细菌基因的转移与重组

在某种情况下，两个不同性状细菌的基因可以发生部分转移，经过基因间的重组(recombination)，形成新的遗传型个体。接受基因的细菌为受体菌，提供基因的细菌为供体菌。细菌的基因转移和重组的主要形式有转化、转导、接合、原生质体融合和转染。

（一）转化(transformation)

供体菌游离的DNA片段直接进入受体菌，使受体菌获得新的性状，称为转化。转化的发生过程，首先是供体的DNA片段吸附于受体细菌的细胞膜上。这种吸附起先是可逆的，后来则不可逆，细胞膜上的双链DNA分解成单链，与一种特异的蛋白结合，穿入受体菌细胞内，与其DNA发生整合，取代一部分原来的DNA，受体菌由于获得外源的DNA而改变了遗传性状（图6-2）。20世纪20年代发现的肺炎链球菌的转化是经典范例

转化现象不是所有细菌都有转化现象。大多数细菌不能接受外源性DNA，不能将它整合到染色体之中；另外，细菌还能产生内切酶，能识别并破坏进入细胞的外源性DNA。是否发生转化与菌株在进化过程中的亲缘关系有着密切的联系。同时受体菌必须处于感受态（competence）才能转化。

（二）转导（transduction）

以温和噬菌体为媒介，把供体菌的DNA小片段携带到受体菌中，通过交换与整合，使受体菌获得供体菌的部分遗传性状，称为转导。获得新遗传性状的受体菌细胞，称为转导子（transductant）。

细菌的转导又分普遍性转导和局限性转导，普遍性转导与温和噬菌体的裂解期有关，局限性转导则与温和噬菌体的溶原期有关。

1. 普遍性转导（general transduction）：温和噬菌体在裂解期的后期，其DNA已大量复制，与外壳蛋白装备新的噬菌体时，大约10⁵~10⁷分子之一的新噬菌体装配错误，将细菌DNA的裂解片段装入噬菌体外壳蛋白中，成为一个完全缺陷的转导性噬菌体（transducing phage）。误被装入的DNA片段可以是供体菌染色体上的任何部分，也可以是质粒DNA。由这种噬菌体介导的转导，称为普遍性转导（图6-3）。当转导噬菌体侵入另一受体菌时，可将错装的供体菌DNA片段带入受体菌，出现两种结果，一种是供体菌DNA片段与受体菌的染色体DNA整合，使后者成为遗传性状稳定的转导子，称完全转导（complete transduction）；另一种情况是，有一些供体菌的DNA片段不能与受体菌染色体整合，仍保持游离状态，不自身复制，但能转录、翻译和表达性状，称为顿挫转导（abortive transduction）。

2. 局限性转导（restricted transduction）：由噬菌体所介导的供体菌染色体上个别特定基因的转导，称为局限性转导。例如λ噬菌体进入大肠杆菌，当处于溶源期时，噬菌体DNA整合在大肠杆菌染色体的特定部位，即在半乳糖苷酶基因（gal）与生物素基因（bio）之间，细菌受紫外线照射或化学因素作用后，λ噬菌体从溶原期进入裂解期，其DNA又从细菌染色体上分离，分离时会有10^－6的噬菌体将其本身DNA上的一段留在细菌染色体上，却带走了细菌DNA上两侧的gal或bio基因，这种发生偏差的噬菌体，称为部分缺陷噬菌体，当此噬菌体再次侵入受体菌时，可带入原来供体菌的特定基因gal或bio（图6-4）。

应当注意转导与溶源转换（lysogenic conversion）两者的差别。后者是指温和噬菌体感染其寄主后，噬菌体基因整合于寄主基因组中，寄主的性状发生变异，它是一种表面上与转导相似但本质上却不同的特殊现象。当噬菌体在寄主中消失时，通过噬菌体转换而获得的性状也同时丧失。

（三）接合（conjugation）

是两个完整的细菌细胞通过性菌毛直接接触，由供体菌将质粒DNA转移给受体菌的过程。接合性质粒有F质粒、R质粒、Col质粒等。

1. F质粒的接合：F质粒通过性菌毛由雄性菌（F⁺）转移给雌性菌（F^－）的过程，称为F质粒的接合。在受体菌获得F质粒时，供体菌并不失去F质粒。受体菌在获得F质粒后即变为F⁺菌，也长出性菌毛（图6-5）。

大肠杆菌的F质粒进入F^－菌后，能单独存在，自行复制。但有小部分F质粒可整合到受体菌的染色体上，与染色体一起复制。整合后的细菌能以高效率转移染色体上的基因，称为高频重组菌(high frequency recombinant，Hfr)。Hfr不稳定，F质粒可从染色体上脱离下来变为F⁺菌，终止其Hfr状态。从染色体上脱离下的F质粒有时可带有染色体上几个邻近的基因，这种质粒称为F’质粒。当F’质粒转入F^－菌时，F^－菌可同时获得这一部分新的基因而成为F’菌。所以F’质粒有类似转导中的温和噬菌体，起着基因载体的作用。这种通过F’质粒转移基因称为性导（sexduction）。F⁺、Hfr、F’三种菌都有性菌毛，均为雄性菌。

2. R质粒的接合：细菌耐药性的产生主要是由于R质粒在菌株间的迅速转移和快速生长繁殖所致。R质粒有两种功能不同的部分组成，一是耐药性转移因子（resistance transfer factor ，RTF），其作用类似F因子；另一种是耐药性因子（RF），它决定耐药性。RTF和RF均能自主复制，但是只有两者一起存在时，这个细菌才能将耐药性转移给另一个细菌。R质粒的接合方式类似F因子的转移方式，先由RTF控制，耐药菌（R⁺）长出R菌毛，和敏感菌（R^-）相接触，RF即由R⁺菌转移至R^-菌内。当RF与F因子一起共存于某个细菌细胞时，有些RF可以阻止F因子的转移，称为fi⁺（fertility inhibition）因子；而另一些不阻止F因子转移的RF，称为fi^- R因子。

3. Col质粒的接合：Col质粒控制细菌素的合成，这类质粒很多，有的可以产生性菌毛，在细菌间进行接合转移，称为转移性质粒；有的不能进行在细菌间接合转移，称为非转移性质粒；但当细菌细胞同时具有可转移的质粒如F因子时，则两者可同时发生接合转移。

（四）原生质体融合（protoplast fusion）

通过人为的方法，使遗传性状不同的两细菌细胞的原生质体发生融合，并进而发生遗传重组，以产生同时带有双亲性状的、遗传性稳定的融合子(fusant)的过程，称为原生质体融合。原生质体融合技术是继转化、转导和接合之后一种更加有效的转移遗传物质的手段。当前，有关原生质体融合在育种工作中的研究甚多，成绩显著，除不同菌株间或种间进行融合外，还能做到属间、科间甚至更远缘的微生物细胞间的融合。

（五）转染（transfection）

受体菌获得从噬菌体而非从其它供体菌提取的DNA的过程，称为转染。另外，转染一词更广泛地用于真核生物细胞，其含义有差别，指真核细胞通过病毒感染，获得某一片段DNA或RNA的过程。与原生质体融合一样，转染也是一种人为的手段，通常多用于哺乳动物细胞，往往为了获得重组病毒而设计。

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