代谢控制发酵-第五章 代谢控制发酵育种的基本技术

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Ø 菌龄、再生时的温度、溶菌酶用量和溶壁时间等因素 都会影响原生质体的再生
二、原生质体融合
融合子筛选
Ø 利用营养缺陷型作为遗传标记选择融合子 ü融合的双亲株带有不同缺陷型标记, 融合后采用基本
培养基可以很容易检出融合子 Ø 利用抗药性作为遗传标记选择融合子 ü 融合的双亲株对带有不同抗药性标记,利用这种差异
即可对融合子进行选择 Ø 应用灭活原生质体作为遗传标记选择融合子 ü 在原生质体融合前,对单亲或双亲原生质体进行灭活
标记,使其丧失再生的能力,与另一亲株融合后,融
合子损伤互补存活
二、原生质体融合
Ø 原生质体融合的优点: ü 由于原生质体融合选用了已知性状的供体菌作为亲本,
因此,不论在方向性还是自觉性方面,均比诱变育种 前进了一大步 ü 利用原生质体融合往往还可以消除某一菌株在经过长 期诱变处理后所出现的产量上升缓慢的现象,因此, 它是一种重要的育种手段
ü 通常意义上的基因敲除主要是应用DNA同源重组原理, 用设计的同源片段替代靶基因片段,从而达到基因敲 除的目的
三、基因工程育种
基因突变
Ø 基因突变是指由于DNA碱基对的置换、增添或缺失而 引起的基因结构的变化,亦称点突变
ü 碱基置换突变:由一个错误的碱基对替代一个正确的 碱基对的突变叫碱基置换突变。例如在DNA分子中的 GC碱基对由CG或AT或TA所代替,AT碱基对由TA或GC或 CG所代替
突变株筛选
Ø初筛(以量为主)、简便、快速 ü利用形态变异:需预先测定形态与产量的相
关性 ü根据平板颜色反应直接挑选
透明圈法(蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶) 抑菌圈法(抗生素) 变色圈法(柠檬酸)、显色圈(氨基酸) 沉淀圈法(外毒素) Ø复筛(以质为主,定量测定) Ø遗传稳定性
一、诱变育种
营养缺陷型筛选
遗传标记制作 Ø筛选的方法 ü高于临界浓度的平板进行分离 ü梯度平板法
一、诱变育种
梯度平板法
抗性突变株筛选
加入不含抗性药物的底层
加入含抗性药物的上层
抗性 菌落
敏感 菌落
一、诱变育种
复筛
Ø复筛:对突变株的生产性能做比较精细的测定 Ø复筛是诱变育种的重要一环,需要对突变株发
酵培养基的组成(包括碳源、氮源、无机盐、 生长因子等)、种子培养、接种量、培养温度、 培养时间、pH值、供氧等参数进行精确地测定, 找出最佳发酵条件,以便放大
Ø最适剂量:在提高突变率的基础上,既能扩 大变异幅度,又能使变异向正突变范围移动
的剂量 Ø突变率随剂量的增加而提高,但到达一定程
度后,再提高剂量,反而会使突变率下降 Ø正变较多出现在偏低剂量中,而负变较多出
现在偏高剂量中 Ø在产量变异工作中,常采用相对杀菌率为70-
75%
一、诱变育种
诱变处理方法
Ø单因素处理或多因素的复合处理 ü同一诱变剂的重复使用 ü两种或多种诱变剂的先后使用 ü两种或多种诱变剂的同时使用
原生质体融合
聚乙二醇(PEG)-脱水剂 助融剂
Ca2+-提高融合频率
二、原生质体融合
原生质体再生
Ø 原生质体再生:原生质体重新长出细胞壁,恢复完整 的细胞形态结构
Ø 不同微生物的原生质体的最适再生条件不同,甚至一 些非常接近的种,最适再生条件也往往有所差别,如 再生培养基成分及培养温度等。但最重要的一个共同 点是都需要高渗透压
融合子进一步试验、保藏 Ø生产性能筛选
二、原生质体融合
育种步骤
二、原生质体融合
亲本选择
Ø获得标记菌种的方法是采用常规诱变育种, 筛选出营养缺陷型或/和抗药性菌株,最重 要的是遗传标记必须稳定
Ø采用抗药性菌株除可作标记外,在实验室中 还可排除杂菌污染的干扰。为了确证融合的 成功,可以采用多标记菌种
二、原生质体融合
原生质体制备
Ø原生质体的制备主要是在高渗压溶液中加入 细胞壁分解酶,将细胞壁分离剥离,结果剩 下由原生质膜包住的类似球状的细胞,它保 持原细胞的一切活性
Ø在放线菌和细菌中,制备原生质体主要采用 溶菌酶;酵母和霉菌一般可用蜗牛酶或纤维 素酶等
二、原生质体融合
原生质体制备
Ø 菌体的前处理:如细菌加入亚抑制剂量的青霉素。 Ø 菌体的培养时间:一般选择增殖期的菌体 Ø 酶浓度:对于不同种属的微生物,不仅对酶的种类要
二、原生质体融合
Ø原生质体融合:通过人为方法,使遗传性状不 同的两个细胞的原生质体融合,继而遗传重组, 借以获得兼有双亲性状,遗传性稳定的融合子 的过程,是基因重组育种的一种重要方法
甲 生长快、产量低
乙 生长慢、产量高
多基因重组
生长快、产量高
二、原生质体融合
育种步骤
Ø标记菌株的筛选和稳定性验证 Ø原生质体制备 Ø等量原生质体加聚乙二醇促进融合 Ø涂布于再生培养基,再生出菌落 Ø选择性培养基上划线生长,分离验证,挑取
基本原则
Ø选择简便有效的诱变剂 Ø挑选优良的出发菌株 Ø处理单细胞或单孢子悬液 Ø选用最适的诱变剂量 Ø充分利用复合处理的协同效应 Ø利用和创造形态、生理与产量间的相关指标 Ø设计高效筛选方案 Ø创造新型筛选方法
一、诱变育种
出发菌株
Ø出发菌株的来源 ü野生型菌株 ü从生产中选育的自发突变菌株 ü诱变获得的高产菌株 Ø出发菌株的选择标准 ü具有有利性状(如高产、生长速度快、营养
代谢控制发酵
Metabolic Control Fermentation
第五章 代谢控制发酵育种的基本技术
1
诱变育种
2
原生质体融合
3
基因工程育种
一、诱变育种
Ø诱变育种指利用物理或化学诱变剂处理微生 物群体细胞,促进其突变率显著提高,然后 设法从中选取少数符合育种目的的突变株
Ø物理诱变剂:Y射线、X射线、β射线和中子 流
求不同,就是对酶的浓度也有差异。另外,最佳酶浓
度还随不同的生长期的菌体而变化 Ø 酶处理温度:20-40℃ Ø pH值 Ø 渗透压稳定剂:等渗透压在原生质体制备中,不仅起
到保护原生质体免于膨裂,而且还有助于酶和底物的
结合,渗透压稳定剂多采用甘露醇,山梨醇,蔗糖等
有机物和KCl和NaCl等无机物
二、原生质体融合
Ø 基因工程育种:运用基因工程技术进行定向育种的新 技术
三、基因工程育种
基因导入(工程菌)
Ø 目的基因的获得 Ø 载体的选择与制备 Ø 目的基因与载体连接成重组重组体 Ø 转化或转染受体细胞 Ø 重组菌的筛选及目的基因的表达
三、基因工程育种
基因敲除
Ø 基因敲除是自80年代末以来发展起来的一种新型分子 生物学技术,是通过一定的途径使机体特定的基因失 活或缺失的技术
一、诱变育种
夹层培养法
营养缺陷型筛选
影印接种法
一、诱变育种
营养缺陷型鉴定
Ø生长谱法:该微生物若需要此种营养物,便在 这种营养物扩散处生长繁殖,微生物繁殖之处便 出现圆形落圈,即生长图形
a
b
c
一、诱变育种
抗性突变株筛选
Ø抗终代谢物结构类似物的突变株 ü用途:筛选相应代谢物的高产菌株 Ø抗药性突变株 ü用途:筛选相应药物(抗生素) 的高产菌株或
化现象)
一、诱变育种
诱变剂
wk.baidu.com
Ø高效,简便 Ø物理诱变剂:频度低、大损伤,难修复,且
操作简便 Ø化学诱变剂:频度高,点突变,易回复突变,
操作麻烦
常压室温等离子体
(Atmospheric and Room Temperature Plasma, ARTP )诱变系 统
一、诱变育种
诱变剂量
Ø常以杀菌率来表示相对剂量(剂量-存活率曲 线)
Ø DHA:二十二碳六烯酸 Ø 生产菌株:裂殖壶菌,以葡萄糖为碳源 Ø 黑曲霉,能够利用淀粉 Ø 经原生质体融合,获得融合菌株M-3
融合子M-3 利用淀粉的特性
融合子M-3 油脂气相色谱图 M-3 培养1 代和5 代干重和油脂含量的比较
二、原生质体融合
基因组重排
Ø基因组重排(Genome shuffling):也称基因组改组, 是微生物育种的新技术。基因组重排只需在进行首轮 改组之前,通过经典诱变技术获得初始突变株,然后 将包含若干正突变的突变株作为第一轮原生质体融合 的出发菌株,此后经过递推式的多轮融合,最终使引 起正性突变的不同基因重组到同一个细胞株中
二、原生质体融合
基因组重排
三、基因工程育种
Ø 基因工程:用人为的方法将所需的某一供体生物的遗 传分子提取出来,在离体条件下进行切割,获得代表 某一性状的目的基因,把该目的基因与作为载体的分 子连接起来,然后导入某一受体细胞中,让外来的目 的基因在受体细胞中进行正常的复制和表达,从而获 得目的产物或性状
ü 移码突变:基因中插入或者缺失一个或几个碱基对, 会使DNA的阅读框架(读码框)发生改变,导致插入 或缺失部位之后的所有密码子都跟着发生变化,结果 产生一种异常的多肽链
谢 谢!
Ø化学诱变剂:烷化剂,碱基类似物,抗生素 等化学药物
一、诱变育种
诱变育种步骤
Ø诱变(随机) ü选用合适的诱变剂和诱变剂量处理大量均匀、
分散的微生物细胞,以引起绝大多数细胞致 死的同时,使存活个体中的突变频率大大提 高 Ø筛选(定向) ü设计有效的筛选方法,将少量正变株中的优 良菌株挑选出来
一、诱变育种
一、诱变育种
遗传稳定性
Ø遗传稳定性测定:在无选择压力的完全固定培 养基及液体培养基中连续不断传代,淘汰不稳 定的突变株,保存能稳定遗传的目的突变株
高通量筛选
二、原生质体融合
原生质体
Ø原生质体:植物或微生物细胞去掉壁以后的 内含物
ü 无细胞壁,为圆球形 ü 对环境敏感:渗透压,震荡,离心,易溶菌 ü 有鞭毛,而不能运动 ü 不被噬菌体感染(因为失去吸附位点)
要求粗放、标记明显等) ü对诱变剂敏感
一、诱变育种
菌悬液的制备
Ø同步培养:细胞处于同一生长阶段 Ø菌龄:对诱变剂最敏感时期 ü细菌、酵母菌取对数生长期细胞 ü真菌、放线菌取刚成熟的孢子或经培养脱离
静止期的孢子 Ø选用单细胞悬液(均匀、分散) ü使每个细胞能均匀接触诱变剂 ü减少表型延迟现象(诱变后性状的分离及退
一、诱变育种
中间培养
Ø中间培养:将一定量的诱变后菌液接入完全 液体培养基中培养过夜
Ø目的:克服表型延迟 Ø表型延迟:表型的改变落后于基因型改变的
现象 ü分离性延迟:突变的基因经DNA复制和细胞分
裂后变成纯合状态,表型才能表现出来。 ü生理性延迟:由杂合状态变为纯合状态,突
变表型仍不能表现出来
一、诱变育种
Ø基本培养基(MM, minimal medium):某野 生型能生长的最低成分的组合培养基
Ø完全培养基(CM, complete medium):各种 营养缺陷型能生长的天然或半组合培养基
Ø补充培养基(SM, supplemental medium): 相应营养缺陷型能生长的组合或半组合培养 基
一、诱变育种
营养缺陷型筛选
Ø 诱变剂处理 Ø 中间培养:CM或SM培养基,培养过夜,克服表型延迟 Ø 淘汰野生型:在诱变后的存活个体中,营养缺陷型的比例一般较低。
通过以下的抗生素法或菌丝过滤法就可淘汰为数众多的野生型菌株即 浓缩了营养缺陷型 ü 抗生素法:有青霉素法和制霉菌素法等数种。青霉素法适用于细菌, 青霉素能抑制细菌细胞壁的生物合成,杀死正在繁殖的野生型细菌, 但无法杀死正处于休止状态的营养缺陷型细菌 ü 菌丝过滤法:适用于进行丝状生长的真菌和放线菌。其原理是:在基 本培养基中,野生型菌株的孢子能萌发成菌丝,而营养缺陷型的孢子 则不能。通过过滤就可除去大部分野生型,保留下营养缺陷型 Ø 检出缺陷型:夹层培养法、限量补充培养法、逐个检出法和影印接种 法
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