二、变异机制
细菌的变异机制依其基因是否改变而分为表型变异和基因型变异两种类型。表型变异是指因外界环境条件的作用，引起生物的某些基因（主要为诱导性基因）表达调控变化而出现的差异。而基因型变异则由基因结构的改变引起的变异，亦称遗传性变异，其机制主要有基因的突变和基因的转移与重组两类。
（一）基因突变
突变（mutation）是指生物遗传物质的结构发生突然并可遗传的改变而导致的生物性状的改变。突变可以自发产生，也可由射线或化学诱变剂诱导产生。自发突变率一般在10-9～10-6，如果用高温、紫外线、X射线、烷化剂、亚硝酸盐等理化因素诱导细菌突变，可使突变发生率提高10～1 000倍。生物基因组上核苷酸序列的改变仅为一个或数个碱基的置换、插入或丢失，出现的突变只影响到一个或数个基因，引起较少的性状变异，称为小突变或点突变（point mutation）；若涉及大段的DNA发生改变，称为大突变或染色体畸变（chromosome aberration）。
突变是随机的、无定向的，如耐药性突变是随机发生的，耐药菌的日渐增多实际上是由于使用药物造成对药物敏感的个体被抑制而不能生长所致，药物在此过程中仅起到了筛选作用。生物DNA的突变产生性状的变异也可能再经一次突变使变异的性状又恢复成原先的表型，称回复突变。
（二）基因的转移与重组
外源性遗传物质由供体菌转入受体菌细胞内的过程称为基因转移（gene transfer），外源性遗传物质多为供体菌的DNA片段，可通过质粒和噬菌体等转移，转移的基因与受体菌的DNA整合在一起并使受体菌获得新的性状，称为基因的重组（recombination）。
1.转化（transformation） 受体菌直接摄取外源DNA片段（来自供体菌或质粒），将其整合到基因组中，从而获得新的遗传性状，称为转化。转化现象的发现源于英国学者F.Griffith在1928年用肺炎链球菌进行的有关试验。肺炎链球菌是一种病原性球菌，常成双或成链排列，有光滑型（S型）和粗糙型（R型）两种类型。其中S型的菌株产生荚膜，有毒力，注射可致小鼠死亡；R型的菌株不产生荚膜，无毒力，对小鼠无致死作用。Griffith将加热灭活的S型细菌和活的R型细菌混合后注射到小鼠体内，小鼠死亡。Griffith称此现象为转化作用，实验证明S型菌体内可能存在一种转化物质，它能通过某种方式进入R型细菌，并使R型细菌获得稳定的遗传性状。1944年O.T.Avery等人对转化的本质进行了深入的研究。他们用S型细菌的DNA代替灭活的S型细菌重复Griffith的实验，得到相同的结果。实验结果表明，将R型细菌转化为S型细菌的遗传物质是DNA。
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图11-7 肺炎链球菌转化实验简化示意图
2.接合（conjugation） 供体菌与受体菌通过性菌毛接触而进行的基因转移，称为接合。通过接合方式转移的质粒称为接合性质粒，主要包括F质粒、R质粒、Col质粒和毒力质粒等。接合不是细菌的一种固有功能，当接合质粒丢失后，细菌间就不能进行接合。最早发现的接合质粒是大肠埃希菌的F质粒。带有F质粒的细菌有性菌毛，相当于雄性菌（F+），无F质粒的细菌，相当于雌性菌（F-）；当F+菌与F-菌杂交时，F+菌的性菌毛末端与F-菌表面受体接合，使两菌靠近并形成通道，F质粒DNA中的一条链断开并通过性菌毛通道进入F-菌内，单股DNA链以滚环式进行复制，可在杂交的两菌中各自形成完整的F质粒；F-菌获得F质粒后长出性菌毛，也成为F+菌。R质粒最早在福氏痢疾杆菌耐药的菌株内发现，随后发现很多细菌的耐药性都与R质粒的接合转移有关。R质粒由耐药传递因子和耐药决定因子组成，耐药传递因子与F质粒功能相似，编码性菌毛；耐药决定因子赋予菌株耐药性。
3.转导（transduction） 以噬菌体为媒介，将供体菌的一段DNA转移到受体菌内，使受体菌获得供体菌的部分遗传性状的过程，称为转导。根据转导基因片段的范围，可将转导分为普遍性转导（转导的DNA可为供菌染色体上的任何部分）和局限性转导（转导的DNA只限供菌染色体上的特定基因）
噬菌体（bacteriophage，phage）是感染细菌、真菌等微生物的病毒。噬菌体在电子显微镜下有三种形态，即蝌蚪状、微球形和细杆状。大多数噬菌体呈蝌蚪状，由头部和尾部两部分组成。噬菌体头部为蛋白质外壳包裹的二十面体，内含核酸。尾部由中空的尾髓和外面包着的尾鞘组成。在头、尾连接处有一尾领结构，尾部末端有尾板、尾刺和尾丝。尾丝为噬菌体的吸附器官，能识别宿主菌体表面的特殊受体，尾板内有裂解宿主菌细胞壁的溶菌酶，尾髓具有收缩功能，可使头部核酸注入宿主菌。
噬菌体感染宿主菌后有两种结果：一是在宿主菌体内复制增殖，产生子代噬菌体，裂解宿主菌，称为毒性噬菌体（virulent phage）。毒性噬菌体增殖过程包括吸附、穿入、生物合成、成熟和释放几个阶段。二是噬菌体感染易感细菌后，其基因与宿主菌染色体整合，多数情况下，不产生子代噬菌体，不裂解宿主菌，但噬菌体DNA能随细菌DNA复制，并随细菌的分裂而传代，称为温和噬菌体（temperate phage）或溶原性噬菌体（lysogenic phage）。整合在细菌染色体中的噬菌体核酸称为前噬菌体（prophage），带有前噬菌体的细菌称为溶原性细菌（lysogenic bacterium）。前噬菌体偶尔可自发地或在某些环境因素的诱导下脱离宿主菌染色体，产生成熟噬菌体，导致细菌裂解。温和噬菌体的这种产生成熟噬菌体颗粒和溶解宿主菌的潜在能力，称为溶原性。
噬菌体在增殖末期将DNA装入外壳蛋白组成新的噬菌体时发生装配错误，误将供体菌的DNA片段或质粒装入，成为一个转导噬菌体，在其感染另一宿主菌时就将其所携带的供体菌DNA转入受体菌，这个过程就是转导过程。在转导现象中有一种特殊的转导类型，称为溶原性转换（lysogenic conversion）。它是由温和噬菌体感染宿主细菌时，以前噬菌体形式整合入宿主菌，使宿主菌获得了噬菌体基因编码的某些遗传性状。如β-棒状噬菌体感染白喉棒状杆菌后，由于噬菌体携带编码毒素的基因，使无毒的白喉棒状杆菌获得产生白喉毒素的能力。
图11-8 噬菌体的结构示意图