三、 基因重組
基因重組是指兩個獨立基因組內的遺傳基因，通過一定的途徑轉移到一起，形成新的穩定基因組的過程。基因重組時，不發生基因突變，而是整個基因的水平轉移，導致受體細胞獲得該基因並表現其性狀。基因重組是核酸分子水平上的概念，是遺傳物質分子水平上的雜交。細胞水平上的雜交必然包含有分子水平上的重組，而重組則不僅限於雜交一種形式。真核微生物可通過有性雜交、準性雜交和原生質體融合等進行整套染色體的重組；原核微生物主要經轉化、轉導、接合和原生質體融合等途徑實現部分染色體或個別基因的重組。基因重組可以在人為設計的條件下發生，使之服務於人類育種的目的。
（一）、原核微生物的基因重組
在原核微生物中，基因重組主要有轉化、轉導、接合和原生質體融合4種形式。
1、轉化
受體菌直接吸收來自供體菌的DNA片段，通過交換將其整合到自己的基因組中，從而獲得了供體菌部分遺傳性狀的現象稱為轉化。通過轉化方式而形成的雜種後代，稱為轉化子。轉化因子指有轉化活性的外源DNA片段。它是供體菌釋放或人工提取的遊離DNA片段。
轉化因子需具備兩個條件，較高的相對分子質量和同源性。相對分子質量一般在1×107，以雙鏈較多，單鏈者少見。供體菌和受體菌親緣關係越近，DNA的純度越高，越易轉化。
兩個菌種或菌株間能否發生轉化，與它們在進化過程中的親緣關係有著密切的聯係。但即使在轉化頻率極高的菌種中，不同菌株間也不一定都可發生轉化。能進行轉化的細胞必須是感受態的。受體細胞最易接受外源DNA片段並實現轉化的生理狀態稱為感受態。處於感受態的細胞，其吸收DNA的能力，有時可比一般細胞大一千倍。感受態的出現受該菌的遺傳性、菌齡、生理狀態和培養條件等的影響。感受態可以通過CaCl2誘導。
2、轉導
通過缺陷噬菌體的媒介，把供體細胞的小片段DNA攜帶到受體細胞中，通過交換與整合，使後者獲得前者部分遺傳性狀的現象，稱為轉導。由轉導作用而獲得部分新遺傳性狀的重組細胞，稱為轉導子。
轉導現象在自然界中比較普通，它在低等生物進化過程中很可能是一種產生新基因組合的重要方式。
（1）普遍轉導
通過極少數完全缺陷噬菌體對供體菌基因組上任何小片段DNA進行“誤包”，而將其遺傳性狀傳遞給受體菌的現象，稱為普遍轉導。噬菌體侵入寄主細胞後，通過複製和合成，亦將寄主DNA降解為許多小片段，進入裝配階段。正常情況下，噬菌體將自身的DNA包裹在衣殼中，但也有異常的可能。它誤將寄主細胞DNA的某一片段包裹進去。這樣的噬菌體稱缺陷噬菌體。體內僅含有供體DNA的缺陷噬菌體稱完全缺陷噬菌體。體內同時含有供體DNA和噬菌體DNA的缺陷噬菌體稱為部分缺陷噬菌體。當包裹有寄主DNA片段的噬菌體釋放後，再度感染新的寄主，其中的供體菌的DNA片段進入受體菌，並通過基因重組使受體菌形成穩定的轉導子。
普遍轉導又可分為以下兩種：
A、完全普遍轉導 簡稱完全轉導（completetransduction）。指供體菌的任意DNA片段都可以進行轉導。
B、流產普遍轉導 簡稱流產轉導（abortivetransduction）。經轉導而獲得了供體菌DNA片段的受體菌，如果外源DNA在其內既不進行交換、整合和複製，也不迅速消失，而僅進行轉錄、轉譯和性狀表達，這種現象就稱流產轉導。發生流產轉導的細胞在其進行分裂後，隻能將這段外源DNA分配給一個子細胞，而另一子細胞僅獲得供體基因經轉錄、轉譯而形成的少量產物——酶，因此在表型上仍可出現輕微的供體菌特征，每經過一次分裂，就受到一次“稀釋”。所以，能在選擇性培養基平板上形成微小菌落就成了流產轉導子的特點。
（2）．局限轉導
局限轉導最初於1954年在E．coliK12中發現。指通過部分缺陷的溫和噬菌體把供體菌的少數特定基因攜帶到受體菌中，並獲得表達的轉導現象。它有這樣幾個特點：①隻能轉導供體菌的個別特定基因（一般為噬菌體整合位點兩側的基因）；②該特定基因由部分缺陷的噬菌體攜帶；③缺陷噬菌體是由於其在形成過程中所發生的低頻率 “誤切”，或由於雙重溶源菌的裂解而形成，在後一情況下可形成50％缺陷噬菌體。E.coliK12的λ噬菌體可進行局限轉導。根據轉導頻率的高低可把局限轉導分成兩類：
A、低頻轉導（LFT，lowfrequencytransduction）： 已知當溫和噬菌體感染受體菌後，其染色體會開環，並以線狀形式整合到宿主染色體的特定位點上，從而使宿主細胞發生溶源化，並獲得對相同溫和噬菌體的免疫性。如果該溶源菌因誘導而發生裂解時，就有極其少數（～10-5）的前噬菌體發生不正常切離，其結果會將插入位點兩側之一的少數宿主基因（如E．coliλ前噬菌體的兩側分別為發酵半乳糖的gal基因或合成生物素的bio基因）連接到噬菌體DNA上（而噬菌體也將相應的一段DNA遺留在宿主的染色體組上），通過衣殼的“誤包”，就形成了一種特殊的噬菌體——缺陷噬菌體（defectivephage）。在E．coliK12中，可形成λdga1或λdg（帶有供體菌gal基因的λ缺陷噬菌體，其中的“d”表示缺陷）或λdbio（帶有供體菌bio基因的λ缺陷噬菌體），它們沒有正常λ噬菌體所具有的使宿主發生溶源化的能力。當它感染宿主細胞並整合在宿主的核基因組上時，可使宿主細胞成為一個局限轉導子（即獲得了供體菌的gal或bio基因），而不是一個溶源菌，因而對λ噬菌體不具有免疫性。
由於宿主染色體上進行不正常切離的頻率極低，因此在裂解物中所含的部分缺陷噬菌體的比例是極低（10-4～10-6）的，這種裂解物稱LFT（低頻轉導）裂解物。LTF裂解物在低m．o．i（感染複數）情況下感染宿主，就可獲得極少量的局限轉導子，這就是低頻轉導。
B、高頻轉導（HFT，highfrequencytrans-duction）：當E．coligal-（不發酵半乳糖的營養缺陷型）這種受體菌用高m．o．i的LFT裂解物進行感染時，則凡感染有λdga1噬菌體的任一細胞，幾乎同時都感染有正常的λ噬菌體。這時，λ與λdga1兩者同時整合在一個受體菌的核染色體組上，從而使它成為一個雙重溶源菌。當雙重溶源菌被紫外線等誘導時，其中的正常λ噬菌體的基因可補償λdga1所缺失的部分基因功能，因而兩種噬菌體就同時獲得複製的機會。所以，在雙重溶源菌中的正常λ噬菌體被稱為助體（或輔助）噬菌體（helperphage）。根據以上的特點可以知道，由雙重溶源菌所產生的裂解物中，含有等量的λ和λdga1粒子，這就稱HFT（高頻轉導）裂解物。如果用低m．o．i的HFT裂解物去感染另一個E．coligal-受體菌（不能發酵半乳糖的受體菌）的話，則可高頻率地把它轉化為能發酵半乳糖的E．coligal+轉導子。這種方式的轉導，就稱高頻轉導。
（三）接合
供體菌通過性菌毛與受體菌直接接觸，把F質粒或其攜帶的不同長度的核基因組片段傳遞給後者，使後者
獲得若幹新遺傳性狀的現象，稱為接合。通過接合而獲得新遺傳性狀的受體細胞稱為接合子。
細胞的接合現象在大腸杆菌中研究得最清楚。大腸杆菌有性別分化，決定它們性別的因子稱為F因子(即致育因子或性質粒)。F因子是一種獨立於染色體外的小型的環狀DNA，一般呈超螺旋狀態，它具有自主的與染色體進行同步複製和轉移到其他細胞中去的能力。F因子既可脫離染色體在細胞內獨立存在，也可整合到染色體組上；它既可經過接合作用而獲得，也可通過一些理化因素(如吖啶橙、絲裂黴素、利福平、溴化乙錠和加熱等)的處理而從細胞中消除。
F＋菌株可以與不含F因子的F－菌株接合，從而使後者也成為F＋菌株，其過程大體可分兩個階段：首先是F＋菌株與F－菌株配對，並通過性菌毛接合；然後F因子雙鏈DNA的一條單鏈在一特定的位置斷開，通過性菌毛內腔向F－菌株細胞內轉移，並同時在兩個菌株細胞內以一條DNA單鏈為模板，各自複製合成完整的F因子。
有些大腸杆菌的F因子可與核染色體整合在一起，這種類型的菌株與F－菌株接合的重組頻率比F＋與F－菌株接合的重組頻率高幾百倍以上，因此，常將其稱為高頻重組(Hfr)菌株，Hfr與F－菌株接合時，染色體的一條單鏈可以在F因子處斷裂，並以F因子為末端向F－菌株胞內轉移。由於轉移的過程中常發生染色體的斷裂，所以這種接合可以使F－菌株獲得部分供體基因，但很少使F－菌株獲得F因子。
Hfr菌株中的F因子有時可由不正常的切割而帶有一小段核染色體基因的雜合F因子，通常稱為F′因子，當帶有F′菌株與F－菌株接合後，可使F－菌株成為既有F因子又帶有部分供體菌基因的次生F′菌株。
（四）原生質體融合（protoplastfusion）通過人為的方法，使遺傳性狀不同的兩細胞的原生質體發生融合，並進而發生遺傳重組以產生同時帶有雙親性狀的、遺傳性穩定的融合子（fusant）的過程，稱為原生質體融合。原核生物的原生質體融合研究是在70年代後期才發展起來的一種育種新技術，這是繼轉化、轉導和接合之後一種更有效的轉移遺傳物質的手段。能進行原生質體融合的細胞是極其廣泛的，不僅包括原核生物中的細菌和放線菌，而且還包括各種真核生物的細胞，例如屬於真核微生物的酵母菌和黴菌以及高等動植物和人體的不同細胞。
原生質體融合的主要步驟是：先選擇兩個有特殊價值的並帶有選擇性遺傳標記的細胞作為親本，在高滲溶液中，用適當的脫壁酶（如細菌或放線菌可用溶菌酶或青黴素處理，真菌可用蝸牛酶或其他相應的脫壁酶等）去除細胞壁，再將形成的原生質體（實際上往往是些脫壁不完全的球狀體）進行離心聚集，並加入促融合劑PEG（聚乙二醇polyethyleneglycol）或通過電脈衝等促進融合，然後在高滲溶液中稀釋，再塗在能使其再生細胞壁和進行分裂的培養基上。待形成菌落後，通過影印接種法，將其接種到各種選擇性培養基上，鑒定它們是否為融合子，最後再測定其他生物學性狀或生產性能
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