细菌的遗传与变异

细菌是微生物中的一大类，同大生物一样，具有遗传与变异的生命特征。生物界子代和亲代间在形态结构、生理功能等特征上的相似现象称为遗传； 而子代与亲代间存在着程度不一的差异，这种现象称为变异。细菌因具有遗传特征，其种属才能保持相对稳定； 同时又有变异现象，始可不断形成变种和新种。四十年代前，遗传学研究主要在高等动植物中进行。由于微生物，尤其是细菌作为遗传学研究的生物材料，具有在短期内获得资料的优点，这在高等生物中是不可能的； 因此，四十年代后，遗传学的一些重要发现都集中在细菌等微生物的研究工作中。以细菌作为遗传学研究材料的优点有：
❶细菌是单倍体单细胞生物，一旦基因发生变异即能表达出来，不象高等生物的双倍体细胞常可发生“掩盖”现象。
❷细菌生长繁殖快速，短期内可积累大量中间代谢产物。
❸细菌营养要求简单，易于作营养要求分析和代谢途径研究等。
❹细菌在液体培养基中，大多呈分散生长，环境因素对各个体作用直接且均匀。在固体培养基上能形成肉眼可见的具有一定特征的菌落。
❺细菌种类众多，每种菌的生物学性状又很多。
细菌的变异类型 根据细菌发生变异的性质和机理，分遗传型变异和非遗传型变异（表型变异）两类：
❶遗传型变异：是由细菌的基因型发生改变所引起，能稳定地遗传，不可逆（回复突变除外），外界因素不影响或影响小，发生于个别细胞。突变和基因重组等属之。
❷非遗传型变异： 是细菌的基因型并未发生改变； 不能遗传； 外界因素影响大，去除后可逆； 发生于全体细胞。诱导酶变异等属之。
细菌的遗传物质 细菌是原核细胞。通过肺炎球菌荚膜转化试验、同位素标记噬菌体感染试验等，已经证实细菌的遗传物质是DNA。细菌的遗传物质主要位于染色体上。与高等生物者不完全相同，细菌的染色体不伴有蛋白质或组蛋白，仅是一团细丝状的双股DNA链。它与细胞质间无膜状结构分隔，似与中介体的一端或细胞膜相连接。细菌中以大肠杆菌的染色体研究较彻底。它系一双股DNA分子， 约1, 000～1, 300μm长，直径20。分子量2.8×109dalt，含约3.2×106个碱基对。若以编码一个含有300个氨基酸的蛋白质需要1,000个碱基对（相当于一个基因） 计算，则大肠杆菌的染色体可带有3,000个左右的基因。细菌尚有染色体外的遗传物质，主要有质粒。它存在于细胞质中，具有自主复制功能。其DNA分子量比染色体者小，仅为染色体DNA的0.5～3%，即1.5～150×106dalt。因而，质粒所含基因数比染色体者少，小者仅几个基因，一般是20～30个，个别大质粒有100个左右的基因。质粒的分子状态有共价闭环、开环和直线形三种，以闭环形式多见。一般质粒所带基因对宿主细菌的生长繁殖都非必需，这些质粒从菌细胞消失后，并不影响菌细胞的生命活动。质粒既可自然丢失(频率10-3～10-6); 亦可利用加温(44℃)、紫外线照射、在液体培养基中0℃长期保存，或通过吖啶黄、十二硫酸钠、镍或钴离子、利福平等作用，使丢失的频率增大100～100,000倍。迄今已在30种以上的菌属中找到有质粒的存在。根据质粒能否从一菌传递至另一无此质粒的菌细胞中，分为接合质粒和非接合质粒两类。接合质粒，以前称传递因子。当两菌直接接触，这种质粒可自一菌传递至另菌，使后者变为携带该质粒的细菌。接合质粒主要见于肠杆菌科。一般在同菌属中或近缘菌间可以传递成功，后者如假单胞菌属与大肠杆菌属、奈氏菌属间，葡萄球菌属与枯草杆菌属间等。接合质粒有F因子、R因子、Col因子等。F因子(fertility factor)或称致育因子、性因子。有F因子的菌为雄菌(F+)，无者为雌菌(F-)。有时F因子整合于染色体上成为Hfr(highfrequency recombination，高频重组)株。这种质粒整合至染色体又称附加体。Hfr与F-的重组频率比F+与F-者高100～1,000倍。F+或Hfr与F-共同孵育，1小时内可有5～95%的F-变为F+。F+及Hfr菌表面有性菌毛，用人工法去除性菌毛后，接合杂交能力即告丧失。少数整合在染色体上的F因子(即Hfr)，亦可离开染色体而呈游离状态。此时往往带有少数邻近质粒染色体上的其他结构基因，这种F因子称为F′因子，含F′因子的菌株称为F′株。R因子或称耐药因子。R因子首先在福氏志贺杆菌中发现，能同时将磺胺、氯霉素、链霉素、四环素等耐药性转移至敏感菌。R因子可由二个或二个以上的质粒组成。其中一个是耐药传递因子 (resistanttransfer factors,RTF)，作用类似F因子，功能是传递。另一个或数个是耐药基因(r因子)，它决定耐药性。RTF和r因子分别自主复制，只有当这两者共存于同一菌细胞内，才可将耐药性转移给另一敏感菌，使之亦成为耐药菌。若菌细胞只有r因子，可传代但不能通过接合方式传递耐药性，需赖有关噬菌体媒介的转导传递。金黄色葡萄球菌中耐青霉素r因子的传递即属之。目前发现有R因子存在的菌属有艾氏菌属、变形杆菌属、绿脓菌属、沙门菌属、志贺菌属、克雷伯菌属、耶尔森菌属、弧菌属等革兰阴性菌属。60～90%的革兰阴性菌的耐药性是由R因子质粒传递的，一个R因子中常带有对多种不同抗菌药物的耐药基因。具有Col因子(colicin factors)质粒的大肠杆菌能产生一种杀死同品系或近缘细菌的物质，这种抗菌物质称为大肠菌素。某些产大肠菌素的质粒如ColB、ColV等尚能指令形成F样菌毛，故属结合质粒。其他如控制合成大肠杆菌K88抗原、伤寒杆菌乳糖发酵株的Fo lac，变形杆菌控制乳糖发酵的P-lac等因子均属接合质粒。非接合质粒犹如复制子，可自主复制并分离，单独无转移至他菌能力，常需伴有转导噬菌体或F因子的协同，才能转移。例如大多金黄色葡萄球菌的青霉素酶基因位于非接合质粒上，这种质粒亦常带有对多种金属离子的耐性基因。在少数菌株中，对大环内酯抗生素的耐药因子亦位于青霉素酶质粒上。接合质粒数较少，每菌约1～2个副本；分子量40～80Mdalt，亦有大至250Mdalt者。大多非接合质粒数较多，每菌约5～10个副本或更多； 分子量较小，为3.0～10.0Mdalt。
研究细菌遗传与变异的意义 就医学而言，对某些传染病的诊断、防治等方面均有重要实际意义。例如，细菌变异后常形成非典型菌株，诊断时应予以注意。由于耐药株的不断出现和增加，应先作药敏试验，再选用合适药物进行治疗。在预防方面，除在自然界寻找天然弱毒株外，可利用人工法选择出低毒高效株以制备活疫苗。此外，新近基因工程的兴起，将为整个生物界开辟新的辉煌前景。