第五节 微生物的遗传

微生物遗传学是研究和揭示微生物遗传变异规律的一门学科。遗传性和变异性是微生物最基本的属性之一。所谓遗传性就是在一定环境条件下，微生物性状相对稳定，能把亲代性状传给子代，维持其种属的性状，从而保持物种的延续。在某些条件下，由于微生物遗传物质的结构变化，而引起某些相应性状发生改变的特性，称为变异性。这种变异性是可遗传的。遗传性和变异性的关系：遗传中有变异，变异中有遗传。遗传和变异是一对既互相对立，又同时并存的矛盾。没有变异，生物界就失去进化的材料，遗传只能是简单的重复；没有遗传，变异不能积累，变异就失去意义，生物也就不能进化。

研究微生物的遗传变异具有重大的理论与实践意义。对微生物遗传变异特性的深入研究，特别是随着各种微生物基因组全序列测定的完成，使人们在基因组水平全面深刻认识微生物遗传变异规律及其多样性，从而有目的定向利用丰富的微生物资源，创造出更多具有生产性能优良的菌种，使之在相同发酵或培养条件下，达到优质高产，更好地造福于人类。

一、遗传的物质基础

20世纪50年代前后，人们以微生物为研究对象，用三个著名的实验证明了DNA才是一切生物遗传变异的物质基础。

（一）三个经典实验

1．经典转化实验

1928年，细菌学家F.Griffith以肺炎链球菌(Streptococcus pneumoniae)（旧称肺炎双球菌）为研究对象进行转化实验。肺炎链球菌是一种球形细菌，常成双或成链排列，可使人患肺炎和小白鼠患败血症致死。它有两种不同菌株，一种为有荚膜的致病菌株，菌落表面光滑，故称S型菌株；另一种不形成荚膜，菌落外观粗糙，称为R型菌株。将加热杀死的S型细菌注入小鼠体内后，小鼠并不死亡，也不能从小鼠体内分离出肺炎球菌；但是将加热杀死的S型细菌和少量活的R型细菌一起注入小鼠体内，却意外发现小鼠死亡，并从死小鼠体内分离出活的S型细菌（图2-13）。对这一现象的合理解释是：在S型细菌细胞内可能存在一种具有遗传转化能力的物质，它能通过某种方式进入R型细胞，并使R型细菌获得表达S型荚膜性状的遗传特性。1944年，O.T.Avery、C.M.MacLeod和M.McCarty从热死的S.pneumoniae中提纯了几种有可能作为转化因子的成分，并深入到离体条件下进行转化实验。从活的S型菌株中抽提各种细胞成分（DNA、蛋白质、荚膜多糖等），而后对各种生化组分进行转化试验。其实验结果是转化组分中有较完整的DNA，使实验组的小鼠均患败血症而死亡。这表明只有S型菌株的DNA才能将肺炎链球菌的R型菌株转化为S型；而且DNA纯度越高，其转化效率也越高，甚至只取用6×10－8g的纯DNA时，仍保持转化活力。这有力地说明了S型菌株转移给R型菌株的绝不是遗传性状（指荚膜多糖）本身，而是以DNA为物质基础的遗传信息。

2．噬菌体感染实验

1952年，A.D.Hershey和M.Chase发表了证实DNA是噬菌体的遗传物质基础的著名实验——噬菌体感染实验（图2-14）。首先，将大肠杆菌(E.coli)培养在以放射性32 P作为磷源或以放射性35S作为硫源的组合培养基中，从而制备出含32P-DNA核心的噬菌体或含35S-蛋白质外壳的噬菌体。接着，将这两种不同标记的病毒分别与其宿主大肠杆菌混合。由图2-14可见，在噬菌体感染过程中，35S标记的实验组多数放射活性留在宿主细胞的外面，其蛋白质外壳未进入宿主细胞；32P标记的实验组多数放射活性进入宿主细胞的里面。由此可知，进入宿主细胞的是DNA。虽然只有噬菌体的DNA进入了宿主细胞，但却有自身的增殖、装配能力，最终会产生一大群既有DNA核心，又有蛋白质外壳的完整子代噬菌体。这充分证明，在噬菌体的DNA中，存在着包括合成蛋白质外壳在内的整套遗传信息。

3．植物病毒的拆分和重建实验

为了证明核酸是遗传物质，H.Fraenkel-Conrat在1956年用含RNA的烟草花叶病毒(TMV)进行著名的植物病毒的拆分和重建实验。将TMV置于一定浓度的苯酚溶液中振荡，使其蛋白质外壳与RNA核心相分离。结果发现裸露的RNA也能感染烟草，并使其患典型症状，而且在病斑中还能分离到完整的TMV粒子。当然，由于提纯的RNA缺乏蛋白质外壳的保护，故感染频率比正常TMV粒子低些。实验中，还选用了另一株与TMV近缘的霍氏车前花叶病毒(HRV)，其外壳蛋白的氨基酸组成与TMV只存在2~3个氨基酸的差别。试验的过程是这样的：①用表面活性剂处理TMV，得到它的蛋白质；②用弱碱处理HRV得到它的RNA; ③通过重建获得杂种病毒；④TMV抗血清使杂种病毒失活，HRV抗血清不使它失活，证实杂种病毒的蛋白质外壳来源是TMV，病毒重建成功；⑤杂种病毒感染烟草产生HRV所特有的病斑，说明杂种病毒的感染特性是由HRV的DNA所决定，而不是二者的融合特征；⑥从病斑中再分离得到的子病毒的蛋白质外壳是HRV蛋白质，而不是TMV的蛋白质外壳。以上实验结果说明杂种病毒的感染特征和蛋白质的特性是由它的RNA所决定，而不是由蛋白质所决定，遗传物质是RNA。

（二）遗传物质存在的七个水平

1．细胞水平

在细胞水平上，真核微生物和原核生物的大部分DNA都集中在细胞核或核质体中。

2．细胞核水平

真核生物的细胞核与原核生物细胞的核区都是该种微生物遗传信息的最主要装载者，被称为核基因组、核染色体组或简称基因组。除核基因组外，在真核生物（仅酵母菌的2μm质粒例外，在核内）和原核生物的细胞质中，多数还存在一类DNA含量少、能自主复制的核外染色体。原核细胞的核外染色体通称为质粒。

3．染色体水平

不同微生物的染色体数差别很大，如米曲霉单倍体染色体数为7，大肠杆菌为1，啤酒酵母为17。原核微生物如细菌一般为单倍体（1个细胞中只有1套染色体），真核微生物如啤酒酵母的营养细胞及霉菌的接合子为二倍体（1个细胞中含有2套功能相同的染色体）。

4．核酸水平

多数生物的遗传物质为双链DNA，只有少数病毒，如大肠杆菌的ØX174和fd噬菌体等为单链DNA。双链DNA有的呈环状（如原核生物和部分病毒），有的呈线状（部分病毒），而有的细菌质粒DNA则呈超螺旋状（麻花状）。真核生物的DNA总与缠绕的组蛋白同时存在，而原核生物的DNA却单独存在。

5．基因水平

基因是生物体内具有自主复制能力的最小遗传功能单位。其物质基础是一条以直线排列、具有特定核苷酸序列的核酸片段。众多基因构成了染色体，每个基因长度大体在1000~1500bp范围。从基因功能上看，原核生物的基因是通过操纵子和其调节基因共同构成的调控系统而发挥作用，每一操纵子又包括结构基因、操纵基因和启动基因（又称启动子或启动区）。结构基因是决定某一多肽链结构的DNA模板；操纵基因与结构基因紧密连锁并通过与相应阻遏物的结合与否，控制是否转录结构基因；启动基因既是DNA多聚酶的结合部位，又是转录的起始位点。操纵基因和启动基因不能转录mRNA。调节基因能调节操纵子中结构基因的活动。调节基因能转录出自己的mRNA，并经转译产生阻遏物（阻遏蛋白），后者能识别并附着在操纵基因上。由于阻遏物和操纵基因的相互作用可使DNA双链无法分开，阻碍了RNA聚合酶沿着结构基因移动，使结构基因不能表达。

6．密码子水平

遗传密码是指DNA链上决定多肽链中各具体氨基酸的特定核苷酸排列顺序。遗传密码的信息单位是密码子，每一密码子由mRNA上3个核苷酸序列（三联体）组成，除决定特定氨基酸的密码子外，还有不代表任何氨基酸的“无意义密码子”（如UAA、UAG和UGA仅表示转译中的终止信号）。

7．核苷酸水平

核苷酸单位（碱基单位）是一个最低突变单位或交换单位，基因是遗传的功能单位，密码子是信息单位。在多数生物的DNA中，均只含腺苷酸(AMP)、胸苷酸(TMP)、鸟苷酸(GMP)和胞苷酸(CMP)4种脱氧核苷酸，但也有少数例外。

（三）微生物的基因组

基因组(genome)是指存在于细胞或病毒中的所有基因，它通常是指单倍体细胞的全部一套基因。由于现在发现许多非编码的DNA序列具有重要功能，因此目前基因组的含义实际上是指细胞质编码基因与非编码的DNA序列组成的总称，包括编码蛋白质的结构基因、调控序列，以及目前功能尚不清楚的DNA序列。不同生物的DNA长度，即基因组的大小各不相同，一般可用bp（base pair，碱基对）和Mb（mega bp，百万或兆碱基对）为单位表示基因组大小。真核与原核微生物的基因组都比较小，最小的大肠杆菌MS2噬菌体只有3000bp,3个基因（通常以1000~1500bp为1个基因计）。微生物基因组随种类不同而表现出多样性，下面分别以大肠杆菌和啤酒酵母为代表介绍常见微生物的基因组。

1．大肠杆菌的基因组

大肠杆菌基因组为双链环状的DNA分子，其长度是菌体长度的1000倍，所以DNA分子是以紧密缠绕成较致密的不规则小体（拟核）形式存在于细胞中，其上结合有类组蛋白蛋白质和少量RNA分子，在细胞中基因组执行着复制、重组、转录、翻译以及复杂的调节过程。1997年由Wisconsin大学的Blattner等人完成了大肠杆菌全基因组的测序工作。

大肠杆菌基因组的大小为4.7×106bp,4288个基因，与其他原核微生物的基因数基本接近，说明这些微生物的基因组DNA绝大多数是可编码的序列，不含有内含子。大肠杆菌总共有2584个操纵子，基因组测序推测出2192个操纵子，如此多的操纵子结构可能与原核基因表达大多采用转录调控有关。此外，由16 SrRNA、23S rRNA、5S rRNA这3种RNA组建了核糖体，它们在核糖体中的比例为1∶1∶1。多数情况下结构基因在基因组中是单拷贝的，但是编码rRNA的基因rrn是多拷贝的，大肠杆菌有7个rRNA操纵子，7个rrn操纵子中就有6个分布于DNA的双向复制起点oric附近，这有利于rRNA的快速装配，以便在急需蛋白质的合成时短时间内大量生成核糖体。原核生物基因组存在一定数量的重复序列，但与真核生物相比少得多，而且重复的序列亦较短，一般为4~40bp。

2．啤酒酵母的基因组

1996年由欧洲、美国、加拿大和日本共96个实验室的633位科学家共同首次完成了啤酒酵母这一真核生物的全基因组的测序工作。该基因组大小为13.5×106bp,5800个基因分布在16个不连续的染色体中，其DNA与4种主要组蛋白(H2A、H2B、H3、H4)结合构成染色体。染色体DNA上有着丝粒和端粒，没有操纵子结构，但有内含子序列。啤酒酵母的基因组最显著的特点是高度重复，如tRNA的基因在每个染色体上至少有4个，多则30多个，总共约有250个拷贝（大肠杆菌约60个拷贝），tRNA的基因只位于Ⅻ号染色体的近端粒处，每个长9137bp，有100~200个拷贝。此外，啤酒酵母基因组中有许多较高同源性的DNA重复序列。如此高度重复的序列是啤酒酵母的一种进化策略，如果少数基因突变失去功能，则可不影响其生命活动，并能适应复杂多变的环境。

真核微生物和原核微生物的基因组差别较大。前者一般无操纵子结构，但存在大量非编码序列和高度重复序列，由于基因有许多内含子（非编码序列），从而使编码序列变成不连续的外显子（可编码序列）状态；后者有操纵子结构，但绝大多数原核微生物不含有内含子，遗传信息的编码序列是连续的，而且重复序列较少。

（四）原核微生物的质粒

1．质粒定义

质粒是游离并独立存在于染色体以外，能进行自主复制的细胞质遗传因子，通常以共价闭合环状（简称CCC）的超螺旋双链DNA分子形式，存在于各种微生物细胞中。

2．质粒的主要特性

（1）可自主复制和稳定遗传。质粒能在细胞质中自主复制，并能将质粒转移到子代细胞中，可维持许多代。

（2）为非必需的基因。质粒携带某些核基因组中所缺少的基因，控制细菌获得某些对其生存非必需的性状，失去质粒的细菌仍可存活。但在特殊条件下赋予细菌特殊功能，使其得到生长优势。例如抗药性质粒和降解性质粒，能使宿主细胞在相应药物或化学毒物环境中生存，并在细胞分裂时稳定传给子代细胞。

（3）可转移。某些质粒可以较高的频率(＞10－6)通过细胞间的接合、转化等方式，由供体细胞向受体细胞转移。

（4）可整合。在一定条件下，质粒可以整合到染色体DNA上，并可重新脱落下来。

（5）可重组。不同质粒或质粒与染色体上的基因可以在细胞内或细胞外进行交换重组，并形成新的重组质粒。

（6）可消除。如果质粒的复制受到抑制而核染色体的复制仍继续进行，则引起子代细胞不带质粒。质粒消除可自发产生，也可用一定浓度的吖啶橙染料或丝裂霉素C、溴化乙啶、利福平、重金属离子以及紫外线或高温等处理消除细胞内的质粒。

3．质粒的种类

根据质粒所编码的功能和赋予宿主的表型效应，可将其分为以下几类。

（1）F质粒：又称致育因子（F因子）。其大小约100kb，这是最早发现与大肠杆菌接合作用有关的质粒。携带F质粒的菌株称为F+菌株（相当于雄性），无F质粒的菌株称为F-菌株（相当于雌性）。F质粒整合到宿主细胞染色体上的菌株称之为高频重组菌株（简称Hfr）。由于F因子能以游离状态(F+)和以与染色体相结合的状态(Hfr)存在于细胞中，所以又称之为附加体。当Hfr菌株上的F因子通过重组回复成自主状态时，有时可将其相邻的染色体基因一起切割下来，而成为携带某一染色体基因的F质粒，如F-lac、F-gal等，因此将这些携带不同基因的F质粒统称为F′，常用F′表示带有F′质粒的菌株。

（2）抗性质粒：又称抗性因子（R因子），简称R质粒，主要包括抗药性和抗重金属两大类。带有抗药性质粒（如R1质粒）的细菌对氯霉素、链霉素、磺胺、氨苄青霉素和卡那霉素具有抗性，R质粒能使细菌对金属离子（如碲、砷、汞、镍、钴、银、镉等）呈现抗性。

（3）细菌素质粒：Col质粒含有编码大肠杆菌素的基因，其编码的产物是一种细菌蛋白，只杀死其他近缘肠道细菌且不含Col质粒的菌株。由G+菌产生的细菌素也由质粒基因编码，例如乳酸乳球菌（旧称乳酸链球菌）产生的乳酸链球菌素(Nisin)以及枯草芽孢杆菌产生的枯草菌素，均能强烈抑制某些G+菌的生长，故可用作食品的生物防腐剂。

（4）毒性质粒：许多致病菌携带的毒性质粒均含有编码毒素的基因。例如，致病性大肠杆菌含有编码肠毒素的质粒，产生的肠毒素能引起腹泻；苏云金杆菌含有编码δ内毒素（伴孢晶体）的质粒，产生的δ内毒素对多种昆虫有强烈毒杀作用；根瘤土壤杆菌携带一种Ti质粒（又称诱瘤质粒），是引起双子叶植物冠瘿瘤的致病因子，经过改造的Ti质粒可广泛应用于转移及植物载体；发根土壤杆菌携带一种Ri质粒，是引起双子叶植物患毛根瘤的致病因子。Ri质粒在功能上与Ti质粒有广泛的同源性，也可用于转基因植物载体。

（5）代谢质粒：又称降解性质粒。它携带有编码降解某些复杂有机物的酶的基因。带有代谢质粒的细菌（如假单胞菌）能将有毒化合物，如苯、农药、辛烷和樟脑等降解成能被其作为碳源和能源利用的简单物质，从而使它在污水处理等方面发挥重要作用。每一种具体的质粒常以其降解的底物而命名，如XYL（二甲苯）质粒、OTC（辛烷）质粒、CAM（樟脑）质粒等。此外，代谢质粒中还包括一些能编码固氮功能的质粒。例如根瘤菌中与结瘤和固氮有关的基因均位于共生质粒中。

（6）隐秘质粒：上述质粒均具有某种可检测的遗传表型，但隐秘质粒不显示任何表型效应，它们的存在只有通过物理方法，例如用凝胶电泳检测细胞抽提液等方法才能发现。

4．质粒在基因工程中的应用

少数质粒（如F因子或R因子等）可在不同菌株间发生转移，并可表达质粒多携带的基因信息。根据这一特性，通过转化作用，利用细菌质粒作为基因的载体，将人工合成或分离的特定的基因片段导入受体细菌中，使受体细菌产生人们所需的代谢产物，故质粒已成为重要的基因载体而应用于基因工程中。

二、基因突变

基因突变简称突变，泛指细胞内（或病毒粒子内）遗传物质的分子结构或数量突然发生了可遗传的变化。基因突变可自发或经诱导产生。狭义的突变专指基因突变（点突变），包括一对或几对碱基的缺失、插入或置换；而广义的突变则包括基因突变和染色体畸变。染色体畸变又包括染色体的缺失、重复、插入、倒位和易位。

（一）基因突变的类型

1．碱基变化与遗传信息的改变

不同碱基变化引起遗传信息的改变不同，主要有以下四种类型：

同义突变是指因为某个碱基的变化虽然使密码子发生了改变，但是由于密码子的简并性，并未使产物氨基酸发生变化。错义突变是指碱基变化引起了产物氨基酸的变化。例如编A氨基酸的密码子变成编B氨基酸的密码子。如果碱基发生变化，代表某种氨基酸的密码子变成终止密码子(UAA、UAG、UGA)，使蛋白质合成提前终止。例如三联密码子中，1对碱基的突变使原编码氨基酸的密码变成非氨基酸密码。移码突变是指由于缺失或插入了1~2个碱基，使得此处之后的碱基序列发生了改变，其后翻译的氨基酸序列亦全部变化。

2．表型变化

表型指某一生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和，是其基因型在合适环境条件下通过代谢和发育而得到的具体体现。基因型又称遗传型，是某一生物个体所含有的全部遗传因子即基因组所携带的遗传信息。从筛选菌株的实用目的出发，常用的表型变化的突变类型可分为以下几种：

（1）营养缺陷型：从自然界分离到的任何微生物在其发生营养缺陷突变前的原始菌株称野生型菌株，简称野生型。如果以A和B两个基因表示其对这两种营养物质的合成能力，则野生型菌株的遗传型应是[A+B+]。野生型菌株发生突变（自发突变或诱发突变）后形成的带有新性状的菌株，称突变型菌株，简称突变株。野生型菌株由于发生基因突变而丧失了某种（或某些）酶，随之失去了合成某种（或某些）生长因子（如碱基、维生素或氨基酸）的能力，因而成为必须从培养基或周围环境中获得这些生长因子才能正常生长繁殖的菌株，这类突变株称为营养缺陷型突变株，简称营养缺陷型。A营养缺陷型的遗传型用[A－B+]表示，而B营养缺陷型的遗传型用[A+B－]表示。此类菌株可在加有相应营养物质的基本培养基平板上生长并检出。例如，大肠杆菌的野生型菌株有合成色氨酸的能力，基本培养基上缺乏色氨酸能正常生长。如果该菌株成为色氨酸营养缺陷型，则无法再在基本培养基上正常生长，而必须添加色氨酸才能生长。营养缺陷型经回复突变或重组后产生的菌株称原养型菌株，简称原养型。其营养要求在表型上与野生型相同，遗传型均用[A+B+]表示。营养缺陷型可作为重要选择性遗传标记，广泛用于遗传学、分子生物学、遗传工程的研究和育种工作中。

（2）抗性突变型：指野生型菌株因发生基因突变而产生的对某化学药物或致死物理因子产生抗性的一种变异类型。抗性突变型作为重要选择性遗传标记，在加有相应药物或用相应物理因子处理的培养基平板上，只有抗性突变株能生长，从而较容易地被分离筛选。

（3）条件致死突变型：某菌株或病毒经基因突变后，在某种条件下具有致死效应，而在另一种条件下没有致死效应的突变类型。常见的条件致死突变型是温度敏感突变型，用Ts表示。例如，大肠杆菌的某些菌株在42℃下是致死的，但能在37℃下得到Ts突变株。引起Ts突变的原因是：突变使某些重要蛋白质的结构和功能发生改变，导致在某一特定温度下具有功能，而在另一温度（一般为较高温度）下丧失功能。条件致死突变型亦可作为选择性标记。

（4）形态突变型：形态突变型是指形态发生改变的突变型，包括引起微生物个体形态、菌落形态、颜色的变化，以及影响噬菌体的噬菌斑形态的变异，一般属非选择性突变。例如，细菌的鞭毛或荚膜的有无，霉菌或放线菌的孢子有无或颜色变化，菌落表面的光滑、粗糙以及噬菌斑的大小或清晰度等的突变。

（5）抗原突变型：指由于基因突变引起的细胞抗原结构发生的变异类型。

（6）产量突变型：由于基因突变引起的代谢产物产量有明显改变的突变类型。若突变株的产量显著高于原始菌株称正变株，该突变株称正突变株，反之则称负突变。

（二）突变率

某一细胞（或病毒粒子）在每一世代中某一性状发生突变的几率称突变率。为方便起见，突变率可用某一单位群体在每一世代（即分裂1次）中产生突变株的数目来表示。例如，10－6的突变率意味着每106个细胞在分裂成2×106个细胞过程中，平均产生1个突变株。

突变率＝（突变细胞数/分裂前群体细胞数）×100%

据测定，一般基因的自发突变率为10－9~10－6，转座突变率为10－4，无义突变或错义突变的突变率约为10－8。由于突变率很低，因此要筛选出突变株犹如大海捞针，所幸的是可以利用检出营养缺陷型的回复突变株（即野生型菌株的表型）或抗药性突变株的方法达到目的。

（三）基因突变的特点

基因突变一般有以下7个共同特点：

（1）自发性。指即使不经诱变剂处理也能自发地产生突变。

（2）不对应性。指突变性状与引起突变的原因之间无直接对应关系。如抗药性突变不是因为接触了某种药物（如青霉素）才发生的，而是在接触前突变就已发生，加入抗生素只是将相应的突变株选择出来。

（3）稀有性。通常自发突变的几率很低(10－9~10－6)。

（4）独立性。引起各种性状改变的基因突变彼此是独立的，某基因的突变率不受他种基因突变率的影响。

（5）诱变性。自发突变的频率可因诱变剂的诱变作用而显著提高（提高10~105倍），但并不改变突变的本质。

（6）稳定性。基因突变是遗传物质结构的改变，因而突变后的新遗传性状是稳定的可遗传的，但新突变后的基因仍可以再发生突变。

（7）可逆性。野生型菌株某一性状某次发生的突变称为正向突变，这一性状也可发生第二次突变，使其又恢复原来的性状，这第二次相反的突变称回复突变。突变后的某一性状可以相同的几率回复到原有性状，即回复突变的几率与突变几率相同。突变可以回复的具体含义是，野生型菌株可以通过突变，成为突变型菌株；相反，突变型菌株会再次发生突变而成为野生型状态。

（四）诱发突变机制

诱发突变是指人为的理化因子的刺激使微生物的性状发生了可遗传的变化。凡是能使突变率显著高于自发突变频率的物理、化学和生物因子统称为诱变剂。

诱发突变的机制包括碱基的置换、移码突变和染色体畸变三种方式。

（五）自发突变机制

自发突变是指没有人工参与下（不经诱变剂处理）微生物所发生的突变。称它为自发突变绝不意味着这种突变没有诱变原因。自发突变的机制目前了解较多的有下面三种。

（1）射线和环境因素的诱变效应：低剂量的诱变因素、长时期综合诱变效应常使微生物发生自发突变。如宇宙空间中各种短波的辐射或高温以及自然界普遍存在的低浓度诱变物质的作用等均可引起微生物自发突变。

（2）微生物自身有害代谢产物的诱变效应：微生物在培养过程中，菌体本身产生有害的代谢产物（H2O2、酸、碱），可作为内源性诱变剂对菌体自身遗传物质产生影响。

（3）互变异构效应：已知只有5-溴尿嘧啶的分子结构由酮式转变为烯醇式时，才能引起突变。由于A、T、C、G四种碱基的第6位上不是酮基(T、G)，就是氨基(C、A)，所以T和G可以以酮式或烯醇式状态存在；而C、A则可以氨基式或亚氨基式状态存在。因为平衡一般倾向于酮式或氨基式，故DNA双链结构中，一般总是以A∶T和G∶C碱基配对形式出现。只是在偶然情况下，T和G会以稀有的烯醇式状态出现，因而在DNA复制到达这一位置的瞬间，通过DNA多聚酶的作用，在其相对位置上，就不出现A和C，而是G与T；同理，如果C和A以稀有的亚氨基形式出现，在DNA复制到达这一位置的瞬间，则在新合成的DNA单链的与C和A相应的位置上就不出现G和T，而是A和C。这可能就是发生相应的自发突变的原因。据统计，碱基对发生自发突变的几率为10－9~10－8。

（六）艾姆氏试验

由于生物的遗传物质都是核酸，故凡能使核酸结构发生改变的因素都可影响生物学功能。例如有些化学物质会引起DNA结构损伤并对生物具有致突变、致畸变和致癌变（简称“三致”）作用。由于癌变效应主要出现于人类等高级哺乳动物中，以及产量性状等非选择性突变难以检出，故根据生物化学统一性的原理，人们设计选用了细菌为模型，以了解各种有害物质引起人类和动物“三致”的原因。艾姆氏试验(Ames test)是一种利用细菌营养缺陷型的回复突变来检测环境或食品中是否存在化学致癌剂的简便有效方法。Ames test测定潜在化学致癌物的方法如下：①将不同浓度的试验药品与从老鼠肝脏抽提的酶混合。这是因为许多化学药品本身在动物体外无诱变作用，而必须在肝脏中与酶接触，经代谢变化后才有诱变作用。②将上述混合物适当保温，以圆滤纸片吸取不同浓度的试样制成试验滤纸片。③以基本培养基倒成平板，将鼠伤寒沙门氏菌的组氨酸缺陷型突变株涂布于平板上，再将不同浓度的滤纸放入平板中央，同时做一空白对照。④经培养后在基本培养基上滤纸片周围长出的菌落即为营养缺陷型的回复突变株，而营养缺陷型突变株在空白对照平板上滤纸片周围未长菌落。分析计算试验药品是否具有诱变作用，以及最有效的诱变浓度。

供试验用的营养缺陷型突变株应具备两个条件：①不含DNA修复酶，使其在诱变时无法修复因碱基变化而引起的突变，使试验结果较准确；②大部分为单点突变的营养缺陷型菌株。因此只要根据营养缺陷型突变株在诱变剂（化学药品）的作用下是否回复突变而成为野生营养型菌株的现象，即可了解该化学药品是否为致癌物，试验结果表明，化学物质对细菌的诱变性与其对动物的致癌性成正比，即95%左右的致癌物质有诱变剂的作用，而90%左右的非致癌物质没有诱变剂的作用。

目前，艾姆氏试验已广泛用于检测食品、饮料、药物、饮水和环境等试样中的致癌物，此法具有快速（约3d）、准确（符合率＞85%）和费用低等优点；而采用动物试验检测药物的致癌性具有周期长、费用高和人工需要量大等缺点。

三、基因重组和杂交过程

两个不同性状个体内独立基因组的遗传基因，通过一定途径转移到一起，经过遗传分子间的重新组合，形成新的稳定基因组的过程，称为基因重组或遗传重组，简称重组。重组是遗传物质在分子水平上的杂交，因此，与一般在细胞水平上进行的杂交有明显区别，但是细胞水平上的杂交必然包含了分子水平上的重组。在真核微生物中，基因重组可通过有性杂交、准性杂交来实现；而在原核微生物中，基因重组必须在特殊条件下进行，即通过转化、转导、接合、原生质体融合和溶源转变实现基因重组。因此，微生物的遗传基因可以通过以下5种途径重组：①两个不同性细胞或体细胞结合，促使整套染色体交换的基因重组，如真菌的有性杂交或准性杂交。②细胞间不接触，仅涉及个别或少数基因的重组。例如受体细胞接受供体细胞内抽提的DNA而进行的基因重组（转化），以及供体细胞的基因通过噬菌体的携带转移到受体细胞中进行的基因重组（转导）。③细胞间暂时沟通，使供体菌的核基因组片段传递给受体菌（接合）。④由噬菌体提供遗传物质，使寄主细胞获得完整噬菌体的核酸的基因重组（溶源转变）。⑤双亲细胞的原生质体融合，促使部分染色体基因重组，如细菌、酵母菌、霉菌的原生质体融合。

四、微生物与基因工程

自20世纪70年代以来，随着分子生物学、分子遗传学与核酸化学等基础理论的发展，产生了基因工程这一遗传育种新领域。DNA的特异切割、DNA的分子克隆和DNA的快速测序这三项关键技术的建立，为基因工程技术的发展奠定了坚实基础。

（一）基因工程定义

基因工程又称遗传工程，也称体外DNA重组技术，是20世纪70年代初发展起来的一个遗传育种新领域。它是根据需要，用人工方法取得供体DNA上的基因，经过切割后在体外重组于载体DNA上，再导入受体细胞，使其复制和表达，从而获得新表现型的一种分子水平的育种技术。这种使DNA分子进行重组，再在受体细胞内无性繁殖的技术又称为分子克隆。利用这种分子水平的杂交技术可以完成超远缘杂交，并且更具定向性。通过基因工程改造后获得的具新性状的菌株称为工程菌。近年来，工程菌已应用于发酵生产中，利用基因工程菌可以大量发酵生产胰岛素、干扰素、疫苗、抗体等贵重的药用蛋白。本节仅对基因工程技术作基础性介绍，具体内容可参考相关专著。

（二）基因工程的基本操作

基因工程的基本操作步骤包括：目的基因（即外源基因或供体基因）的分离，DNA分子的切割与连接，优良载体的选择，目的基因与载体的体外重组，重组载体导入受体细胞，重组受体细胞的筛选和鉴定，外源基因在“工程菌”或“工程细胞”中的表达，“工程菌”或“工程细胞”的大规模培养、检测以及一系列生产性能试验等。

基因工程的操作方法将在第四章介绍。

（三）微生物与基因工程的关系

微生物本身和微生物学在基因工程中占据了十分重要的地位，甚至无法取代，可以说一切基因工程操作都离不开微生物，这可从以下5个方面得到充分证实：①载体：充当目的基因的载体主要由病毒、噬菌体和细菌、酵母菌中的质粒改造而成；②工具酶：基因工程中具有“解剖刀”和“缝衣针”作用的千余种特异工具酶，多数从微生物中分离纯化获得；③受体：作为基因工程中的受体细胞，主要使用容易培养和能高效表达目的基因各种性状的微生物细胞和微生物化的高等动、植物单细胞株；④微生物工程：为了大规模表达各种基因产物，实现商品化生产，常将外源基因表达载体导入酵母菌中以构建“工程菌”或“工程细胞株”，而要进一步发挥其应有的巨大经济效益，就必须让它们大量生长繁殖和发挥生物化学转化作用，这就必须通过微生物工程（或发酵工程）的协助才能实现；⑤目的基因的主要供体：尽管基因工程中外源基因的供体生物可以是任何生物对象，但由于微生物在代谢多样性和遗传多样性等方面具有独特优势，尤其是嗜极菌（即生长于极端条件下的微生物）的重要基因（如可抗高温、高盐、高碱、低温等的基因）的优势，为基因工程提供了极其丰富而独特的外源基因供体库。

参考文献

[1]董明盛，贾英民．食品微生物学[M]．北京：中国轻工业出版社，2006.

[2]李阜棣．微生物学[M]．北京：中国农业出版社，2010.

[3]刘慧．现代食品微生物学[M]．北京：中国轻工业出版社，2006.

[4]江汉湖，董明盛．食品微生物学（第三版）[M]．北京：中国农业出版社，2010.