基因重組是分子水平上的概念，可以理解成是遺傳物質(zhì)分子水平上的雜交，雜交必然包含有重組，而重組則不僅限于雜交一種形式�；蛑亟M又稱為遺傳傳遞，是指遺傳物質(zhì)從一個(gè)微生物細(xì)胞向另一個(gè)微生物細(xì)胞傳遞而達(dá)到基因的改變，形成新遺傳型個(gè)體的過程。它是在細(xì)胞繁殖過程或在特定環(huán)境中不同細(xì)胞接觸，或不接觸，引起遺傳物質(zhì)傳遞而造成的。在基因重組時(shí)，不發(fā)生任何堿基對(duì)結(jié)構(gòu)上的變化。重組后生物體新的遺傳性狀的出現(xiàn)完全是基因重組的結(jié)果。它可以在人為設(shè)計(jì)的條件下發(fā)生，使之服務(wù)于人類育種的目的。
基因重組有原核微生物的接合和F因子轉(zhuǎn)導(dǎo)，通過雙親細(xì)胞的接觸溝通，涉及部分染色體基因的重組；有原核微生物的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)，雙親細(xì)胞不經(jīng)接觸，僅涉及個(gè)別或少數(shù)基因的重組；還有真核微生物的有性雜交、準(zhǔn)性生殖，通過雙親細(xì)胞的融合，涉及整套染色體基因的重組；此外，原生質(zhì)體融合是破壁后的原生質(zhì)體細(xì)胞在一定條件下互相融合，實(shí)現(xiàn)遺傳物質(zhì)的重組；而DNA重組技術(shù)則是在體外對(duì)DNA修飾改變后，設(shè)法引入受體細(xì)胞再實(shí)現(xiàn)基因重組。
3.1. 原核生物的基因重組
原核生物的遺傳物質(zhì)傳遞的方式有：有轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)、接合和溶原性轉(zhuǎn)變等四種方式。
3.1.1. 轉(zhuǎn)化(transformation)
轉(zhuǎn)化是指一個(gè)種或品系的生物（受體菌）吸收來自另一個(gè)種或品系生物（供體菌）的遺傳物質(zhì)（DNA片段），通過交換組合把它整和到自己的基因組中去，從而獲得了后者某些遺傳性狀的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)化后的受體菌稱為轉(zhuǎn)化子，供體菌的DNA片段稱為轉(zhuǎn)化因子。呈質(zhì)粒狀態(tài)的轉(zhuǎn)化因子轉(zhuǎn)化頻率最高。能被轉(zhuǎn)化的細(xì)菌包括革蘭氏陽性細(xì)菌和革蘭氏陰性細(xì)菌，但受體細(xì)胞只有在感受態(tài)的情況下才能吸收轉(zhuǎn)化因子。
感受態(tài)是指細(xì)胞能從環(huán)境中接受轉(zhuǎn)化因子的這一生理狀態(tài)。處于感受態(tài)的細(xì)菌，其吸收DNA的能力比一般細(xì)菌大1000倍。感受態(tài)可以產(chǎn)生，也可以消失，它的出現(xiàn)受菌株的遺傳特性、生理狀態(tài)（如菌齡等）、培養(yǎng)環(huán)境等的影響。例如肺炎雙球菌的感受態(tài)出現(xiàn)在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的中后期，枯草芽孢桿菌等細(xì)菌則出現(xiàn)在對(duì)數(shù)期末和穩(wěn)定初期。轉(zhuǎn)化時(shí)培養(yǎng)環(huán)境中加入環(huán)腺苷酸(cAMP)可以使感受態(tài)水平提高104倍。
轉(zhuǎn)化因子的吸附、吸收和整合：不論是否處于感受態(tài)細(xì)菌都能吸附DNA，但只有處在感受態(tài)的細(xì)菌，其吸附的DNA才被吸收。受體細(xì)胞吸附的轉(zhuǎn)化因子，必須是雙鏈的DNA，且DNA分子的相對(duì)分子質(zhì)量不小于3×105 ，但轉(zhuǎn)化時(shí)只有一條鏈進(jìn)入受體細(xì)胞，而另一條鏈被細(xì)胞表面的核酸外切酶分解。具體轉(zhuǎn)化過程如下：先從供體菌提取DNA片段，接著DNA片段與感受態(tài)受體菌的細(xì)胞表面特定位點(diǎn)結(jié)合，在結(jié)合位點(diǎn)上，DNA片段中的一條單鏈逐步降解為核苷酸和無機(jī)磷酸而解體，另一條鏈逐步進(jìn)入受體細(xì)胞，這是一個(gè)消耗能量的過程。進(jìn)入受體細(xì)胞的DNA單鏈與受體菌染色體組上同源區(qū)段配對(duì)，而受體菌染色體組的相應(yīng)單鏈片段被切除，并被進(jìn)入受體細(xì)胞的單鏈DNA所取代，隨后修復(fù)合成，連接成部分雜合雙鏈。然后受體菌染色體進(jìn)行復(fù)制，其中雜合區(qū)段被分離成兩個(gè)，一個(gè)類似供體菌，一個(gè)類似受體菌。當(dāng)細(xì)胞分裂時(shí)，此染色體發(fā)生分離，形成一個(gè)轉(zhuǎn)化子。
影響轉(zhuǎn)化效率的因素：受體細(xì)胞的感受態(tài)，它決定轉(zhuǎn)化因子能否被吸收進(jìn)入受體細(xì)胞；受體細(xì)胞的限制酶系統(tǒng)和其他核酸酶，它們決定轉(zhuǎn)化因子在整合前是否被分解；受體和供體染色體的同源性，它決定轉(zhuǎn)化因子的整合。
在原核微生物中，轉(zhuǎn)化是一種比較普遍的現(xiàn)象，除肺炎雙球菌外，目前還在
嗜血桿菌屬、芽孢桿菌屬、奈氏桿菌屬、葡萄球菌屬、假單孢桿菌屬、黃單孢桿菌屬等以及若干放線菌和藍(lán)細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)具有轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。另外，真核微生物如酵母、粗糙鏈孢霉和黑曲霉中也發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。
3.1.2. 轉(zhuǎn)導(dǎo)(transduction)
轉(zhuǎn)導(dǎo)是以噬菌體為媒介，把一個(gè)菌株的遺傳物質(zhì)導(dǎo)入另一個(gè)菌株，并使這個(gè)菌株獲得另一個(gè)菌株遺傳性狀。轉(zhuǎn)導(dǎo)又分為普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)和特異性轉(zhuǎn)導(dǎo)。
普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)(generalized transduction)是指轉(zhuǎn)導(dǎo)型噬菌體能傳遞供體菌株任何基因。如大腸桿菌P1噬菌體、枯草桿菌PBS1噬菌體、傷寒沙門氏菌的P22噬菌體等都能進(jìn)行普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)。它的轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率為10-5~10-8。能進(jìn)行普遍轉(zhuǎn)導(dǎo)的噬菌體，含有一個(gè)使供體菌株染色體斷裂的酶。當(dāng)噬菌體DNA被噬菌體蛋白外殼包裹時(shí)，正常情況下，是將噬菌體本身的DNA包裹進(jìn)蛋白衣殼內(nèi)，但也有異常情況出現(xiàn)，供體染色體DNA (通常和噬菌體DNA長(zhǎng)度相似)偶然錯(cuò)誤地被包進(jìn)噬菌體外殼，而噬菌體本身的DNA卻沒有完全包進(jìn)去，裝有供體染色體片段的噬菌體稱為轉(zhuǎn)導(dǎo)顆粒。轉(zhuǎn)導(dǎo)顆�？梢愿腥臼荏w菌株，并把供體DNA注入受體細(xì)胞內(nèi)，與受體細(xì)胞的DNA進(jìn)行基因重組，形成部分二倍體。通過重組，供體基因整合到受體細(xì)胞的染色體上，從而使受體細(xì)胞獲得供體菌的遺傳性狀，產(chǎn)生變異，形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)導(dǎo)子，這種轉(zhuǎn)導(dǎo)稱為完全轉(zhuǎn)導(dǎo)(如圖5－12)。在普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)中，有時(shí)轉(zhuǎn)導(dǎo)來的供體DNA不一定都能整合到受體染色體上，產(chǎn)生穩(wěn)定轉(zhuǎn)導(dǎo)子，更多的則是轉(zhuǎn)導(dǎo)來的供體染色體不能整合到受體染色體上，也不能復(fù)制，但可以表達(dá)，這種轉(zhuǎn)導(dǎo)稱為流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)。
圖5－12. 沙門氏菌的普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)
在一次轉(zhuǎn)導(dǎo)中流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)往往多于完全轉(zhuǎn)導(dǎo)的細(xì)胞。在流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)的情況下，轉(zhuǎn)導(dǎo)子細(xì)胞每分裂一次，轉(zhuǎn)導(dǎo)來的供體染色體片段只傳給兩個(gè)子細(xì)胞中的一個(gè)。這樣一代一代的分裂下去，供體染色體片段便一直沿著單個(gè)細(xì)胞單線傳遞下去，稱為單線傳遞(如圖5－13)。
特異性轉(zhuǎn)導(dǎo)(specialized transduction)是指噬菌體只能轉(zhuǎn)導(dǎo)供體染色體上某些特定的基因。它的轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率為10-6。特異性轉(zhuǎn)導(dǎo)是在大腸桿菌K12的溫和型噬菌
圖5－13. 流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)中所形成的微小菌落示意圖
細(xì)胞中的長(zhǎng)線表示染色體，短線表示由轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體引入的野生型基因，
黑點(diǎn)表示酶分子，虛線范圍內(nèi)是一個(gè)菌落中的全部細(xì)菌
體（λ）中首次發(fā)現(xiàn)的，它只能轉(zhuǎn)導(dǎo)大腸桿菌染色體上半乳糖發(fā)酵基因(ga1)和生物素基因（bio）。當(dāng)λ噬菌體侵入大腸桿菌K12后，使其溶源化，λ原噬菌體的核酸被整合到大腸桿菌DNA特定位置上，即gal基因和bio基因座位的附近。λ噬菌體可以通過附著位置間一次切離，從細(xì)菌染色體上脫落下來，偶而在噬菌體和細(xì)菌染色體之間發(fā)生不正常交換，誘發(fā)產(chǎn)生轉(zhuǎn)導(dǎo)型噬菌體，帶有細(xì)菌染色體基因gal或基因bio(如圖5－14)，而噬菌體的部分染色體（大約25％的噬菌體DNA）被留在細(xì)菌染色體上，形成帶有g(shù)a1基因或bio基因的噬菌體。其中帶有g(shù)a1基因的轉(zhuǎn)導(dǎo)顆粒稱為λdga1，d表示缺陷的意思。這種轉(zhuǎn)導(dǎo)顆粒不能獨(dú)立復(fù)制，當(dāng)它侵染敏感細(xì)菌時(shí)，不能產(chǎn)生侵染性子代。
圖5－14. 轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體形成過程
圖5－15. λdga1+通過lac基因位置的交換所形成的轉(zhuǎn)導(dǎo)子
A表示兩次交換產(chǎn)生穩(wěn)定的轉(zhuǎn)導(dǎo)子 B表示一次交換產(chǎn)生不穩(wěn)定的轉(zhuǎn)導(dǎo)子
λdga1轉(zhuǎn)導(dǎo)顆粒導(dǎo)入gal-受體菌后產(chǎn)生兩種情況(如圖5－15)，一種是形成穩(wěn)定的、非溶源性的轉(zhuǎn)導(dǎo)子，約占1／3。λdga1所帶的ga1+基因通過lac基因位置的兩次交換，永遠(yuǎn)取代gal-基因，得到ga1+轉(zhuǎn)導(dǎo)子；另一種轉(zhuǎn)導(dǎo)子是不穩(wěn)定的，約占2／3。它是λdga1轉(zhuǎn)導(dǎo)顆粒通過lac基因位置的一次交換，使ga1+基因整合到受體染色體的gal-基因旁，這樣受體細(xì)胞中除gal-基因外，還有λdga1噬菌體的ga1+基因，其基因型是λdga1+gal-，也稱雜基因子，其后代都能分離出gal-細(xì)菌。
3.1.3. 接合(conjugation)
接合是通過供體菌和受體菌的直接接觸傳遞遺傳物質(zhì)。接合有時(shí)也稱雜交，接合不僅存在于大腸桿菌中，還存在于其他細(xì)菌中，如鼠傷寒沙門氏菌。
F因子 在細(xì)菌中，接合現(xiàn)象研究最清楚的是大腸桿菌。大腸桿菌的接合與其細(xì)菌表面的性纖毛有關(guān)，大腸桿菌有雄性和雌性之分，而決定它們性別的是F因子的有無。F因子又稱致育因子，能促使兩個(gè)細(xì)胞之間的接合，是一種質(zhì)粒。其遺傳組成包括三個(gè)部分：原點(diǎn)（是轉(zhuǎn)移的起點(diǎn)）、致育基因群、配對(duì)區(qū)域。F因子約有6×104對(duì)核苷酸組成，相對(duì)分子質(zhì)量為5×107， 約占大腸桿菌總DNA含量的2％。F因子具有自主地與細(xì)菌染色體進(jìn)行同步復(fù)制和轉(zhuǎn)移到其他細(xì)胞中去的能力。它既可以脫離染色體在細(xì)胞內(nèi)獨(dú)立存在，也可以整合到染色體基因組上；它既可以通過接合而獲得，也可以通過理化因素的處理而從細(xì)胞中消除。
臍狀雌性細(xì)菌不含F(xiàn)因子，稱為F—菌株，雄性含有F因子，并且根據(jù)F因子在細(xì)胞中存在情況的不同而有不同名稱。一種是游離在細(xì)胞染色體之外，為自主復(fù)制的小環(huán)狀DNA分子，這樣的細(xì)菌稱為F+菌株；另一種狀態(tài)是F因子整合在細(xì)菌染色體上，成為細(xì)菌染色體的一部分，隨同染色體一起復(fù)制，這種細(xì)菌稱為Hfr菌株(high frequency recombination)，即高頻重組菌株；還有一種狀態(tài)是F因子能被整合到細(xì)胞核DNA上，也能從上面脫落下來，呈游離存在，但在脫落時(shí)，F(xiàn)因子有時(shí)能帶一小段細(xì)胞核DNA，這種含有游離存在的但又帶有一小段細(xì)胞核DNA的F因子的細(xì)菌稱為F’菌株。上述三種雄性菌株與雌性菌株接合時(shí)，將產(chǎn)生三種不同的結(jié)果：
F+×F— 當(dāng)F+和F—細(xì)胞混合在一起時(shí)，不同類型的細(xì)胞，只要幾分鐘，便成對(duì)地連在一起，即所有F+細(xì)胞跟F—細(xì)胞配好對(duì)，同時(shí)在細(xì)胞間形成一個(gè)很細(xì)的接合管。F因子穿過接合管，進(jìn)入F—細(xì)胞，使其轉(zhuǎn)變?yōu)镕+ 菌株。具體過程為：F+ 菌株的F因子的一條DNA單鏈在特定的位置上發(fā)生斷裂，斷裂的單鏈逐漸解開，同時(shí)留下另一條環(huán)狀單鏈為模板，通過模板的旋轉(zhuǎn)，一方面解開的一條單鏈通過性纖毛而推入F—菌株中，另一方面，又在供體細(xì)胞內(nèi)，重新組合成一條新的環(huán)狀單鏈，以取代解開的單鏈，此即為滾環(huán)模型。在F—菌株細(xì)胞中，外來的供體DNA單鏈上也合成一條互補(bǔ)的新DNA鏈，并隨之恢復(fù)成一條環(huán)狀的雙鏈F因子，這樣，F(xiàn)—就變成了F+ 菌株。在F+× F—雜交中，雖然F因子以很高的頻率傳遞，但給體遺產(chǎn)標(biāo)記的傳遞則是十分稀少的（只有10-6~10-7）。
F’×F— F’菌株與F—菌株的接合過程同F(xiàn)+與F—菌株的接合過程，接合后，產(chǎn)生二個(gè)F’菌株。
Hfr×F— 當(dāng)Hfr細(xì)菌與 F—細(xì)菌混合時(shí)，兩細(xì)胞接合配對(duì)，接著從Hfr細(xì)胞把染色體通過接合管定向轉(zhuǎn)移給F—細(xì)胞。Hfr菌株與F—菌株接合的情況比較復(fù)雜，接合結(jié)果也不完全一樣（圖5－16）。在大多數(shù)情況下，受體細(xì)菌仍是F—菌株，只有在極少數(shù)情況下，由于遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移的完整，受體細(xì)胞才能成為Hfr菌株。其原因如下：當(dāng)Hfr菌株與F—菌株發(fā)生接合時(shí)，Hfr染色體在F因子處發(fā)生斷裂，由環(huán)狀變成線狀。緊接著，由于F因子位于線狀染色體之后，處于末端，所以必然要等Hfr的整條染色體全部轉(zhuǎn)移完后，F(xiàn)因子才能進(jìn)入到F—細(xì)胞。而由于一些因素的影響，在轉(zhuǎn)移過程中，Hfr染色體常常發(fā)生斷裂，因此Hfr菌株的許多基因雖然可以進(jìn)入F—菌株，越是前端的基因，進(jìn)入的機(jī)會(huì)越多，在F—菌株中出現(xiàn)重組子的時(shí)間就越早，頻率也高。而對(duì)于F因子，其進(jìn)入F—菌株的機(jī)會(huì)很少，引起性別變化的可能性也非常小。這樣Hfr與F—菌株接合的結(jié)果重組頻率雖高，但卻很少出現(xiàn)F+菌株。
(1)具有組入F因子(用波狀線表示)的Hfr細(xì)胞跟F—細(xì)胞配對(duì)。雙重圓圈表示構(gòu)成細(xì)菌染色體的雙螺旋DNA。(2)接合管形成，Hfr 染色體從F插入點(diǎn)附近的起始位置(i)開始復(fù)制。親本DNA 的一條鏈穿過按合附近的起始位置 (i)開始復(fù)制。親本DNA的一條鏈穿過接合管進(jìn)入受體細(xì)胞。(3)在復(fù)制和傳遞過程中，正在交配的細(xì)菌分開，形成一個(gè)F—部分合子或部分雙倍體細(xì)胞。在F—細(xì)胞中大概還合成了DNA的一條互補(bǔ)鏈。 (4)F—染色體跟從Hfr傳入的染色體片斷發(fā)生重組產(chǎn)生穩(wěn)定的重組型。
3.1.4. 溶原性轉(zhuǎn)變
這是一種與轉(zhuǎn)導(dǎo)相似但又有本質(zhì)不同的現(xiàn)象。首先是它的溫和型噬菌體不攜帶任何供體菌的基因，其次是這種噬菌體是正常的完整的，而不是異常情況下產(chǎn)生的缺陷型噬菌體。溶原轉(zhuǎn)變的典型例子是不產(chǎn)毒素的白喉棒狀桿菌(Lorynebactcerium diphthariac)，菌株被噬菌體侵染而發(fā)生溶原化時(shí)，會(huì)變成產(chǎn)毒素的致病菌株。其它如沙門氏菌、紅曲霉、鏈霉菌等也具有溶原轉(zhuǎn)變的能力。
圖5－16. 大腸桿菌的Hfr×F—雜交
3.2. 噬菌體的基因重組
噬菌體原來指細(xì)菌病毒，近年來發(fā)現(xiàn)真菌、藻類都有噬菌體。病毒屬于原核生物，是化學(xué)成份最簡(jiǎn)單的生物，它沒有一般的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，它的染色體和細(xì)菌一樣并不和蛋白質(zhì)結(jié)合在一起。它具有寄生專一性，只能在寄主細(xì)胞內(nèi)繁殖。它可以離開寄主細(xì)胞而存活，可是不能繁殖。由于病毒的簡(jiǎn)單的體制和它與寄主細(xì)胞的特殊關(guān)系，它已成為分子遺傳學(xué)研究中最普遍采用的材料之一。病毒的研究對(duì)認(rèn)識(shí)遺傳物質(zhì)的本質(zhì)有著重要的作用，在遺傳工程的研究中它也是一種重要的工具。
噬菌體就它的化學(xué)本質(zhì)來講，有RNA噬菌體、DNA噬菌體、單鏈?zhǔn)删w、雙鏈?zhǔn)删w等，就它和寄主的關(guān)系來講，可以分為烈性噬菌體和溫和性噬菌體兩大類。
3.2.1. 烈性噬菌體
20世紀(jì)40年代在大腸桿菌T2噬菌體中首次發(fā)現(xiàn)了噬菌體的基因重組。T2噬菌體有許多突變型，最早發(fā)現(xiàn)的有快速溶菌(r)、寄主范圍(h)、小形噬菌斑（m）等突變型。h可以感染野生型細(xì)菌和抗T2細(xì)菌 (用B／2表示)，h+只能感染野生型大腸桿菌B品系；r為快速溶菌突變型，能產(chǎn)生大噬菌斑，r+為遲緩溶菌，生成小的噬菌斑。當(dāng)h+r(寄主范圍正常，但具速溶性狀)和h r+(無速溶性狀，但寄主范圍擴(kuò)大)兩種噬菌體同時(shí)感染大腸桿菌B品系，然后把子代噬菌體接種在同時(shí)長(zhǎng)有大腸桿菌B和B／2兩種菌組成的混合菌平板上，結(jié)果出現(xiàn)四種不同的噬菌斑(圖5－17)。在四種噬菌斑中，透明而小(hr+)和半透明而大(h+r)是親本組合，半透明而小(h+r+)和透明而大(hr)是重組類型。
圖5－17. 噬菌體h+r-× h-r+產(chǎn)生的四種子裔噬菌體形成的噬菌斑
3.2.2. 溫和性噬菌體
溫和性噬菌體跟F因子一樣，宛如附加的細(xì)菌基因群，既能以自主的自我復(fù)制顆粒存在，也可以插入細(xì)菌染色體與其一起復(fù)制。λ噬菌體是最著名的溫和性噬菌體。
當(dāng)λ侵染大腸桿菌時(shí)，發(fā)生兩種反應(yīng)：一種是裂解性反應(yīng)，和烈性噬菌體侵染敏感細(xì)菌所進(jìn)行的反應(yīng)相同。在寄主體內(nèi)，侵染的噬菌體DNA立即復(fù)制，合成頭部和尾部，裝配成成熟的噬菌體顆粒，裂解寄主細(xì)胞，釋放出幾百個(gè)成熟的噬菌體。另一種是溶源反應(yīng)。侵染的噬菌體進(jìn)入寄主細(xì)胞后，其DNA可以整合到寄主細(xì)胞染色體上，成為細(xì)菌染色體的一部分，以原噬菌體形式存在于細(xì)胞中，使細(xì)菌溶源化，這種狀態(tài)的溫和噬菌體又稱為原噬菌體。受λ噬菌體侵染的大腸桿菌的裂解只是一小部分，其裂解的確切頻率部分依賴于噬菌體和寄主的基因型，部分依賴于侵染的環(huán)境條件，其余大部分細(xì)菌則進(jìn)入溶源反應(yīng)。原噬菌體能夠自發(fā)的誘變成成熟的噬菌體顆粒而裂解寄主細(xì)胞，紫外線是一種有效的誘發(fā)因素。
3.3. 真核微生物的基因重組
真核微生物的基因重組方式有有性雜交、準(zhǔn)性生殖和無性生殖等：
3.3.1. 有性雜交
有性雜交是指在微生物的有性繁殖過程中，兩個(gè)性細(xì)胞相互接合，通過質(zhì)配、核配后形成雙倍體的合子，隨之合子進(jìn)行減數(shù)分裂，部分染色體可能發(fā)生交換而進(jìn)行隨機(jī)分配，由此而產(chǎn)生重組染色體及新的遺傳型，并把遺傳性狀按一定的規(guī)律性遺傳給后代的過程。凡是能產(chǎn)生有性孢子的酵母菌和霉菌，都能進(jìn)行有性雜交。
有性雜交在生產(chǎn)實(shí)踐中被廣泛用于優(yōu)良品種的培育。在進(jìn)行有性雜交時(shí)，首先要選擇雜交的親株，不但要考慮到性的親和性，還要考慮其標(biāo)記，以免在雜種鑒別時(shí)引起極大困難；其次，要考慮子囊孢子的形成條件，選用生孢子培養(yǎng)基，營造饑餓條件促進(jìn)細(xì)胞發(fā)生減數(shù)分裂形成子囊孢子；另外，可以采用群體交配法、孢子雜交法、單倍體細(xì)胞交配法等進(jìn)行有性雜交。群體交配法是將兩種不同交配型的單倍體酵母混合培養(yǎng)在麥芽汁中過夜，當(dāng)鏡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)有大量的啞鈴型接合細(xì)胞時(shí)，就可以挑出接種微滴培養(yǎng)液中，培養(yǎng)形成二倍體細(xì)胞。孢子雜交法需借助顯微操縱器將不同親株的子囊孢子配對(duì)，進(jìn)行微滴培養(yǎng)和濕室培養(yǎng)，使之發(fā)芽接合，形成合子，這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以在顯微鏡下直接觀察到合子的形成，但這種方法需精密儀器，費(fèi)工也大。單倍體細(xì)胞交配法與孢子雜交法類似，是用兩種交配型細(xì)胞配對(duì)放在微滴中培養(yǎng)，在顯微鏡下觀察合子形成，但此法的成功率較小。例如用于酒精發(fā)酵的酵母菌和用于面包發(fā)酵的酵母菌是同屬一種啤酒酵母(Saccharomyces cereuisiac)的兩個(gè)不同菌株，由于各自的特點(diǎn)，它們不能互用。而通過兩者的雜交，得到了產(chǎn)酒率既高，又對(duì)麥芽糖及葡萄糖的發(fā)酵能力強(qiáng)，產(chǎn)生C02多，生長(zhǎng)快，可以用作面包廠和家用發(fā)酵酵母的優(yōu)良菌種。
3.3.2. 準(zhǔn)性生殖
準(zhǔn)性生殖是一種類似于有性生殖但比它更原始的一種生殖方式。它可使同一種生物的兩個(gè)不同來源的體細(xì)胞經(jīng)融合后，不經(jīng)過減數(shù)分裂和接合的交替，不產(chǎn)生有性孢子和特殊的囊器，僅導(dǎo)致低頻率的基因重組，重組體細(xì)胞和一般的營養(yǎng)體細(xì)胞沒有什么不同。準(zhǔn)性生殖多見于一般不具典型有性生殖的酵母和霉菌，尤其是半知菌中，其主要過程為：
菌絲聯(lián)結(jié) 發(fā)生聯(lián)結(jié)的頻率很低，常發(fā)生在一些形態(tài)上沒有區(qū)別的，但在遺傳性狀上有差別的兩個(gè)同種親本的體細(xì)胞(單倍體)間，。
形成異核體 當(dāng)兩個(gè)遺傳性狀不同的菌株的菌絲互相接觸時(shí)，通過菌絲的聯(lián)結(jié)，使細(xì)胞核由一根菌絲進(jìn)入另一根菌絲，原有的兩個(gè)單倍體核集中到同一個(gè)細(xì)胞中，形成雙倍的異核體。異核體能獨(dú)立生活。
形成雜合二倍體 異核體的兩個(gè)不同遺傳性狀的細(xì)胞核融合在一起，產(chǎn)生雜合二倍體。它與異核體不同，與親本也不同，它的DNA含量約為單倍體的二倍，孢子體積約比單倍體孢子大一倍，其它一些性狀也有明顯區(qū)別，雜合二倍體相當(dāng)穩(wěn)定。核融合后產(chǎn)生雜合二倍體的頻率也是極低的，如構(gòu)巢曲霉和米曲霉為10-5～10-7。
體細(xì)胞重組和單倍體化 盡管雜合二倍體的無性繁殖很穩(wěn)定，但也有極少數(shù)細(xì)胞核在有絲分裂過程中染色體會(huì)發(fā)生交換和單倍體化，從而形成了極個(gè)別的具有新遺傳性狀的單倍體雜合子。如果對(duì)雜合二倍體用紫外線、γ射線或氮芥等化學(xué)誘變劑進(jìn)行處理，就會(huì)促進(jìn)染色體斷裂、畸變或?qū)е氯旧w在兩個(gè)子細(xì)胞中的分配不均，因而有可能產(chǎn)生有不同性狀組合的單倍體雜合子。
準(zhǔn)性生殖為一些沒有有性繁殖過程但有重復(fù)生產(chǎn)價(jià)值的半知菌及其它微生物的育種，提供了重要的手段。如霉菌中醬油曲霉、黑曲霉等已雜交成功。
基因重組有原核微生物的接合和F因子轉(zhuǎn)導(dǎo)，通過雙親細(xì)胞的接觸溝通，涉及部分染色體基因的重組；有原核微生物的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)，雙親細(xì)胞不經(jīng)接觸，僅涉及個(gè)別或少數(shù)基因的重組；還有真核微生物的有性雜交、準(zhǔn)性生殖，通過雙親細(xì)胞的融合，涉及整套染色體基因的重組；此外，原生質(zhì)體融合是破壁后的原生質(zhì)體細(xì)胞在一定條件下互相融合，實(shí)現(xiàn)遺傳物質(zhì)的重組；而DNA重組技術(shù)則是在體外對(duì)DNA修飾改變后，設(shè)法引入受體細(xì)胞再實(shí)現(xiàn)基因重組。
3.1. 原核生物的基因重組
原核生物的遺傳物質(zhì)傳遞的方式有：有轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)、接合和溶原性轉(zhuǎn)變等四種方式。
3.1.1. 轉(zhuǎn)化(transformation)
轉(zhuǎn)化是指一個(gè)種或品系的生物（受體菌）吸收來自另一個(gè)種或品系生物（供體菌）的遺傳物質(zhì)（DNA片段），通過交換組合把它整和到自己的基因組中去，從而獲得了后者某些遺傳性狀的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)化后的受體菌稱為轉(zhuǎn)化子，供體菌的DNA片段稱為轉(zhuǎn)化因子。呈質(zhì)粒狀態(tài)的轉(zhuǎn)化因子轉(zhuǎn)化頻率最高。能被轉(zhuǎn)化的細(xì)菌包括革蘭氏陽性細(xì)菌和革蘭氏陰性細(xì)菌，但受體細(xì)胞只有在感受態(tài)的情況下才能吸收轉(zhuǎn)化因子。
感受態(tài)是指細(xì)胞能從環(huán)境中接受轉(zhuǎn)化因子的這一生理狀態(tài)。處于感受態(tài)的細(xì)菌，其吸收DNA的能力比一般細(xì)菌大1000倍。感受態(tài)可以產(chǎn)生，也可以消失，它的出現(xiàn)受菌株的遺傳特性、生理狀態(tài)（如菌齡等）、培養(yǎng)環(huán)境等的影響。例如肺炎雙球菌的感受態(tài)出現(xiàn)在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的中后期，枯草芽孢桿菌等細(xì)菌則出現(xiàn)在對(duì)數(shù)期末和穩(wěn)定初期。轉(zhuǎn)化時(shí)培養(yǎng)環(huán)境中加入環(huán)腺苷酸(cAMP)可以使感受態(tài)水平提高104倍。
轉(zhuǎn)化因子的吸附、吸收和整合：不論是否處于感受態(tài)細(xì)菌都能吸附DNA，但只有處在感受態(tài)的細(xì)菌，其吸附的DNA才被吸收。受體細(xì)胞吸附的轉(zhuǎn)化因子，必須是雙鏈的DNA，且DNA分子的相對(duì)分子質(zhì)量不小于3×105 ，但轉(zhuǎn)化時(shí)只有一條鏈進(jìn)入受體細(xì)胞，而另一條鏈被細(xì)胞表面的核酸外切酶分解。具體轉(zhuǎn)化過程如下：先從供體菌提取DNA片段，接著DNA片段與感受態(tài)受體菌的細(xì)胞表面特定位點(diǎn)結(jié)合，在結(jié)合位點(diǎn)上，DNA片段中的一條單鏈逐步降解為核苷酸和無機(jī)磷酸而解體，另一條鏈逐步進(jìn)入受體細(xì)胞，這是一個(gè)消耗能量的過程。進(jìn)入受體細(xì)胞的DNA單鏈與受體菌染色體組上同源區(qū)段配對(duì)，而受體菌染色體組的相應(yīng)單鏈片段被切除，并被進(jìn)入受體細(xì)胞的單鏈DNA所取代，隨后修復(fù)合成，連接成部分雜合雙鏈。然后受體菌染色體進(jìn)行復(fù)制，其中雜合區(qū)段被分離成兩個(gè)，一個(gè)類似供體菌，一個(gè)類似受體菌。當(dāng)細(xì)胞分裂時(shí)，此染色體發(fā)生分離，形成一個(gè)轉(zhuǎn)化子。
影響轉(zhuǎn)化效率的因素：受體細(xì)胞的感受態(tài)，它決定轉(zhuǎn)化因子能否被吸收進(jìn)入受體細(xì)胞；受體細(xì)胞的限制酶系統(tǒng)和其他核酸酶，它們決定轉(zhuǎn)化因子在整合前是否被分解；受體和供體染色體的同源性，它決定轉(zhuǎn)化因子的整合。
在原核微生物中，轉(zhuǎn)化是一種比較普遍的現(xiàn)象，除肺炎雙球菌外，目前還在
嗜血桿菌屬、芽孢桿菌屬、奈氏桿菌屬、葡萄球菌屬、假單孢桿菌屬、黃單孢桿菌屬等以及若干放線菌和藍(lán)細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)具有轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。另外，真核微生物如酵母、粗糙鏈孢霉和黑曲霉中也發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。
3.1.2. 轉(zhuǎn)導(dǎo)(transduction)
轉(zhuǎn)導(dǎo)是以噬菌體為媒介，把一個(gè)菌株的遺傳物質(zhì)導(dǎo)入另一個(gè)菌株，并使這個(gè)菌株獲得另一個(gè)菌株遺傳性狀。轉(zhuǎn)導(dǎo)又分為普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)和特異性轉(zhuǎn)導(dǎo)。
普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)(generalized transduction)是指轉(zhuǎn)導(dǎo)型噬菌體能傳遞供體菌株任何基因。如大腸桿菌P1噬菌體、枯草桿菌PBS1噬菌體、傷寒沙門氏菌的P22噬菌體等都能進(jìn)行普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)。它的轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率為10-5~10-8。能進(jìn)行普遍轉(zhuǎn)導(dǎo)的噬菌體，含有一個(gè)使供體菌株染色體斷裂的酶。當(dāng)噬菌體DNA被噬菌體蛋白外殼包裹時(shí)，正常情況下，是將噬菌體本身的DNA包裹進(jìn)蛋白衣殼內(nèi)，但也有異常情況出現(xiàn)，供體染色體DNA (通常和噬菌體DNA長(zhǎng)度相似)偶然錯(cuò)誤地被包進(jìn)噬菌體外殼，而噬菌體本身的DNA卻沒有完全包進(jìn)去，裝有供體染色體片段的噬菌體稱為轉(zhuǎn)導(dǎo)顆粒。轉(zhuǎn)導(dǎo)顆�？梢愿腥臼荏w菌株，并把供體DNA注入受體細(xì)胞內(nèi)，與受體細(xì)胞的DNA進(jìn)行基因重組，形成部分二倍體。通過重組，供體基因整合到受體細(xì)胞的染色體上，從而使受體細(xì)胞獲得供體菌的遺傳性狀，產(chǎn)生變異，形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)導(dǎo)子，這種轉(zhuǎn)導(dǎo)稱為完全轉(zhuǎn)導(dǎo)(如圖5－12)。在普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)中，有時(shí)轉(zhuǎn)導(dǎo)來的供體DNA不一定都能整合到受體染色體上，產(chǎn)生穩(wěn)定轉(zhuǎn)導(dǎo)子，更多的則是轉(zhuǎn)導(dǎo)來的供體染色體不能整合到受體染色體上，也不能復(fù)制，但可以表達(dá)，這種轉(zhuǎn)導(dǎo)稱為流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)。
圖5－12. 沙門氏菌的普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)
在一次轉(zhuǎn)導(dǎo)中流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)往往多于完全轉(zhuǎn)導(dǎo)的細(xì)胞。在流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)的情況下，轉(zhuǎn)導(dǎo)子細(xì)胞每分裂一次，轉(zhuǎn)導(dǎo)來的供體染色體片段只傳給兩個(gè)子細(xì)胞中的一個(gè)。這樣一代一代的分裂下去，供體染色體片段便一直沿著單個(gè)細(xì)胞單線傳遞下去，稱為單線傳遞(如圖5－13)。
特異性轉(zhuǎn)導(dǎo)(specialized transduction)是指噬菌體只能轉(zhuǎn)導(dǎo)供體染色體上某些特定的基因。它的轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率為10-6。特異性轉(zhuǎn)導(dǎo)是在大腸桿菌K12的溫和型噬菌
圖5－13. 流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)中所形成的微小菌落示意圖
細(xì)胞中的長(zhǎng)線表示染色體，短線表示由轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體引入的野生型基因，
黑點(diǎn)表示酶分子，虛線范圍內(nèi)是一個(gè)菌落中的全部細(xì)菌
體（λ）中首次發(fā)現(xiàn)的，它只能轉(zhuǎn)導(dǎo)大腸桿菌染色體上半乳糖發(fā)酵基因(ga1)和生物素基因（bio）。當(dāng)λ噬菌體侵入大腸桿菌K12后，使其溶源化，λ原噬菌體的核酸被整合到大腸桿菌DNA特定位置上，即gal基因和bio基因座位的附近。λ噬菌體可以通過附著位置間一次切離，從細(xì)菌染色體上脫落下來，偶而在噬菌體和細(xì)菌染色體之間發(fā)生不正常交換，誘發(fā)產(chǎn)生轉(zhuǎn)導(dǎo)型噬菌體，帶有細(xì)菌染色體基因gal或基因bio(如圖5－14)，而噬菌體的部分染色體（大約25％的噬菌體DNA）被留在細(xì)菌染色體上，形成帶有g(shù)a1基因或bio基因的噬菌體。其中帶有g(shù)a1基因的轉(zhuǎn)導(dǎo)顆粒稱為λdga1，d表示缺陷的意思。這種轉(zhuǎn)導(dǎo)顆粒不能獨(dú)立復(fù)制，當(dāng)它侵染敏感細(xì)菌時(shí)，不能產(chǎn)生侵染性子代。
圖5－14. 轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體形成過程
圖5－15. λdga1+通過lac基因位置的交換所形成的轉(zhuǎn)導(dǎo)子
A表示兩次交換產(chǎn)生穩(wěn)定的轉(zhuǎn)導(dǎo)子 B表示一次交換產(chǎn)生不穩(wěn)定的轉(zhuǎn)導(dǎo)子
λdga1轉(zhuǎn)導(dǎo)顆粒導(dǎo)入gal-受體菌后產(chǎn)生兩種情況(如圖5－15)，一種是形成穩(wěn)定的、非溶源性的轉(zhuǎn)導(dǎo)子，約占1／3。λdga1所帶的ga1+基因通過lac基因位置的兩次交換，永遠(yuǎn)取代gal-基因，得到ga1+轉(zhuǎn)導(dǎo)子；另一種轉(zhuǎn)導(dǎo)子是不穩(wěn)定的，約占2／3。它是λdga1轉(zhuǎn)導(dǎo)顆粒通過lac基因位置的一次交換，使ga1+基因整合到受體染色體的gal-基因旁，這樣受體細(xì)胞中除gal-基因外，還有λdga1噬菌體的ga1+基因，其基因型是λdga1+gal-，也稱雜基因子，其后代都能分離出gal-細(xì)菌。
3.1.3. 接合(conjugation)
接合是通過供體菌和受體菌的直接接觸傳遞遺傳物質(zhì)。接合有時(shí)也稱雜交，接合不僅存在于大腸桿菌中，還存在于其他細(xì)菌中，如鼠傷寒沙門氏菌。
F因子 在細(xì)菌中，接合現(xiàn)象研究最清楚的是大腸桿菌。大腸桿菌的接合與其細(xì)菌表面的性纖毛有關(guān)，大腸桿菌有雄性和雌性之分，而決定它們性別的是F因子的有無。F因子又稱致育因子，能促使兩個(gè)細(xì)胞之間的接合，是一種質(zhì)粒。其遺傳組成包括三個(gè)部分：原點(diǎn)（是轉(zhuǎn)移的起點(diǎn)）、致育基因群、配對(duì)區(qū)域。F因子約有6×104對(duì)核苷酸組成，相對(duì)分子質(zhì)量為5×107， 約占大腸桿菌總DNA含量的2％。F因子具有自主地與細(xì)菌染色體進(jìn)行同步復(fù)制和轉(zhuǎn)移到其他細(xì)胞中去的能力。它既可以脫離染色體在細(xì)胞內(nèi)獨(dú)立存在，也可以整合到染色體基因組上；它既可以通過接合而獲得，也可以通過理化因素的處理而從細(xì)胞中消除。
臍狀雌性細(xì)菌不含F(xiàn)因子，稱為F—菌株，雄性含有F因子，并且根據(jù)F因子在細(xì)胞中存在情況的不同而有不同名稱。一種是游離在細(xì)胞染色體之外，為自主復(fù)制的小環(huán)狀DNA分子，這樣的細(xì)菌稱為F+菌株；另一種狀態(tài)是F因子整合在細(xì)菌染色體上，成為細(xì)菌染色體的一部分，隨同染色體一起復(fù)制，這種細(xì)菌稱為Hfr菌株(high frequency recombination)，即高頻重組菌株；還有一種狀態(tài)是F因子能被整合到細(xì)胞核DNA上，也能從上面脫落下來，呈游離存在，但在脫落時(shí)，F(xiàn)因子有時(shí)能帶一小段細(xì)胞核DNA，這種含有游離存在的但又帶有一小段細(xì)胞核DNA的F因子的細(xì)菌稱為F’菌株。上述三種雄性菌株與雌性菌株接合時(shí)，將產(chǎn)生三種不同的結(jié)果：
F+×F— 當(dāng)F+和F—細(xì)胞混合在一起時(shí)，不同類型的細(xì)胞，只要幾分鐘，便成對(duì)地連在一起，即所有F+細(xì)胞跟F—細(xì)胞配好對(duì)，同時(shí)在細(xì)胞間形成一個(gè)很細(xì)的接合管。F因子穿過接合管，進(jìn)入F—細(xì)胞，使其轉(zhuǎn)變?yōu)镕+ 菌株。具體過程為：F+ 菌株的F因子的一條DNA單鏈在特定的位置上發(fā)生斷裂，斷裂的單鏈逐漸解開，同時(shí)留下另一條環(huán)狀單鏈為模板，通過模板的旋轉(zhuǎn)，一方面解開的一條單鏈通過性纖毛而推入F—菌株中，另一方面，又在供體細(xì)胞內(nèi)，重新組合成一條新的環(huán)狀單鏈，以取代解開的單鏈，此即為滾環(huán)模型。在F—菌株細(xì)胞中，外來的供體DNA單鏈上也合成一條互補(bǔ)的新DNA鏈，并隨之恢復(fù)成一條環(huán)狀的雙鏈F因子，這樣，F(xiàn)—就變成了F+ 菌株。在F+× F—雜交中，雖然F因子以很高的頻率傳遞，但給體遺產(chǎn)標(biāo)記的傳遞則是十分稀少的（只有10-6~10-7）。
F’×F— F’菌株與F—菌株的接合過程同F(xiàn)+與F—菌株的接合過程，接合后，產(chǎn)生二個(gè)F’菌株。
Hfr×F— 當(dāng)Hfr細(xì)菌與 F—細(xì)菌混合時(shí)，兩細(xì)胞接合配對(duì)，接著從Hfr細(xì)胞把染色體通過接合管定向轉(zhuǎn)移給F—細(xì)胞。Hfr菌株與F—菌株接合的情況比較復(fù)雜，接合結(jié)果也不完全一樣（圖5－16）。在大多數(shù)情況下，受體細(xì)菌仍是F—菌株，只有在極少數(shù)情況下，由于遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移的完整，受體細(xì)胞才能成為Hfr菌株。其原因如下：當(dāng)Hfr菌株與F—菌株發(fā)生接合時(shí)，Hfr染色體在F因子處發(fā)生斷裂，由環(huán)狀變成線狀。緊接著，由于F因子位于線狀染色體之后，處于末端，所以必然要等Hfr的整條染色體全部轉(zhuǎn)移完后，F(xiàn)因子才能進(jìn)入到F—細(xì)胞。而由于一些因素的影響，在轉(zhuǎn)移過程中，Hfr染色體常常發(fā)生斷裂，因此Hfr菌株的許多基因雖然可以進(jìn)入F—菌株，越是前端的基因，進(jìn)入的機(jī)會(huì)越多，在F—菌株中出現(xiàn)重組子的時(shí)間就越早，頻率也高。而對(duì)于F因子，其進(jìn)入F—菌株的機(jī)會(huì)很少，引起性別變化的可能性也非常小。這樣Hfr與F—菌株接合的結(jié)果重組頻率雖高，但卻很少出現(xiàn)F+菌株。
(1)具有組入F因子(用波狀線表示)的Hfr細(xì)胞跟F—細(xì)胞配對(duì)。雙重圓圈表示構(gòu)成細(xì)菌染色體的雙螺旋DNA。(2)接合管形成，Hfr 染色體從F插入點(diǎn)附近的起始位置(i)開始復(fù)制。親本DNA 的一條鏈穿過按合附近的起始位置 (i)開始復(fù)制。親本DNA的一條鏈穿過接合管進(jìn)入受體細(xì)胞。(3)在復(fù)制和傳遞過程中，正在交配的細(xì)菌分開，形成一個(gè)F—部分合子或部分雙倍體細(xì)胞。在F—細(xì)胞中大概還合成了DNA的一條互補(bǔ)鏈。 (4)F—染色體跟從Hfr傳入的染色體片斷發(fā)生重組產(chǎn)生穩(wěn)定的重組型。
3.1.4. 溶原性轉(zhuǎn)變
這是一種與轉(zhuǎn)導(dǎo)相似但又有本質(zhì)不同的現(xiàn)象。首先是它的溫和型噬菌體不攜帶任何供體菌的基因，其次是這種噬菌體是正常的完整的，而不是異常情況下產(chǎn)生的缺陷型噬菌體。溶原轉(zhuǎn)變的典型例子是不產(chǎn)毒素的白喉棒狀桿菌(Lorynebactcerium diphthariac)，菌株被噬菌體侵染而發(fā)生溶原化時(shí)，會(huì)變成產(chǎn)毒素的致病菌株。其它如沙門氏菌、紅曲霉、鏈霉菌等也具有溶原轉(zhuǎn)變的能力。
圖5－16. 大腸桿菌的Hfr×F—雜交
3.2. 噬菌體的基因重組
噬菌體原來指細(xì)菌病毒，近年來發(fā)現(xiàn)真菌、藻類都有噬菌體。病毒屬于原核生物，是化學(xué)成份最簡(jiǎn)單的生物，它沒有一般的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，它的染色體和細(xì)菌一樣并不和蛋白質(zhì)結(jié)合在一起。它具有寄生專一性，只能在寄主細(xì)胞內(nèi)繁殖。它可以離開寄主細(xì)胞而存活，可是不能繁殖。由于病毒的簡(jiǎn)單的體制和它與寄主細(xì)胞的特殊關(guān)系，它已成為分子遺傳學(xué)研究中最普遍采用的材料之一。病毒的研究對(duì)認(rèn)識(shí)遺傳物質(zhì)的本質(zhì)有著重要的作用，在遺傳工程的研究中它也是一種重要的工具。
噬菌體就它的化學(xué)本質(zhì)來講，有RNA噬菌體、DNA噬菌體、單鏈?zhǔn)删w、雙鏈?zhǔn)删w等，就它和寄主的關(guān)系來講，可以分為烈性噬菌體和溫和性噬菌體兩大類。
3.2.1. 烈性噬菌體
20世紀(jì)40年代在大腸桿菌T2噬菌體中首次發(fā)現(xiàn)了噬菌體的基因重組。T2噬菌體有許多突變型，最早發(fā)現(xiàn)的有快速溶菌(r)、寄主范圍(h)、小形噬菌斑（m）等突變型。h可以感染野生型細(xì)菌和抗T2細(xì)菌 (用B／2表示)，h+只能感染野生型大腸桿菌B品系；r為快速溶菌突變型，能產(chǎn)生大噬菌斑，r+為遲緩溶菌，生成小的噬菌斑。當(dāng)h+r(寄主范圍正常，但具速溶性狀)和h r+(無速溶性狀，但寄主范圍擴(kuò)大)兩種噬菌體同時(shí)感染大腸桿菌B品系，然后把子代噬菌體接種在同時(shí)長(zhǎng)有大腸桿菌B和B／2兩種菌組成的混合菌平板上，結(jié)果出現(xiàn)四種不同的噬菌斑(圖5－17)。在四種噬菌斑中，透明而小(hr+)和半透明而大(h+r)是親本組合，半透明而小(h+r+)和透明而大(hr)是重組類型。
圖5－17. 噬菌體h+r-× h-r+產(chǎn)生的四種子裔噬菌體形成的噬菌斑
3.2.2. 溫和性噬菌體
溫和性噬菌體跟F因子一樣，宛如附加的細(xì)菌基因群，既能以自主的自我復(fù)制顆粒存在，也可以插入細(xì)菌染色體與其一起復(fù)制。λ噬菌體是最著名的溫和性噬菌體。
當(dāng)λ侵染大腸桿菌時(shí)，發(fā)生兩種反應(yīng)：一種是裂解性反應(yīng)，和烈性噬菌體侵染敏感細(xì)菌所進(jìn)行的反應(yīng)相同。在寄主體內(nèi)，侵染的噬菌體DNA立即復(fù)制，合成頭部和尾部，裝配成成熟的噬菌體顆粒，裂解寄主細(xì)胞，釋放出幾百個(gè)成熟的噬菌體。另一種是溶源反應(yīng)。侵染的噬菌體進(jìn)入寄主細(xì)胞后，其DNA可以整合到寄主細(xì)胞染色體上，成為細(xì)菌染色體的一部分，以原噬菌體形式存在于細(xì)胞中，使細(xì)菌溶源化，這種狀態(tài)的溫和噬菌體又稱為原噬菌體。受λ噬菌體侵染的大腸桿菌的裂解只是一小部分，其裂解的確切頻率部分依賴于噬菌體和寄主的基因型，部分依賴于侵染的環(huán)境條件，其余大部分細(xì)菌則進(jìn)入溶源反應(yīng)。原噬菌體能夠自發(fā)的誘變成成熟的噬菌體顆粒而裂解寄主細(xì)胞，紫外線是一種有效的誘發(fā)因素。
3.3. 真核微生物的基因重組
真核微生物的基因重組方式有有性雜交、準(zhǔn)性生殖和無性生殖等：
3.3.1. 有性雜交
有性雜交是指在微生物的有性繁殖過程中，兩個(gè)性細(xì)胞相互接合，通過質(zhì)配、核配后形成雙倍體的合子，隨之合子進(jìn)行減數(shù)分裂，部分染色體可能發(fā)生交換而進(jìn)行隨機(jī)分配，由此而產(chǎn)生重組染色體及新的遺傳型，并把遺傳性狀按一定的規(guī)律性遺傳給后代的過程。凡是能產(chǎn)生有性孢子的酵母菌和霉菌，都能進(jìn)行有性雜交。
有性雜交在生產(chǎn)實(shí)踐中被廣泛用于優(yōu)良品種的培育。在進(jìn)行有性雜交時(shí)，首先要選擇雜交的親株，不但要考慮到性的親和性，還要考慮其標(biāo)記，以免在雜種鑒別時(shí)引起極大困難；其次，要考慮子囊孢子的形成條件，選用生孢子培養(yǎng)基，營造饑餓條件促進(jìn)細(xì)胞發(fā)生減數(shù)分裂形成子囊孢子；另外，可以采用群體交配法、孢子雜交法、單倍體細(xì)胞交配法等進(jìn)行有性雜交。群體交配法是將兩種不同交配型的單倍體酵母混合培養(yǎng)在麥芽汁中過夜，當(dāng)鏡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)有大量的啞鈴型接合細(xì)胞時(shí)，就可以挑出接種微滴培養(yǎng)液中，培養(yǎng)形成二倍體細(xì)胞。孢子雜交法需借助顯微操縱器將不同親株的子囊孢子配對(duì)，進(jìn)行微滴培養(yǎng)和濕室培養(yǎng)，使之發(fā)芽接合，形成合子，這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以在顯微鏡下直接觀察到合子的形成，但這種方法需精密儀器，費(fèi)工也大。單倍體細(xì)胞交配法與孢子雜交法類似，是用兩種交配型細(xì)胞配對(duì)放在微滴中培養(yǎng)，在顯微鏡下觀察合子形成，但此法的成功率較小。例如用于酒精發(fā)酵的酵母菌和用于面包發(fā)酵的酵母菌是同屬一種啤酒酵母(Saccharomyces cereuisiac)的兩個(gè)不同菌株，由于各自的特點(diǎn)，它們不能互用。而通過兩者的雜交，得到了產(chǎn)酒率既高，又對(duì)麥芽糖及葡萄糖的發(fā)酵能力強(qiáng)，產(chǎn)生C02多，生長(zhǎng)快，可以用作面包廠和家用發(fā)酵酵母的優(yōu)良菌種。
3.3.2. 準(zhǔn)性生殖
準(zhǔn)性生殖是一種類似于有性生殖但比它更原始的一種生殖方式。它可使同一種生物的兩個(gè)不同來源的體細(xì)胞經(jīng)融合后，不經(jīng)過減數(shù)分裂和接合的交替，不產(chǎn)生有性孢子和特殊的囊器，僅導(dǎo)致低頻率的基因重組，重組體細(xì)胞和一般的營養(yǎng)體細(xì)胞沒有什么不同。準(zhǔn)性生殖多見于一般不具典型有性生殖的酵母和霉菌，尤其是半知菌中，其主要過程為：
菌絲聯(lián)結(jié) 發(fā)生聯(lián)結(jié)的頻率很低，常發(fā)生在一些形態(tài)上沒有區(qū)別的，但在遺傳性狀上有差別的兩個(gè)同種親本的體細(xì)胞(單倍體)間，。
形成異核體 當(dāng)兩個(gè)遺傳性狀不同的菌株的菌絲互相接觸時(shí)，通過菌絲的聯(lián)結(jié)，使細(xì)胞核由一根菌絲進(jìn)入另一根菌絲，原有的兩個(gè)單倍體核集中到同一個(gè)細(xì)胞中，形成雙倍的異核體。異核體能獨(dú)立生活。
形成雜合二倍體 異核體的兩個(gè)不同遺傳性狀的細(xì)胞核融合在一起，產(chǎn)生雜合二倍體。它與異核體不同，與親本也不同，它的DNA含量約為單倍體的二倍，孢子體積約比單倍體孢子大一倍，其它一些性狀也有明顯區(qū)別，雜合二倍體相當(dāng)穩(wěn)定。核融合后產(chǎn)生雜合二倍體的頻率也是極低的，如構(gòu)巢曲霉和米曲霉為10-5～10-7。
體細(xì)胞重組和單倍體化 盡管雜合二倍體的無性繁殖很穩(wěn)定，但也有極少數(shù)細(xì)胞核在有絲分裂過程中染色體會(huì)發(fā)生交換和單倍體化，從而形成了極個(gè)別的具有新遺傳性狀的單倍體雜合子。如果對(duì)雜合二倍體用紫外線、γ射線或氮芥等化學(xué)誘變劑進(jìn)行處理，就會(huì)促進(jìn)染色體斷裂、畸變或?qū)е氯旧w在兩個(gè)子細(xì)胞中的分配不均，因而有可能產(chǎn)生有不同性狀組合的單倍體雜合子。
準(zhǔn)性生殖為一些沒有有性繁殖過程但有重復(fù)生產(chǎn)價(jià)值的半知菌及其它微生物的育種，提供了重要的手段。如霉菌中醬油曲霉、黑曲霉等已雜交成功。