微生物遗传与菌种改良¶

微生物群体的遗传变化来自点突变、重组、基因获得与丢失、复制子拷贝数变化以及染色体重排。细胞分裂把已有基因组纵向传给后代，环境中的 DNA、质粒、噬菌体和整合型元件又可跨谱系输送序列；进入细胞的 DNA 只有完成复制、整合或其他稳定建立，才会成为可遗传组成。由此产生的变异还要经过表达、生理代价与群体选择，才能在自然群落或生产菌株中持续存在。

经典转化、噬菌体标记和烟草花叶病毒重建实验见遗传物质、基因与基因组。在微生物群体中，遗传信息以染色体、质粒和多类移动元件存在，变异经选择改变频率，这些过程也约束菌种改良与保藏。

染色体、复制子与泛基因组¶

复制子是由一个复制起点及其控制系统维持的 DNA 单元。细菌和古菌可以有一条或多条环状或线形染色体，染色体数、倍性和复制状态都随物种与生长条件变化；“原核生物只有一条单倍体环状 DNA”只是少数模式菌的简化图。真核微生物还同时携带核染色体和线粒体或质体基因组，部分酵母与其他真菌另有质粒样 DNA、双链 RNA 因子或内源病毒。

同一命名物种的不同菌株通常共享一组相对保守的核心基因，却在代谢岛、表面结构、抗性、防御系统和移动元件等可变基因上有明显差异。指定一组基因组中全部非冗余基因的集合称泛基因组，其中核心与附属部分的大小取决于取样、物种边界和同源聚类阈值，会随样本扩展和分析规则而变化。基因获得、丢失、重复和等位替换共同塑造这种差异，因此物种的功能潜力需要由多株基因组共同描述。¹

质粒的复制、分配与群体维持¶

质粒是能够在细胞内以染色体外形式自主复制的遗传单元。复制起始调控决定平均拷贝数，主动分配系统、随机分配与多聚体解离影响子细胞能否获得质粒；低拷贝质粒常需要较精确的分配装置，高拷贝本身也不能保证在任何条件下稳定。两个质粒若依赖相同或相互干扰的复制—分配控制，在无选择的长期培养中可能难以稳定共存，这种表型称为不相容性。

质粒携带的功能适合按模块理解。复制与维持模块保证纵向传递；可接合质粒还编码 DNA 处理和交配通道，动员型质粒只提供部分转移组件并借用同一细胞中的接合装置，另一些质粒没有已知接合动员模块，却仍可能通过转化、转导或与其他元件形成共整合体移动。抗生素抗性、重金属耐受、毒力、细菌素、共生、固氮和底物降解都可以成为 cargo，但“R、Col、降解、固氮质粒”等用途标签会重叠，也不能预测复制方式、宿主范围或转移能力。F、Ti 和 Ri 质粒适合作为特定系统的实例，不是质粒必须归入的固定类别。²

质粒给宿主带来的净效应随环境改变。DNA 复制、额外表达和接合装置可能降低竞争性生长，cargo 在特定底物、药物或宿主中又可提供足以抵偿成本的收益；补偿突变还会改变宿主与质粒的相容性。质粒能凭借稳定分配、水平传播、环境选择和宿主—质粒共同演化维持。所谓质粒消除只是观察到某处理后获得无质粒后代，诱变剂、高温或复制抑制处理可能同时改变染色体和细胞生理，不能据此把“消除”解释为质粒被定向、无副作用地排出。³

移动遗传元件重组基因组模块¶

插入序列主要编码自身移动所需功能，转座子可在同一边界内携带抗性、代谢或调控 cargo。整合子以 integrase 和重组位点捕获、排列并表达基因盒，却通常没有完整的自主跨细胞转移装置；它可搭载在质粒和转座子上而获得更大的传播范围。整合接合元件（ICE）平时位于染色体，需要转移时切出成环并利用自身接合系统进入新宿主；整合动员元件则借用共存元件的通道。原噬菌体、噬菌体诱导的染色体岛和基因转移因子又把病毒装配与细胞基因移动连接起来。

这些名称描述元件在一次生活史中的结构和机制，不代表永久身份。质粒可与染色体或另一质粒形成共整合体，转座子能在不同复制子间迁移，原噬菌体可携带宿主来源模块，大型质粒也可能逐渐获得染色体样的必需功能。具体转座、位点特异性整合和同源重组反应见DNA 重组与转座；移动元件的组合进一步改变宿主生态和群体基因流。

突变、选择与表型显现¶

复制错误、碱基自发化学变化、活性氧损伤、转座和不完全修复都能在没有外加诱变剂时产生突变。替换、短插入缺失、重复、扩增、倒位及大段缺失造成的后果取决于位置和遗传背景，可表现为营养缺陷、条件致死、表面抗原变化、药物或噬菌体抗性、形态变化和产量改变。突变率描述每次复制或单位时间产生新突变的概率；某一时刻的突变体频率还受突变发生时间、克隆扩增、适合度、瓶颈和检测条件影响，二者不能互换。

Luria–Delbrück 波动实验让许多平行小培养物先在没有噬菌体的条件下生长，再统一施加选择。早期出现的抗性突变会产生大量后代，晚期突变只留下少量菌落，因此各培养物的抗性菌落数高度波动；若选择剂在接触时才等概率诱导抗性，各管应更接近同一分布。这个实验说明特定抗性突变可在选择之前发生，选择富集已有变异。胁迫响应、低保真聚合酶、修复改变和局部基因扩增确实能改变突变率、突变谱或可供选择的细胞状态，但这仍不表示环境能预见需要并把指定有利序列写入基因组。⁴

选择使满足条件的细胞增殖或存活，筛选则在都能形成后代的候选中测量目标性状。营养缺陷型、抗性型或可利用特定底物的变异有时可以直接选择；产物得率、风味、胞外酶活和复杂耐受性往往需要逐克隆筛选。基因型改变后还可能经过等位基因分离、原有蛋白稀释或调控网络重置才出现表型，故培养时间和恢复条件会影响检出。细菌回复突变试验利用营养缺陷测试株恢复合成能力来检测特定点突变，并可加入外源代谢活化系统；它是规定条件下的遗传毒性试验，不是对所有致癌机制或生物安全性的完整判断。⁵

水平转移从 DNA 进入延伸到稳定建立¶

自然转化读取环境 DNA¶

自然感受态由细胞自身调控并建立 DNA 结合、跨包被运输和胞质处理装置。许多细菌把双链 DNA 的一条链降解、另一条链以单链形式导入，随后由 DprA、RecA 等促进同源整合；可在受体中复制的质粒或通过非同源机制建立的片段有不同结局。感受态常受生长阶段、营养、细胞密度或应激调控，不是所有细胞在任何时刻都能吸收任意 DNA。外源 DNA 还能作为营养来源，因此“检测到摄取”与“形成可遗传转化子”必须分开。⁶

接合与噬菌体提供定向输送通道¶

接合元件以 relaxase 在转移起点加工 DNA，并通过细胞接触相关通道把转移链送入受体。大肠杆菌 F 因子、Hfr 与 F′ 系统揭示了质粒转移、染色体区段进入和部分二倍体形成，但供体／受体“雌雄”、性菌毛和固定进入顺序属于这一模型的术语。不同细菌和古菌可使用不同黏附结构、分泌系统与调控网络。中断杂交和共转移率怎样转化为遗传图，见细菌与噬菌体遗传分析。

转导由噬菌体或相关粒子输送细胞 DNA。广义转导来自包装或装配过程把不同宿主片段装入粒子，特殊转导与某些原噬菌体的不精确切出相连，侧向转导、基因转移因子和噬菌体诱导染色体岛又扩展了经典二分。转导粒子是否缺陷、受体是否被杀死、DNA 能否重组或自主复制，都随噬菌体—宿主组合改变；广义转导也不要求媒介必为温和噬菌体。噬菌体自身基因改变宿主表型属于溶原转换，与粒子误带宿主 DNA 的转导不是同一个事件。⁶

三条路径都要越过多层筛选：供受体在时间和空间上相遇，DNA 通过表面与核酸酶屏障，复制起点适配或找到足够同源序列，cargo 能在新宿主表达，最终收益还要抵偿剂量失衡、错误互作和维护成本。因此，一次转移事件不等于长期基因流，序列相似也不能单凭自身证明转移方向和时间。

防御系统调节外源核酸的命运¶

限制—修饰系统用宿主标记和限制性核酸酶区别一部分自身与外来 DNA；CRISPR–Cas 通过间隔序列获取、crRNA 形成和靶核酸干扰建立序列特异的免疫记忆。BREX、DISARM、CBASS、Argonaute、retrons 与多类流产感染系统还可阻断复制、切断关键信号或让被感染细胞停止生长，从而保护近缘群体。其作用对象和代价各异，任何单一系统都不是“外源 DNA 总开关”。

防御基因常成簇分布，也能位于质粒、原噬菌体和其他移动元件上；这些元件可用防御系统排斥竞争元件，病毒则演化出抗限制、抗 CRISPR 和其他反防御模块。防御既可降低某些转化、接合或噬菌体建立率，也可能因保护受体免于裂解而让装在粒子中的宿主 DNA 得以建立。微生物基因流因此是宿主、多个移动元件及其防御—反防御网络共同产生的群体结果。⁷

真核微生物的重组与倍性变化¶

真菌和其他真核微生物既能在有性周期中经质配、核配和减数分裂重组，也可通过有丝分裂重组、基因转换、染色体丢失和非整倍体获得变异。菌丝融合还可能形成遗传组成不同的细胞核共处的异核体；是否能够核融合、减数分裂或在群体中稳定传播，受到营养体不亲和、交配型和谱系生活史限制。

准性循环指不经常规减数分裂的核融合、重组与倍性降低。Aspergillus nidulans 的经典系统和部分 Candida 谱系展示了这种路线，但不同真菌的倍性降低方式、重组强度及自然发生频率差别很大。Candida albicans 可由四倍体经非整倍性染色体丢失趋向较低倍性，产物未必是规则二倍体；异核体、二倍体形态和最终倍性因而需要按谱系和生活史分别描述。⁸

从遗传多样性到菌种改良¶

随机诱变扩大候选空间¶

物理或化学诱变可提高某些类型损伤和突变的发生率，随后用选择或高通量筛选寻找目标克隆。诱变剂剂量同时影响存活、突变谱和多位点负担，不存在跨菌种通用的“最佳致死率”或正突变峰值；筛得高产株还可能携带无关突变、增长缺陷和过程不稳定性。可靠流程需要独立重复、亲本与未诱变对照、复测、全基因组或靶位点核验，并在与生产接近的培养条件下评价。

营养缺陷株、抗反馈调节或抗类似物突变能够暴露代谢控制节点，但抗性与高产之间只是待验证的选择关联。琼脂块、梯度平板、菌丝过滤、影印平板和生长谱属于实现选择或筛选的实验方法，具体操作见实验技术主题；这些方法分别富集不同表型，也可能遗漏慢生长、晚显现或环境依赖性候选。

理性工程与适应性实验进化互补¶

代谢工程可以删除竞争支路、改变启动子或拷贝数、平衡辅因子、增加转运并把产品形成接到生长选择；基因组编辑则把假设变成确定的序列改动。设计目标需要同时区分产率、滴度、体积生产强度、底物范围、耐受性和遗传稳定性，因为提高其中一项可能牺牲另一项。工程改动还会重分配蛋白合成、膜面积、还原力和维持能量，宿主背景与培养过程决定最终通量。

适应性实验进化（adaptive laboratory evolution，ALE）在明确环境中连续传代，让持续提高繁殖成功的变异逐渐富集。它适合修复工程菌生长缺陷、提高底物利用或胁迫耐受，也可能选择“更快生长但更少产物”、关闭昂贵外源回路或利用培养装置中的非预期捷径。平行演化、时间样本和克隆测序可区分反复出现的候选机制，回构单个或组合突变才能检验因果；未回构的终点基因组只是与表型共同被选中的变异集合。随机诱变、理性设计与 ALE 因而是可循环组合的策略，可在候选生成、机制验证和适应优化之间往返。⁹

遗传稳定性、菌株库与保藏¶

生产性状随传代下降可能来自高产基因或质粒丢失、重复序列重排、调控突变、非整倍体变化、表观状态切换、群体中低负担变体被选择，也可能只是培养条件漂移、污染或检测误差。所谓“菌种衰退”是需要诊断的观察结果，不是一种单一遗传过程。若目标基因型仍存在于异质群体，单克隆分离与功能复测可以重新取得合格克隆；若关键序列已丢失，筛选不能把它凭空恢复，必须回到已验证的早代库存或重新构建。

主种子库保存经鉴定的参考批次，工作种子库由主库有限扩增，日常生产从工作库启动，以减少连续传代和选择漂移。冻存、超低温保存与冻干通过降低代谢和复制来减少变化，但适宜方法取决于细胞类型、孢子形成、膜组成、保护剂、降温与复苏条件；同一方法也不能保证固定年限内“生物学性状完全不变”。专业菌种库应尽可能用两种方法或分离地点保存备份，并记录来源、培养条件、保存与复苏批次。¹⁰

每次入库和关键复苏点都应按用途核验身份、纯度、存活率和目标功能，必要时比较基因型、拷贝数、表型分布及污染指标。保藏的终点是以可追溯的证据恢复指定材料及其关键性状；斜面、油封、砂土、甘油冻存、冻干和液氮的保存期限需结合菌株与质量标准评估。

参考资料与延伸阅读¶