个微生物细胞向另一个微生物细胞传递而达到基因的改变，形成新遗传型个体的过程。它是在细胞繁殖过程或在特定环境中不同细胞接触，或不接触，引起遗传物质传递而造成的。在基因重组时，不发生任何碱基对结构上的变化。重组后生物体新的遗传性状的出现完全是基因重组的结果。它可以在人为设计的条件下发生，使之服务于人类育种的目的。
基因重组有原核微生物的接合和F因子转导，通过双亲细胞的接触沟通，涉及部分染色体基因的重组；有原核微生物的转化、转导，双亲细胞不经接触，仅涉及个别或少数基因的重组；还有真核微生物的有性杂交、准性生殖，通过双亲细胞的融合，涉及整套染色体基因的重组；此外，原生质体融合是破壁后的原生质体细胞在一定条件下互相融合，实现遗传物质的重组；而DNA重组技术则是在体外对DNA修饰改变后，设法引入受体细胞再实现基因重组。
3.1. 原核生物的基因重组
原核生物的遗传物质传递的方式有：有转化、转导、接合和溶原性转变等四种方式。
3.1.1. 转化(transformation)
转化是指一个种或品系的生物（受体菌）吸收来自另一个种或品系生物（供体菌）的遗传物质（DNA片段），通过交换组合把它整和到自己的基因组中去，从而获得了后者某些遗传性状的现象。转化后的受体菌称为转化子，供体菌的DNA片段称为转化因子。呈质粒状态的转化因子转化频率最高。能被转化的细菌包括革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性细菌，但受体细胞只有在感受态的情况下才能吸收转化因子。
感受态是指细胞能从环境中接受转化因子的这一生理状态。处于感受态的细菌，其吸收DNA的能力比一般细菌大1000倍。感受态可以产生，也可以消失，它的出现受菌株的遗传特性、生理状态（如菌龄等）、培养环境等的影响。例如肺炎双球菌的感受态出现在对数生长期的中后期，枯草芽孢杆菌等细菌则出现在对数期末和稳定初期。转化时培养环境中加入环腺苷酸(cAMP)可以使感受态水平提高104倍。
转化因子的吸附、吸收和整合：不论是否处于感受态细菌都能吸附DNA，但只有处在感受态的细菌，其吸附的DNA才被吸收。受体细胞吸附的转化因子，必须是双链的DNA，且DNA分子的相对分子质量不小于3×105 ，但转化时只有一条链进入受体细胞，而另一条链被细胞表面的核酸外切酶分解。具体转化过程如下：先从供体菌提取DNA片段，接着DNA片段与感受态受体菌的细胞表面特定位点结合，在结合位点上，DNA片段中的一条单链逐步降解为核苷酸和无机磷酸而解体，另一条链逐步进入受体细胞，这是一个消耗能量的过程。进入受体细胞的DNA单链与受体菌染色体组上同源区段配对，而受体菌染色体组的相应单链片段被切除，并被进入受体细胞的单链DNA所取代，随后修复合成，连接成部分杂合双链。然后受体菌染色体进行复制，其中杂合区段被分离成两个，一个类似供体菌，一个类似受体菌。当细胞分裂时，此染色体发生分离，形成一个转化子。
影响转化效率的因素：受体细胞的感受态，它决定转化因子能否被吸收进入受体细胞；受体细胞的限制酶系统和其他核酸酶，它们决定转化因子在整合前是否被分解；受体和供体染色体的同源性，它决定转化因子的整合。
在原核微生物中，转化是一种比较普遍的现象，除肺炎双球菌外，目前还在
嗜血杆菌属、芽孢杆菌属、奈氏杆菌属、葡萄球菌属、假单孢杆菌属、黄单孢杆菌属等以及若干放线菌和蓝细菌中发现具有转化现象。另外，真核微生物如酵母、粗糙链孢霉和黑曲霉中也发现了转化现象。
3.1.2. 转导(transduction)
转导是以噬菌体为媒介，把一个菌株的遗传物质导入另一个菌株，并使这个菌株获得另一个菌株遗传性状。转导又分为普遍性转导和特异性转导。
普遍性转导(generalized transduction)是指转导型噬菌体能传递供体菌株任何基因。如大肠杆菌P1噬菌体、枯草杆菌PBS1噬菌体、伤寒沙门氏菌的P22噬菌体等都能进行普遍性转导。它的转导频率为10-5~10-8。能进行普遍转导的噬菌体，含有一个使供体菌株染色体断裂的酶。当噬菌体DNA被噬菌体蛋白外壳包裹时，正常情况下，是将噬菌体本身的DNA包裹进蛋白衣壳内，但也有异常情况出现，供体染色体DNA (通常和噬菌体DNA长度相似)偶然错误地被包进噬菌体外壳，而噬菌体本身的DNA却没有完全包进去，装有供体染色体片段的噬菌体称为转导颗粒。转导颗粒可以感染受体菌株，并把供体DNA注入受体细胞内，与受体细胞的DNA进行基因重组，形成部分二倍体。通过重组，供体基因整合到受体细胞的染色体上，从而使受体细胞获得供体菌的遗传性状，产生变异，形成稳定的转导子，这种转导称为完全转导(如图5－12)。在普遍性转导中，有时转导来的供体DNA不一定都能整合到受体染色体上，产生稳定转导子，更多的则是转导来的供体染色体不能整合到受体染色体上，也不能复制，但可以表达，这种转导称为流产转导。
图5－12. 沙门氏菌的普遍性转导
在一次转导中流产转导往往多于完全转导的细胞。在流产转导的情况下，转导子细胞每分裂一次，转导来的供体染色体片段只传给两个子细胞中的一个。这样一代一代的分裂下去，供体染色体片段便一直沿着单个细胞单线传递下去，称为单线传递(如图5－13)。
特异性转导(specialized transduction)是指噬菌体只能转导供体染色体上某些特定的基因。它的转导频率为10-6。特异性转导是在大肠杆菌K12的温和型噬菌
图5－13. 流产转导中所形成的微小菌落示意图
细胞中的长线表示染色体，短线表示由转导噬菌体引入的野生型基因，
黑点表示酶分子，虚线范围内是一个菌落中的全部细菌
体（λ）中首次发现的，它只能转导大肠杆菌染色体上半乳糖发酵基因(ga1)和生物素基因（bio）。当λ噬菌体侵入大肠杆菌K12后，使其溶源化，λ原噬菌体的核酸被整合到大肠杆菌DNA特定位置上，即gal基因和bio基因座位的附近。λ噬菌体可以通过附着位置间一次切离，从细菌染色体上脱落下来，偶而在噬菌体和细菌染色体之间发生不正常交换，诱发产生转导型噬菌体，带有细菌染色体基因gal或基因bio(如图5－14)，而噬菌体的部分染色体（大约25％的噬菌体DNA）被留在细菌染色体上，形成带有ga1基因或bio基因的噬菌体。其中带有ga1基因的转导颗粒称为λdga1，d表示缺陷的意思。这种转导颗粒不能独立复制，当它侵染敏感细菌时，不能产生侵染性子代。
图5－14. 转导噬菌体形成过程
图5－15. λdga1+通过lac基因位置的交换所形成的转导子
A表示两次交换产生稳定的转导子 B表示一次交换产生不稳定的转导子
λdga1转导颗粒导入gal-受体菌后产生两种情况(如图5－15)，一种是形成稳定的、非溶源性的转导子，约占1／3。λdga1所带的ga1+基因通过lac基因位置的两次交换，永远取代gal-基因，得到ga1+转导子；另一种转导子是不稳定的，约占2／3。它是λdga1转导颗粒通过lac基因位置的一次交换，使ga1+基因整合到受体染色体的gal-基因旁，这样受体细胞中除gal-基因外，还有λdga1噬菌体的ga1+基因，其基因型是λdga1+gal-，也称杂基因子，其后代都能分离出gal-细菌。
3.1.3. 接合(conjugation)
接合是通过供体菌和受体菌的直接接触传递遗传物质。接合有时也称杂交，接合不仅存在于大肠杆菌中，还存在于其他细菌中，如鼠伤寒沙门氏菌。
F因子 在细菌中，接合现象研究最清楚的是大肠杆菌。大肠杆菌的接合与其细菌表面的性纤毛有关，大肠杆菌有雄性和雌性之分，而决定它们性别的是F因子的有无。F因子又称致育因子，能促使两个细胞之间的接合，是一种质粒。其遗传组成包括三个部分：原点（是转移的起点）、致育基因群、配对区域。F因子约有6×104对核苷酸组成，相对分子质量为5×107， 约占大肠杆菌总DNA含量的2％。F因子具有自主地与细菌染色体进行同步复制和转移到其他细胞中去的能力。它既可以脱离染色体在细胞内独立存在，也可以整合到染色体基因组上；它既可以通过接合而获得，也可以通过理化因素的处理而从细胞中消除。
脐状雌性细菌不含F因子，称为F—菌株，雄性含有F因子，并且根据F因子在细胞中存在情况的不同而有不同名称。一种是游离在细胞染色体之外，为自主复制的小环状DNA分子，这样的细菌称为F+菌株；另一种状态是F因子整合在细菌染色体上，成为细菌染色体的一部分，随同染色体一起复制，这种细菌称为Hfr菌株(high frequency recombination)，即高频重组菌株；还有一种状态是F因子能被整合到细胞核DNA上，也能从上面脱落下来，呈游离存在，但在脱落时，F因子有时能带一小段细胞核DNA，这种含有游离存在的但又带有一小段细胞核DNA的F因子的细菌称为F’菌株。上述三种雄性菌株与雌性菌株接合时，将产生三种不同的结果：
F+×F— 当F+和F—细胞混合在一起时，不同类型的细胞，只要几分钟，便成对地连在一起，即所有F+细胞跟F—细胞配好对，同时在细胞间形成一个很细的接合管。F因子穿过接合管，进入F—细胞，使其转变为F+ 菌株。具体过程为：F+ 菌株的F因子的一条DNA单链在特定的位置上发生断裂，断裂的单链逐渐解开，同时留下另一条环状单链为模板，通过模板的旋转，一方面解开的一条单链通过性纤毛而推入F—菌株中，另一方面，又在供体细胞内，重新组合成一条新的环状单链，以取代解开的单链，此即为滚环模型。在F—菌株细胞中，外来的供体DNA单链上也合成一条互补的新DNA链，并随之恢复成一条环状的双链F因子，这样，F—就变成了F+ 菌株。在F+× F—杂交中，虽然F因子以很高的频率传递，但给体遗产标记的传递则是十分稀少的（只有10-6~10-7）。
F’×F— F’菌株与F—菌株的接合过程同F+与F—菌株的接合过程，接合后，产生二个F’菌株。
Hfr×F— 当Hfr细菌与 F—细菌混合时，两细胞接合配对，接着从Hfr细胞把染色体通过接合管定向转移给F—细胞。Hfr菌株与F—菌株接合的情况比较复杂，接合结果也不完全一样（图5－16）。在大多数情况下，受体细菌仍是F—菌株，只有在极少数情况下，由于遗传物质转移的完整，受体细胞才能成为Hfr菌株。其原因如下：当Hfr菌株与F—菌株发生接合时，Hfr染色体在F因子处发生断裂，由环状变成线状。紧接着，由于F因子位于线状染色体之后，处于末端，所以必然要等Hfr的整条染色体全部转移完后，F因子才能进入到F—细胞。而由于一些因素的影响，在转移过程中，Hfr染色体常常发生断裂，因此Hfr菌株的许多基因虽然可以进入F—菌株，越是前端的基因，进入的机会越多，在F—菌株中出现重组子的时间就越早，频率也高。而对于F因子，其进入F—菌株的机会很少，引起性别变化的可能性也非常小。这样Hfr与F—菌株接合的结果重组频率虽高，但却很少出现F+菌株。
(1)具有组入F因子(用波状线表示)的Hfr细胞跟F—细胞配对。双重圆圈表示构成细菌染色体的双螺旋DNA。(2)接合管形成，Hfr 染色体从F插入点附近的起始位置(i)开始复制。亲本DNA 的一条链穿过按合附近的起始位置 (i)开始复制。亲本DNA的一条链穿过接合管进入受体细胞。(3)在复制和传递过程中，正在交配的细菌分开，形成一个F—部分合子或部分双倍体细胞。在F—细胞中大概还合成了DNA的一条互补链。 (4)F—染色体跟从Hfr传入的染色体片断发生重组产生稳定的重组型。
3.1.4. 溶原性转变
这是一种与转导相似但又有本质不同的现象。首先是它的温和型噬菌体不携带任何供体菌的基因，其次是这种噬菌体是正常的完整的，而不是异常情况下产生的缺陷型噬菌体。溶原转变的典型例子是不产毒素的白喉棒状杆菌(Lorynebactcerium diphthariac)，菌株被噬菌体侵染而发生溶原化时，会变成产毒素的致病菌株。其它如沙门氏菌、红曲霉、链霉菌等也具有溶原转变的能力。
图5－16. 大肠杆菌的Hfr×F—杂交
3.2. 噬菌体的基因重组
噬菌体原来指细菌病毒，近年来发现真菌、藻类都有噬菌体。病毒属于原核生物，是化学成份最简单的生物，它没有一般的细胞结构，它的染色体和细菌一样并不和蛋白质结合在一起。它具有寄生专一性，只能在寄主细胞内繁殖。它可以离开寄主细胞而存活，可是不能繁殖。由于病毒的简单的体制和它与寄主细胞的特殊关系，它已成为分子遗传学研究中最普遍采用的材料之一。病毒的研究对认识遗传物质的本质有着重要的作用，在遗传工程的研究中它也是一种重要的工具。
噬菌体就它的化学本质来讲，有RNA噬菌体、DNA噬菌体、单链噬菌体、双链噬菌体等，就它和寄主的关系来讲，可以分为烈性噬菌体和温和性噬菌体两大类。
3.2.1. 烈性噬菌体
20世纪40年代在大肠杆菌T2噬菌体中首次发现了噬菌体的基因重组。T2噬菌体有许多突变型，最早发现的有快速溶菌(r)、寄主范围(h)、小形噬菌斑（m）等突变型。h可以感染野生型细菌和抗T2细菌 (用B／2表示)，h+只能感染野生型大肠杆菌B品系；r为快速溶菌突变型，能产生大噬菌斑，r+为迟缓溶菌，生成小的噬菌斑。当h+r(寄主范围正常，但具速溶性状)和h r+(无速溶性状，但寄主范围扩大)两种噬菌体同时感染大肠杆菌B品系，然后把子代噬菌体接种在同时长有大肠杆菌B和B／2两种菌组成的混合菌平板上，结果出现四种不同的噬菌斑(图5－17)。在四种噬菌斑中，透明而小(hr+)和半透明而大(h+r)是亲本组合，半透明而小(h+r+)和透明而大(hr)是重组类型。
图5－17. 噬菌体h+r-× h-r+产生的四种子裔噬菌体形成的噬菌斑
3.2.2. 温和性噬菌体
温和性噬菌体跟F因子一样，宛如附加的细菌基因群，既能以自主的自我复制颗粒存在，也可以插入细菌染色体与其一起复制。λ噬菌体是最著名的温和性噬菌体。
当λ侵染大肠杆菌时，发生两种反应：一种是裂解性反应，和烈性噬菌体侵染敏感细菌所进行的反应相同。在寄主体内，侵染的噬菌体DNA立即复制，合成头部和尾部，装配成成熟的噬菌体颗粒，裂解寄主细胞，释放出几百个成熟的噬菌体。另一种是溶源反应。侵染的噬菌体进入寄主细胞后，其DNA可以整合到寄主细胞染色体上，成为细菌染色体的一部分，以原噬菌体形式存在于细胞中，使细菌溶源化，这种状态的温和噬菌体又称为原噬菌体。受λ噬菌体侵染的大肠杆菌的裂解只是一小部分，其裂解的确切频率部分依赖于噬菌体和寄主的基因型，部分依赖于侵染的环境条件，其余大部分细菌则进入溶源反应。原噬菌体能够自发的诱变成成熟的噬菌体颗粒而裂解寄主细胞，紫外线是一种有效的诱发因素。
3.3. 真核微生物的基因重组
真核微生物的基因重组方式有有性杂交、准性生殖和无性生殖等：
3.3.1. 有性杂交
有性杂交是指在微生物的有性繁殖过程中，两个性细胞相互接合，通过质配、核配后形成双倍体的合子，随之合子进行减数分裂，部分染色体可能发生交换而进行随机分配，由此而产生重组染色体及新的遗传型，并把遗传性状按一定的规律性遗传给后代的过程。凡是能产生有性孢子的酵母菌和霉菌，都能进行有性杂交。
有性杂交在生产实践中被广泛用于优良品种的培育。在进行有性杂交时，首先要选择杂交的亲株，不但要考虑到性的亲和性，还要考虑其标记，以免在杂种鉴别时引起极大困难；其次，要考虑子囊孢子的形成条件，选用生孢子培养基，营造饥饿条件促进细胞发生减数分裂形成子囊孢子；另外，可以采用群体交配法、孢子杂交法、单倍体细胞交配法等进行有性杂交。群体交配法是将两种不同交配型的单倍体酵母混合培养在麦芽汁中过夜，当镜检时发现有大量的哑铃型接合细胞时，就可以挑出接种微滴培养液中，培养形成二倍体细胞。孢子杂交法需借助显微操纵器将不同亲株的子囊孢子配对，进行微滴培养和湿室培养，使之发芽接合，形成合子，这种方法的优点在于可以在显微镜下直接观察到合子的形成，但这种方法需精密仪器，费工也大。单倍体细胞交配法与孢子杂交法类似，是用两种交配型细胞配对放在微滴中培养，在显微镜下观察合子形成，但此法的成功率较小。例如用于酒精发酵的酵母菌和用于面包发酵的酵母菌是同属一种啤酒酵母(Saccharomyces cereuisiac)的两个不同菌株，由于各自的特点，它们不能互用。而通过两者的杂交，得到了产酒率既高，又对麦芽糖及葡萄糖的发酵能力强，产生C02多，生长快，可以用作面包厂和家用发酵酵母的优良菌种。
3.3.2. 准性生殖
准性生殖是一种类似于有性生殖但比它更原始的一种生殖方式。它可使同一种生物的两个不同来源的体细胞经融合后，不经过减数分裂和接合的交替，不产生有性孢子和特殊的囊器，仅导致低频率的基因重组，重组体细胞和一般的营养体细胞没有什么不同。准性生殖多见于一般不具典型有性生殖的酵母和霉菌，尤其是半知菌中，其主要过程为：
菌丝联结 发生联结的频率很低，常发生在一些形态上没有区别的，但在遗传性状上有差别的两个同种亲本的体细胞(单倍体)间，。
形成异核体 当两个遗传性状不同的菌株的菌丝互相接触时，通过菌丝的联结，使细胞核由一根菌丝进入另一根菌丝，原有的两个单倍体核集中到同一个细胞中，形成双倍的异核体。异核体能独立生活。
形成杂合二倍体 异核体的两个不同遗传性状的细胞核融合在一起，产生杂合二倍体。它与异核体不同，与亲本也不同，它的DNA含量约为单倍体的二倍，孢子体积约比单倍体孢子大一倍，其它一些性状也有明显区别，杂合二倍体相当稳定。核融合后产生杂合二倍体的频率也是极低的，如构巢曲霉和米曲霉为10-5～10-7。
体细胞重组和单倍体化 尽管杂合二倍体的无性繁殖很稳定，但也有极少数细胞核在有丝分裂过程中染色体会发生交换和单倍体化，从而形成了极个别的具有新遗传性状的单倍体杂合子。如果对杂合二倍体用紫外线、γ射线或氮芥等化学诱变剂进行处理，就会促进染色体断裂、畸变或导致染色体在两个子细胞中的分配不均，因而有可能产生有不同性状组合的单倍体杂合子。
准性生殖为一些没有有性繁殖过程但有重复生产价值的半知菌及其它微生物的育种，提供了重要的手段。如霉菌中酱油曲霉、黑曲霉等已杂交成功。
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