微生物领域中的物理诱变

南开大学

物理诱变方法及其在微生物诱变育种中的

应用

物理科学学院1110293尚彤彤

2012/12/8

摘要：综述了紫外线、空间诱变、离子注入、激光四种物理诱变方法的原理与应用

物理诱变方法及其在微生物诱变育种中的应用

物理科学学院1110293 尚彤彤

目前，随着人口的增多和资源的匮乏，开发新能源或者提高资源利用率和回收率等成为人们研究的重点。微生物在解决人类的粮食、能源、健康、资源和环境保护等问题中发挥着越来越重要且不可替代的独特作用，也为人类带来了巨大的社会效益和经济效益。但微生物菌种的自然突变率很低，单纯依赖自然突变选育好的菌株远不能满足人们的需求，为了获得高产、低耗、优质的菌种，人们常常通过外界物理、化学、生物因子等因素的改变诱发基因突变。常用的诱变方法包括物理诱变和化学诱变。

传统的物理诱变是利用各种射线（包括紫外线、X射线、γ射线、快中子、微波、超声波、电磁波和宇宙射线等）为诱变源，对生物靶进行诱变。近年来，又兴起一些新型高效的诱变方法，如空间诱变、离子注入诱变、激光诱变等，他们操作简单、安全，而且具有突变谱宽和在一定程度上能克服菌种对传统诱源的抗性饱和等优点。

下面介绍一些物理诱变原理及其应用。

1、紫外线诱变

原理：

DNA和RNA的嘌呤和嘧啶有很强的紫外光吸收能力，最大的吸收峰在260nm。紫外线可使DNA分子形成嘧啶二聚体，阻碍碱基正常配对，引起突变或死亡。

嘧啶二聚体的形成还会妨碍DNA双链的解开，影响其复制和转录。

应用：

在食品方面，它是最常用的技术，因为它操作简单且效果明显。比如以谷氨酸棒杆菌FC22为出发菌株，经过紫外线诱变（15W紫外灯，照射距离30cm，

时间为20s），定向选育出具有磺胺胍抗性的突变株，其L-色氨酸产量比原菌株

产量提高了110%；对产曲酸的米曲霉菌株、抗噬菌体保加利亚杆菌、浓香型枸

杞久酿造酵母等进行紫外线诱变选育均取得了较理想的成果。同时很多研究者将紫外诱变结合其他诱变方式配合使用，更是产生了突出的效果。比如将紫外线与

硫酸二乙酯结合使进行复合诱变，筛选到了巨大芽孢杆菌突变株8B，其α－淀

粉酶和蛋白酶活性性较出发菌株分别提高96.4%和126.58%，突变株经5次传代后，性能保持稳定。邹建忠交叉采用紫外线照射和光复法对酒精酵母进行诱变，

获得1株耐高温型酒精酵母

UT，在40℃下，其产酒率比出发菌提高了11.1%，

1

且对温度、酸度和盐度变化的耐受力也更好。

环境工程方面，随着工农业的发展，化肥和化工品的大量使用，有机废物的排放量不断增大，难降解的有毒有机物的排放量不断增多，高耐毒性、高降解活性以及特异或光谱降解污染物的特殊细菌用于处理特殊污水，并且起到很好的效果。近年来有一种新的理论认为活性污泥是一个微生物的生态群体，这些微生物存在着紫外线敏感性差异，适当的紫外线辐射会改变活性污泥的微生物组成结构。紫外线增强活性污泥的生化降解能力，实际上是利用紫外线抑制活性污泥中的非目标菌群的生长，消除目标菌群在污水中的营养物质竞争对手，优化目标菌群的生长环境，最终达到所需要的增强效果。

2、空间诱变育种

原理：

空间诱变育种是指利用返回式卫星、飞船或高空气球将生物材料搭载到太空, 利用太空特殊的环境对生物材料进行诱变, 再返回地面选育新种质、培育新品种的生物育种新技术。高空条件下的微重力水平、真空度、质子与电子辐射强度均较高, 其大气结构、气温、空气密度、压力、地磁强度、辐射流均与地面有很大差异, 另外, 还有强烈的紫外线照射等。这些空间条件都有可能引起微生物发生遗传性变异。一般认为太空辐射和微重力是空间育种的主要诱变因素。空间突变的最大特点是突变频率高、突变谱广、变异幅度大、变异性状稳定快, 可获得传统诱变难以得到的有益突变, 从而明显改良微生物某些特性。

应用：

对经历了太空飞行的利用木糖产L - 乳酸的野生菌株进行筛选后, 得到1株正向突变菌株Lt- s, 其L - 乳酸产量较出发菌株提高约12. 0%；对经航天诱变的啤酒酵母菌进行复壮和筛选, 得到了1株发酵力、生长速度都好于出发菌株的突变体；对从SF8卫星搭载的4个酿酒酵母样品中筛选到的酵母突变株进行研究, 发现与原始菌株相比, 突变株2. 0016 - M 各项指标增加均达极显著水平(P < 0.

01), 其中生物量增加46. 7%, 细胞壁占酵母干重比率增加3. 8%, 细胞壁厚度增加62. 6%, β- 葡聚糖含量增加146. 8%, 甘露聚糖含量增加18. 8%, 而突变株FL03- M 的生物量变化不显著, 其他各项指标都显著降低[21]。可见空间诱变是提高酵母菌株细胞壁多糖含量的一种有效手段, 但不同酵母菌株对空间环境的

敏感性不同。随着空间诱变机理研究的深入, 相信这一技术将会更好地为食品工业微生物育种服务。

3、离子注入诱变

原理：

离子注入是一种新型诱变方法，自国外六十年代中后期相继把离子注入技术应用于生物学领域的研究。由于目前研究水平和研究手段的限制，低能离子生物学的研究主要侧重于对离子注入诱变机理的探索和对生物效应的研究两方面。离子束特别是低能离子束对微生物有着很好的诱变作用, 低能离子注入生物体组织或细胞, 从而使染色体产生变异的效应包括以下四个过程: 能量沉积、动量传递、质量沉积和电荷交换。低能离子束具有很强的致突变作用, 并具有射程的可控性、集束性和方向性,能够显著提高生物的变异率, 获得损伤轻、突变率高、突变谱广的诱变结果。离子注入与传统的X射线、C射线等其它辐射源相比, 具有很多优势: 传能线密度大, 生物生化作用强, 主要效应是局部可控可选择, 辐照的离子参数多种多样, 离子束作用的损伤通常不易修复, 突变体稳定快, 突变率较高。目前, 离子注入技术已广泛应用于水稻、小麦、玉米、棉花、蔬菜、瓜果、花卉等作物并已初见成效, 获得了常规辐照处理难以产生的罕见变异, 且变异幅度大, 频率高, 良性变异多, 后代稳定快。

应用：

利用离子注入进行食品微生物菌种改良已在生产实践中得到广泛的应用。高艳红等对高耐铬性啤酒酵母菌株进行N+ 注入诱变, 当注入剂量达到一定值时, 得到1株高产GTF的啤酒酵母菌株M 11- 1A11, 其富铬能力较诱变前提高了22. 4%, 且遗传性能稳定。沈加成等将N+ 注入棘孢曲霉L22, 筛选得到1株突变株NIP35, 其β- 葡萄糖苷酶活性提高1倍, 产酶水平最终提高了近2倍 ; 李文等为了获得可用于原位分离藕联发酵的耐乳酸菌株, 以米根霉为出发菌株, 在投