微生物的遗传与变异

微生物的遗传与变异是微生物学中最为活跃和基础的研究方向之一。微生物因其世代交替快、繁殖速度高、基因组结构相对简单而成为遗传学探索的理想对象。这一领域不仅关注微生物遗传物质的传递和表达规律，更深入探讨基因突变、重组、转移等多种遗传变异机制。通过研究这些过程，科学家能够揭示生命活动的分子基础，进一步理解遗传多样性的形成与演化。

微生物遗传学的发展，极大丰富了生物学理论体系。在应用层面，遗传与变异的研究成果已广泛推动了工业发酵品种的改良、药物生产工艺的优化、抗生素的研发与筛选等。例如，针对青霉素高产菌株的定向选育，使工业化生产效率大幅提升；利用基因重组技术生产人用胰岛素和疫苗，为现代生物制药带来革命性进展。此外，通过基因工程和代谢工程对微生物功能的定制，还促进了环境污染生物修复、新型生物材料开发以及精准农业用菌的选育。

值得注意的是，随着高通量测序技术和分子生物学方法的发展，微生物遗传多样性的研究已从传统的表型水平向基因、基因组乃至生态系统层面拓展。大量微生物新基因、基因组合及功能元件被发现并应用于实际问题的解决。从合成生物学构建新型工程菌，到利用微生物组调控人体健康，微生物遗传学的影响力正不断延伸，对人类生活产生着日益深远的作用。

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微生物遗传物质的特点

微生物的遗传物质主要是DNA，少数病毒含有RNA作为遗传物质。与高等生物相比，微生物的遗传系统具有独特的组织方式和功能特征。

细菌染色体的结构特征

细菌的染色体通常是一个环状的双链DNA分子，位于细胞质中的拟核区域。大肠杆菌的染色体长度约为4.6×10⁶个碱基对，如果拉直可达1.5毫米，而细菌细胞本身的长度只有2微米左右。这意味着细菌染色体必须经过高度折叠和压缩才能容纳在细胞内。细菌染色体没有组蛋白包裹，而是通过核样蛋白和超螺旋结构来维持紧密的空间构型。

质粒的遗传作用

质粒是染色体外的小型环状DNA分子，通常携带非必需但对细菌生存有利的基因。质粒的大小从几千到几百万个碱基对不等，可以在细菌细胞间转移，是细菌遗传多样性的重要来源。常见的质粒类型包括抗性质粒（R质粒）、致育质粒（F质粒）、降解质粒和毒力质粒等。

中国在20世纪70年代就开始研究抗生素抗性质粒的传播机制。研究发现，医院环境中的大肠杆菌常常携带多重耐药质粒，这些质粒可以通过接合等方式在不同菌株间传递，导致“超级细菌”的出现。这一发现对临床抗生素的合理使用具有重要指导意义。

下表总结了细菌遗传物质的主要类型及其特点：

微生物基因组的组成分析

微生物基因组的组成呈现出明显的功能分区特征。以大肠杆菌为例，其基因组中约87%的序列是蛋白质编码区，这一比例远高于人类基因组（仅约1.5%）。这反映了微生物基因组的高度紧凑性和效率性。

从上图可以看出，大肠杆菌基因组中代谢相关基因数量最多，占基因总数的约28%，这与细菌需要适应多变环境、快速调整代谢途径的生存策略密切相关。信息处理基因（包括DNA复制、转录、翻译相关基因）位居第二，约占23%。环境适应基因（如趋化性、应激反应等）占17%左右，反映了细菌对外界环境变化的敏感性和适应能力。

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基因突变与诱变育种

基因突变是指DNA分子中碱基对的改变，包括碱基的替换、插入或缺失。基因突变是微生物遗传变异的基础，也是微生物进化和适应环境的重要机制。

基因突变的类型与机制

基因突变按照涉及的碱基数量可分为点突变和移码突变。点突变是单个碱基对的改变，可进一步分为转换（嘌呤与嘌呤互换，或嘧啶与嘧啶互换）和颠换（嘌呤与嘧啶互换）。移码突变是由碱基的插入或缺失引起的，会导致其后的密码子阅读框架发生改变，通常会产生严重的表型变化。

自发突变在微生物中持续发生，频率通常为10⁻⁶到10⁻⁹次/碱基对/细胞分裂。这种低频率的突变为微生物提供了适应环境变化的遗传多样性基础。例如，当细菌遇到抗生素时，群体中极少数携带抗性突变的个体能够存活并繁殖，最终形成抗性菌株。

物理诱变因素

紫外线是最常用的物理诱变因素。波长为260纳米的紫外线能被DNA强烈吸收，导致相邻的两个胸腺嘧啶形成胸腺嘧啶二聚体，使DNA复制受阻。如果细胞的修复系统无法及时修复这些损伤，就会导致突变的固定。

中国科学院微生物研究所在20世纪60年代就开展了利用紫外线诱变选育高产菌株的研究。例如，通过紫外线诱变处理谷氨酸棒杆菌，成功选育出谷氨酸产量提高30%以上的突变株，为我国味精工业的发展奠定了基础。

电离辐射（如X射线、γ射线）具有更强的穿透力和能量，能够直接打断DNA分子的磷酸二酯键，造成染色体断裂和重排。这类诱变剂的突变效应更强，但也更容易造成致死性损伤。

化学诱变因素

化学诱变剂种类繁多，作用机制各异。常用的化学诱变剂包括：

碱基类似物能够在DNA复制时替代正常碱基掺入DNA链中，但配对特性与正常碱基不同，从而导致突变。例如，5-溴尿嘧啶（5-BU）是胸腺嘧啶的类似物，正常情况下与腺嘌呤配对，但其稀有互变形式可与鸟嘌呤配对，导致A-T碱基对突变为G-C碱基对。

烷化剂如亚硝基胍（NTG）和甲基磺酸乙酯（EMS）能够在DNA碱基上添加烷基，改变碱基的配对特性。NTG是微生物育种中最常用的化学诱变剂之一，其诱变效率高，操作简便。

诱变育种的实际应用

诱变育种是利用物理或化学诱变因素提高突变频率，从大量突变株中筛选具有优良性状个体的育种方法。诱变育种的关键在于确定适当的诱变剂量和建立高效的筛选体系。

诱变剂量过低，突变频率不够；剂量过高，则致死率太高，存活的突变株数量太少。通常将致死率控制在80%-90%时的诱变剂量作为最适剂量。下图展示了不同紫外线照射时间对大肠杆菌存活率和突变率的影响：

从图中可以看出，随着紫外线照射时间的延长，细菌存活率快速下降，而突变率先上升后下降。这是因为过强的诱变处理会导致致死性损伤过多，可供筛选的存活突变株数量反而减少。因此，最佳诱变剂量通常选择在突变率达到峰值附近且存活率在10%-20%之间的条件。

中国青霉素工业菌株的选育就是诱变育种的成功范例。从1953年引进的最初菌株产量仅为40单位/毫升，经过数十年的诱变选育和筛选，到21世纪初产量已提高到8万单位/毫升以上，提高了2000倍，大大降低了生产成本，使中国成为世界最大的青霉素生产国。

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基因重组

基因重组是指来自不同个体的遗传物质通过一定机制组合到同一个细胞内的过程。细菌的基因重组主要包括转化、转导和接合三种方式。这些机制使得细菌能够在个体间交流遗传信息，大大加快了适应性基因的传播速度。

转化

转化是指细菌直接从周围环境中摄取外源DNA片段，并将其整合到自身基因组中的过程。这一现象最早由英国微生物学家格里菲斯在1928年研究肺炎链球菌时发现。

并非所有细菌都能发生自然转化。能够发生自然转化的细菌称为感受态细菌，包括肺炎链球菌、流感嗜血杆菌、脑膜炎奈瑟氏菌等。这些细菌在特定生长时期会表达一系列摄取DNA的蛋白质，在细胞表面形成DNA结合和转运系统。

转化过程包括以下步骤：外源DNA与细胞表面的受体蛋白结合，DNA的一条链被核酸酶降解，另一条链进入细胞质，进入细胞的DNA链与染色体的同源区段发生重组，整合到细胞基因组中。整合成功的转化子就获得了供体DNA所携带的遗传性状。

在实验室中，可以通过人工方法诱导细菌进入感受态。常用的方法包括氯化钙处理和电穿孔法。氯化钙处理能够改变细胞膜的通透性，使DNA更容易进入细胞。电穿孔法则是利用瞬间的高压电场在细胞膜上打开暂时性孔道，让DNA进入细胞。这些人工转化技术是分子生物学和基因工程的基础操作。

转导

转导是以噬菌体为载体，将供体菌的DNA片段转移到受体菌中的过程。噬菌体是感染细菌的病毒，在感染过程中有时会错误地将宿主菌的DNA片段包装进噬菌体颗粒，当这个噬菌体感染新的宿主时，就将前一个宿主的DNA带入新细胞，实现了基因转移。

转导分为普遍性转导和局限性转导两种类型。普遍性转导是由裂解性噬菌体介导的，噬菌体在装配过程中偶然将宿主菌染色体的任意片段装入噬菌体头部，因此原则上可以转移细菌基因组的任何区段。局限性转导则是由温和噬菌体介导的，只能转导整合位点附近的特定基因。

转导在自然界细菌群体中基因交流中起着重要作用。例如，致病菌中许多毒力基因和抗性基因就是通过转导在不同菌株间传播的。金黄色葡萄球菌的毒素基因、白喉棒杆菌的白喉毒素基因等都位于噬菌体基因组上，通过转导在菌株间传播。

接合

接合是指两个细菌细胞通过直接接触进行遗传物质转移的过程。接合需要供体菌携带接合质粒（如F质粒），质粒上的基因编码性菌毛和DNA转移系统。

携带F质粒的细菌称为F⁺菌（供体菌），不含F质粒的称为F⁻菌（受体菌）。接合过程中，F⁺菌伸出性菌毛与F⁻菌接触，建立连接通道，F质粒的一条链被切开并通过通道转移到F⁻菌中，同时在两个细胞中分别进行互补链的合成，最终F⁻菌变成F⁺菌。

有时F质粒会整合到细菌染色体上，形成Hfr菌株（高频重组菌株）。Hfr菌株与F⁻菌接合时，可以将整合了F质粒的染色体DNA转移到受体菌中，实现染色体基因的转移。这一过程具有极性和时序性，从F质粒整合位点开始，按顺序将染色体DNA转移到受体菌。通过中断接合实验，可以绘制细菌染色体的遗传图谱。

下表对比了三种基因重组方式的主要特征：

这三种基因重组方式在自然界中都广泛存在，它们共同构成了细菌遗传多样性的重要来源。特别值得关注的是，抗生素抗性基因和致病性基因常常通过这些途径在细菌群体中快速传播，这对临床治疗和公共卫生防控提出了严峻挑战。

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基因工程与重组微生物构建

基因工程技术使人类能够有目的地改造微生物的遗传特性，构建具有特定功能的重组微生物。这一技术的发展极大地推动了生物技术产业的进步。

基因工程的基本原理与技术流程

基因工程，也称为重组DNA技术，是指在体外将目的基因与载体DNA重组，然后导入宿主细胞，使目的基因在宿主细胞中表达的技术。基因工程的实施通常包括以下步骤。

首先是目的基因的获取。可以通过从基因组DNA中分离特定基因片段、利用逆转录酶从mRNA合成cDNA、或通过化学合成和PCR扩增等方法获得目的基因。中国科学家在20世纪80年代成功合成了人工胰岛素基因，这是世界上第一个人工合成的具有生物活性的蛋白质基因，标志着中国在基因合成技术上达到国际先进水平。

其次是构建重组载体。载体是携带目的基因进入宿主细胞并使其复制和表达的DNA分子，常用的载体包括质粒、噬菌体、病毒等。质粒载体使用最为广泛，一个理想的质粒载体应具备以下特征：含有复制起点以保证自主复制，具有选择标记基因（如抗生素抗性基因）便于筛选，含有多个限制性内切酶识别位点的多克隆位点便于插入外源基因，体积较小便于操作和转移。

将目的基因与载体用相同的限制性内切酶切割，产生互补的粘性末端，然后用DNA连接酶将它们连接起来，就构建成了重组DNA分子。接下来需要将重组DNA导入宿主细胞，这一过程称为转化。对于细菌宿主，常用氯化钙法或电穿孔法进行转化。

转化后的细胞需要通过筛选和鉴定，挑选出真正含有重组质粒的阳性克隆。常用的筛选方法包括抗生素抗性筛选、蓝白斑筛选、PCR检测和测序鉴定等。最后，将筛选得到的重组菌株在适宜条件下培养，诱导目的基因的表达，生产目的产物。

重组微生物的构建案例

人胰岛素的生产是基因工程应用的经典案例。糖尿病患者需要长期注射胰岛素来控制血糖，传统的胰岛素从猪或牛的胰腺中提取，成本高、产量有限且可能引起免疫反应。1978年，美国科学家首次利用大肠杆菌生产出人胰岛素，开创了基因工程药物的新纪元。

人胰岛素由A链（21个氨基酸）和B链（30个氨基酸）通过二硫键连接而成。基因工程的策略是分别合成编码A链和B链的基因，分别克隆到质粒载体中，在大肠杆菌中表达，然后在体外将A链和B链通过化学方法连接并折叠形成有活性的胰岛素分子。

中国在20世纪90年代也成功开发了基因工程人胰岛素的生产技术。目前，国内多家企业已实现规模化生产，产品不仅满足国内需求，还出口到多个国家。基因工程人胰岛素的成功开发大大降低了糖尿病治疗的成本，也使更多患者能够获得高质量的治疗。

另一个重要的例子是乙肝疫苗的生产。传统的乙肝疫苗从乙肝病毒携带者的血液中提取，存在安全隐患。1986年，利用基因工程技术在酵母菌中表达乙肝病毒表面抗原（HBsAg）的重组乙肝疫苗问世。这种疫苗安全性高、产量大、成本低。中国于1993年开始将乙肝疫苗纳入儿童免疫规划，经过二十多年的努力，中国5岁以下儿童的乙肝表面抗原携带率从1992年的9.7%下降到2014年的0.3%，这是公共卫生领域的重大成就。

基因工程在微生物改造中的应用趋势

现代基因工程技术已经从最初的单基因操作发展到多基因、整个代谢途径甚至基因组的改造。合成生物学的兴起使得研究者可以像工程师设计机器一样设计生物系统。

代谢工程是对微生物代谢途径进行理性设计和改造，以提高目标产物的产量。例如，通过增强前体物质的供应、敲除竞争性代谢途径、优化限速酶的表达等策略，可以大幅提高目标代谢产物的产量。中国科学家利用代谢工程改造大肠杆菌生产番茄红素，产量达到2克/升以上，达到工业化生产水平。

基因组编辑技术如CRISPR-Cas9系统为微生物改造提供了更加精确、高效的工具。该系统利用向导RNA引导Cas9核酸酶精确定位到基因组的目标位置进行切割，实现基因的敲除、插入或替换。CRISPR技术已广泛应用于微生物的基因功能研究和工业菌株的改良。

下图展示了近年来中国基因工程产品市场规模的增长趋势：

从图中可见，中国基因工程产品市场保持快速增长态势。基因工程药物市场规模从2015年的420亿元增长到2023年的1288亿元，年均增长率超过15%。基因工程疫苗市场增长更为迅速，特别是2020年以后受新冠疫情影响，疫苗研发和生产得到前所未有的重视，市场规模快速扩大。

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微生物菌种选育的实践应用

微生物菌种选育是利用各种遗传变异手段，结合高效筛选技术，获得性状优良的工业菌株的过程。菌种的质量直接决定了发酵生产的经济效益。

菌种选育的基本策略

工业菌种选育通常采用诱变与筛选相结合的策略。首先选择一个基础菌株，利用物理或化学诱变方法提高突变频率，获得大量突变株库，然后根据目标性状建立高效的筛选体系，从突变株库中挑选出优良突变株，再对优良突变株进行稳定性测试和发酵条件优化。这一过程往往需要多轮循环才能获得满意的菌株。

筛选方法的选择至关重要。对于代谢产物的高产菌株筛选，需要建立快速检测产物含量的方法，如比色法、微生物法、高效液相色谱法等。对于营养缺陷型突变株的筛选，可以利用影印培养技术，通过对照完全培养基和缺陷培养基上的菌落生长情况来识别突变株。对于抗性突变株的筛选，则直接在含有相应抗性因子的培养基上筛选。

中国微生物菌种选育的成功案例

中国在微生物菌种选育方面积累了丰富的经验，取得了许多举世瞩目的成就。

谷氨酸发酵菌株的选育是中国微生物工业的骄傲。谷氨酸是味精的主要成分，20世纪60年代初，中国从日本引进谷氨酸棒杆菌生产味精的技术，产量仅为30克/升左右。经过科研人员几十年的努力，通过诱变选育、代谢调控和发酵工艺优化，谷氨酸发酵水平达到150克/升以上，转化率超过60%，使中国成为世界最大的味精生产国和出口国。

柠檬酸是重要的食品添加剂和化工原料。中国利用黑曲霉进行柠檬酸发酵生产，通过诱变选育和发酵条件优化，柠檬酸产量从最初的50克/升提高到150克/升以上，糖酸转化率达到90%以上。目前中国柠檬酸产量占全球总产量的70%以上。

红曲霉是中国传统的食品发酵微生物，用于生产红曲米、红曲酒等传统食品。现代研究发现红曲霉的次级代谢产物Monacolin K（洛伐他汀）具有降血脂作用。中国科学家通过菌种选育和发酵工艺优化，建立了利用红曲霉生产洛伐他汀的工业化技术，产量达到3克/升以上，为开发传统微生物资源提供了成功范例。

菌种保藏与资源管理

优良菌株是宝贵的生物资源，需要妥善保藏。菌种保藏的目的是保持菌株的遗传稳定性和生活力，防止菌株退化、污染和丢失。

常用的菌种保藏方法包括定期移种保藏、液体石蜡覆盖保藏、冷冻干燥保藏和超低温冷冻保藏。定期移种保藏简单易行，但容易引起遗传变异，适用于短期保藏。冷冻干燥保藏和超低温冷冻保藏可以长期保存菌株且保持遗传稳定性，是现代菌种保藏的主要方法。

中国微生物菌种保藏管理委员会办公室（CCCCM）下属多个菌种保藏中心，保存着数万株微生物菌种资源，包括细菌、真菌、放线菌、酵母等。这些菌种资源为科学研究和工业应用提供了重要的物质基础。中国普通微生物菌种保藏管理中心（CGMCC）保存的菌株超过3万株，是亚洲最大的微生物资源库之一。

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小结

微生物的遗传与变异是微生物学的核心内容，也是现代生物技术的基础。微生物独特的遗传系统，包括染色体、质粒、转座子等多种遗传元件，为遗传变异提供了物质基础。基因突变和基因重组是微生物遗传变异的两种基本形式，前者通过碱基序列的改变产生新的等位基因，后者通过不同来源遗传物质的组合产生新的基因型组合。

诱变育种技术利用物理或化学诱变因素提高突变频率，结合高效筛选方法，能够快速获得具有优良性状的突变株。中国在微生物诱变育种方面积累了丰富的经验，青霉素、谷氨酸、柠檬酸等工业菌株的选育成就斐然。

基因工程技术的发展使人类能够有目的地改造微生物的遗传特性，构建具有特定功能的重组微生物。从胰岛素、干扰素等重组蛋白药物的生产，到乙肝疫苗等基因工程疫苗的研制，基因工程在医药、农业、环境保护等领域展现了巨大的应用潜力。

随着基因组学、合成生物学和基因编辑技术的发展，微生物遗传学研究进入了新的阶段。理性设计与随机突变相结合，高通量筛选与智能优化算法相结合，将使微生物菌种改良的效率大幅提高。微生物遗传学的发展不仅深化了我们对生命本质的认识，也为解决人类面临的健康、能源、环境等重大问题提供了有力工具。

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本节练习

1. 下列关于细菌质粒的叙述，错误的是（ ）

A. 质粒是染色体外的环状DNA分子

B. 质粒能够自主复制

C. 质粒上携带的基因都是细菌生存所必需的

D. 质粒可以在细菌间转移

2. 在微生物诱变育种中，常将致死率控制在80%-90%，其主要原因是（ ）

A. 此时的突变率最高

B. 此时能够获得最多的存活突变株

C. 此时正突变率最高

D. 此时最容易筛选出优良突变株

3. 细菌的三种基因重组方式中，能够转移最大量DNA的是（ ）

A. 转化

B. 转导

C. 接合

D. 三者转移的DNA量相当

4. 基因工程中常用的质粒载体应具备的特征不包括（ ）

A. 含有复制起点

B. 具有选择标记基因

C. 能整合到宿主染色体上

D. 具有多个限制性内切酶识别位点

5. 中国在微生物菌种选育方面取得的成就中，不包括（ ）

A. 青霉素产量从40单位/毫升提高到8万单位/毫升以上

B. 谷氨酸发酵水平达到150克/升以上

C. 柠檬酸产量达到150克/升以上

D. 成功利用红曲霉生产青霉素

6. 请说明细菌的转化、转导和接合三种基因重组方式在基因转移机制上的主要区别，并分析它们在自然界细菌遗传变异中的作用。

7. 基因工程技术在微生物改造中的应用为人类带来了巨大的经济和社会效益。请以人胰岛素或乙肝疫苗为例，说明基因工程在医药领域的应用过程，并分析其相比传统方法的优势。