微生物遺傳育種

微生物遺傳育種，所謂微生物遺傳育種，即菌種改良，是運用遺傳學原理和技術對某種具有特定生產目的的菌株進行改造，去除不良性質，增加有益新性狀，以提高產品的產量和質量的一種育種方法，使我們獲得所需要的高產、優質和低耗的菌種，其目的是改良菌種的特性，使其符合工業生產的要求。

基本介紹

• 中文名：微生物遺傳育種
• 基本內容：自然選育
• 學科分支：現代微生物遺傳學
• 研究對象：具有特定生產目的的菌株

發展簡史

當前菌種選育的基本內容是根據菌種自然變異而進行的自然選育，以及用人工方法引起菌種變異，再按照工業生產的要求進行篩選來獲得新的變種。微生物遺傳育種的主要方法有經典的自然選育和誘變育種技術，使菌種發生突變，存優去劣，這是普遍採用的方法，容易施行，易見成效；另一條途徑是研究目的物的基因結構及基因調控、表達的方式，進行基因重組、轉殖，使之高效表達。微生物菌種的選育，不僅可提高目的物的產量，使目的物產量上百上千倍的提高，大大降低生產成本，提高經濟效益，而且通過微生物菌種的選育，可簡化工藝，減少副產品，提高產品質量，改變有效成分組成，甚至獲得活性更高的新成分。在此處添加文本內容

基本內容

（一）自然選育

不經人工處理，利用微生物的自然突變進行菌種選育的過程稱為自然選育。這類突變沒有人工參與並非是沒有原因的，一般認為自然突變有兩種原因引起，即多因素低劑量效應和互變異構效應。所謂多因素低劑量效應，是指在自然環境中存在著低劑量的宇宙射線、各種短波輻射、低劑量的誘變物質和微生物自身代謝產生的誘變物質等作用引起的突變。互變異構效應是指四種鹼基第六位上的酮基或氨基的瞬間變構，會引起鹼基的錯配。自然突變可能會產生兩種截然不同的結果，一種是菌種退化而導致目標產量或質量下降；另一種是對生產有益的突變。為了保證生產水平的穩定和提高，應經常地進行生產菌種自然選育，以淘汰退化的，選出優良的菌種。

在工業生產上，由於各種條件因素的影響，自然突變是經常發生的，也造成了生產水平的波動，所以技術人員很注意從高生產水平的批次中，分離高生產能力的菌種再用於生產。同時也可利用自發突變而出現的菌種性狀的變化，去選育優良的菌株，如在味素發酵被噬菌體污染過程中，所選出的抗噬菌體菌株。自然選育是一種簡單易行的選育方法，可以達到純化菌種，防止菌種退化，穩定生產，提高產量的目的。但是自然選育的效率低，因此經常要與誘變育種交替使用，以提高育種效率。

（二） 誘變育種

微生物的誘變育種，是以人工誘變手段誘變微生物基因突變，改變遺傳物質的結構和功能，通過篩選，從多種多樣的變異體中篩選出產量高、性狀優良的突變株，並且找出發揮這個變株最佳培養基和培養條件，使其在最合適的環境下合成有效產物[2]。誘變育種和其他育種方法相比，具有速度快、收益大、方法簡單等優點，是當前菌種選育的一種主要方法，在生產中使用的十分普遍。但是誘變育種缺乏定向性，因此誘變突變必須與大規模的篩選工作相配合才能收到良好的效果。

人們用於誘變育種的誘變因素有物理因素和化學因素，前者包括紫外線、雷射、X-射線、γ-射線和中子等；後者主要是烷化劑(包括EMS，EI，NEU，NMU，DES，MNNG，NTG等)，天然鹼基類似物，亞硝酸和氯化鋰等。在物理誘變因素中，紫外線比較有效、適用、安全，其他幾種射線都是電離性質的，具有穿透力，使用時有一定的危險性，化學誘變劑的突變率通常要比電離輻射的高，並且十分經濟，但這些物質大多是致癌劑，使用時必須十分謹慎[1]。多種誘變劑的誘變效果、作用時間、方法都已基本確定，人們可以有目的、有選擇地使用各種誘變劑以達到預期的育種效果。誘變育種也可採用複合誘變，即兩種或多種誘變劑的先後使用；同種誘變劑的重複作用；兩種或多種誘變劑的同時使用。普遍認為複合誘變具有協同效應，如果兩種或兩種以上誘變劑合理搭配使用，複合誘變較單一誘變效果好。雖然複合因子較單一因子誘變效果有很大優勢，但因為大多微生物，尤其是抗生素產生菌的遺傳背景不清楚，往往對誘變劑，特別是複合誘變劑的選擇使用，帶有很大的盲目性。

通過誘變處理，在微生物群體中，會出現各種突變型個體，但從產量變異的角度來講，其中絕大多數都是負變株。要從中把極個別的、產量提高較顯著的正變株篩選出來，可能要比沙裡淘金還難。因此突變株的分離和篩選是誘變育種的關鍵，體現了突變不定向性和篩選定向性。為了獲得我們所需的突變株，使得突變株的新表型得以表達，淘汰原養型或負變株，必須設計一個良好的篩選培養基和確定合適的培養條件。篩選的步驟主要分初篩和復篩，初篩以量為主，選留較多有生產潛力的菌株，復篩以質為主，對少量潛力大的菌株的代謝產物量進行精確測定[5]。篩選的方法依據目的物不同而異，常用的方法有濃度梯度法、影印平板法、生長譜法、瓊脂平板活性圈法、紙片法、夾層培養法、循環篩選法以及與電腦化、智慧型化的高效篩選技術相結合的現代方法。

（三） 雜交育種

雜交是指在細胞水平上進行的一種遺傳重組方式。雜交育種是利用兩個或多個遺傳性狀差異較大的菌株，通過有性雜交、準性雜交、原生質體融合和遺傳轉化等方式，而導致其菌株間的基因的重組，把親代的優良性狀集中在後代中的一種育種技術。通過雜交育種可以實現不同的遺傳性狀的菌株間雜交，使遺傳物質進行交換和重新組合，改變親株的遺傳物質基礎，擴大變異範圍，獲得新的品種。同時不僅可克服因長期誘變造成的菌株活力下降，代謝緩慢等缺陷，也可以提高對誘變劑的敏感性，降低對誘變劑的“疲勞”效應、本小節將從有性雜交、準性雜交和原生

質體融合三種常見的育種技術來介紹雜交育種。

A 有性雜交

有性雜交是指不同遺傳型的兩性細胞間發生的接合和隨之進行的染色體重組，進而產生新遺傳型後代的一種育種技術。凡能產生有性孢子的真菌，原則上都能像高等動、植物雜交預育種相似的有性雜交方法來進行育種[5]。一般方法是把來自不同親本、不同性別的單倍體細胞通過離心等方式使之密集地接觸，就有更多的機會出現種種雙倍體的有性雜交後代。在這些雙倍體雜交子代中，通過篩選，就可以得到優良性狀的雜種。

B 準性雜交

準性雜交是在無性細胞中所有的非減數分裂導致DNA重組的過程，微生物雜交僅轉移部分基因，然後形成部分重組子，最終實現染色體交換和基因重組，在原核和真核生物中均有存在。準性雜交的方式主要有結合、轉化和轉導，其局限性在於等位基因的不親合性。

C 原生質體融合

原生質體融合就是把兩個不同親本菌株的細胞壁，分別經酶解作用去除，而得到球狀的原生質體，然後將兩種不同的原生質體置於高滲溶液中，由聚乙二醇（PEG）助融，促使兩者高度密集發生細胞融合，進而導致基因重組，就可由此再生細胞中獲得雜交重組菌株[7]。原生質體融合技術具有許多常規雜交方法無法比擬的獨到之處[8]:由於去除了細胞壁，原生質體膜易於融合，即使沒有接合、轉化和轉導等遺傳系統，也能發生基因組的融合重組；融合沒有極性，相互融合的是整個胞質與細胞核，使遺傳物質的傳遞更為完善；重組頻率高，易於得到雜種；存在著兩株以上親株同時參與融合併形成融合子的可能[9]；較易打破分類界限，實現種間或更遠緣的基因交流[10]；同基因工程方法相比，不必對試驗菌株進行詳細的遺傳學研究，也不需要高精尖的儀器設備和昂貴的材料費用等。由於以上優點，迄今，這項技術不僅在基礎研究方面，而且在實際套用上，均取得了引人注目的成績。隨著生物學研究手段的不斷創新，該技術的基本實驗方法逐步完善.經過多年的實際套用，證明微生物原生質體融合確是一項十分有用的育種技術[11]。通過原生質體融合改良工業微生物菌株的遺傳本質是培育高產、優質、抗逆性強的良種的一種行之有效的手段，可以與誘變育種等結合使用，同時還需要不斷積累有關基礎資料，克服育種盲目性，以期達到工業生產的新需求。

原生質體融合育種基本步驟為：標記菌株的篩選和穩定性驗證→原生質體製備→等量原生質體加聚乙二醇促進融合→塗布於再生培養基，再生出菌落→選擇性培養基上劃線生長，分離驗證，挑取融合子進一步試驗、保藏→生產性能篩選。

（四） 代謝控制育種

微生物代謝控制育種是指以生物化學和遺傳學為基礎，研究代謝產物的生物合成途徑和代謝調節的機制，選擇巧妙的技術路線，通過遺傳育種技術獲得解除或繞過了微生物正常代謝途徑的突變株，從而人為地使用有用產物選擇性地大量合成積累。代謝控制發酵的關鍵，取決於微生物代謝調控機制是否被解除，能否打破微生物正常的代謝調節，人為地控制微生物的代謝。代謝控制育種和發酵過程的代謝控制培養是實現這一目標的兩的手段，而代謝控制育種則為主要支柱技術。微生物代謝控制育種是集生物化學、微生物學、遺傳學、發酵工程、生理學、分子生物學、化學等學科交叉產生的一門工程技術，該技術的廣泛套用，導致了胺基酸、核苷酸以及某些次級代謝產物的高產微生物菌株大批的推向生產，大大促進了發酵工業的發展。

微生物代謝控制育種主要是通過控制酶的作用來實現的，因為任何代謝途徑都是一系列酶促反應構成的。微生物細胞的代謝調節主要有兩種類型，一類是酶活性調節，調節的是已有酶分子的活性，是在酶化學水平上發生的；另一類是酶合成的調節，調節的是酶分子的合成量，這是在遺傳學水平上發生的[。利用發酵過程的一些限制因素來促進或控制酶產生的速率及其活性，可以控制發酵過程中不同階段的反應處於平衡狀態，同時也可以使微生物對外界環境的變化作出相應的反應。在細胞內這兩種方式單獨或協調進行選育，獲得突變株，達到改變代謝通路、降低支路代謝終產物的產生或切斷支路代謝途徑及提高細胞膜的透性，使代謝流向目的產物積累方向進行。代謝控制育種的調節體系主要包括誘導、分解阻遏、分解抑制、反饋阻遏、反饋抑制、細胞膜透性調節等。

（五） 基因工程育種

基因工程育種是在基因水平上，運用人為方法將所需的某一供體生物的遺傳物質提取出來，在離體條件下用適當的工具酶進行切割後，與載體連線，然後導入另一細胞，使外源遺傳物質在其中進行正常複製和表達[13]，與前幾種育種技術相比，基因工程育種技術是人們在分子生物學指導下的一種自覺的、能像工程一樣可預先設計和控制的育種新技術，它可實現超遠緣雜交，因而是最新最有前途的一種育種新技術。這種使DNA分子進行重組，再將受體細胞內無性繁殖的技術又稱為分子克隆。通過基因工程改造後的菌株叫“工程菌”。這項技術不僅是生命研究發展的里程碑，也使現代生物技術產業發生了革命性的變化。

基因工程育種的一般步驟是：(1)目的基因的獲得，一般通過化學合成法、物理化學法(包括密度梯度離心法、單鏈酶法、分子雜交法)、鳥槍無性繁殖法、酶促合成法(逆轉錄法)、Norther雜交分析法、cDNA文庫篩選法、雜交篩選法、編碼序列富集(磁珠捕獲)、產物導向法、Nod 連線片段篩選法、外顯子捕獲法及外顯子擴增法、剪接位點篩選法、作圖克隆法、雜交細胞克隆法、消減雜交法、相同序列克隆法、差異顯示逆轉錄 PCR 法、顯微克隆與微克隆法和插入誘變法等方法獲得目的基因；⑵載體的選擇，基因工程載體主要是質粒和病毒。載體一般為環狀 DNA，其要求有自我複製能力、分子小、拷貝數多、易連線和易篩選等特點；⑶重組子體外構建，主要方法有粘性末端連線法、平端連線法、人工接頭連線法和同聚物加尾連線法；⑷重組載體導入受體細胞，其主要途徑有轉化、轉導、顯微注射、電穿孔法、快速冷凍法和炭化纖維介導法等⑸重組體篩選和鑑定，以合適的篩選方法選擇具有最佳性能的突變重組子，重組體篩選和鑑定主要通過表型法、DNA 鑑定篩選法，選擇性載體篩選法、分子雜交選擇法、免疫學方法和 mRNA 翻譯檢測法等方法來實現。

學科分支

現代微生物遺傳學

研究對象

具有特定生產目的的菌株

科研成果

遺傳工程微生物在生物防治中的套用 微生物在發酵茶飲料中的套用 微生物在污水處理中的套用

套用領域

微生物遺傳育種套用非常廣泛，在人類治療、食品、農業、環境保護、化學工業等各方面行業都有套用

學術著作

金志華，《工業微生物遺傳育種學原理與套用》，化學工業出版社

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