工业微生物PPT课件
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微生物遗传变异与育种
第五节 工业微生物育种
微生物育种的目的就是利用微生物遗传学的原理 和方法，人为地在DNA水平解除或突破微生物的代谢 调节控制，使某种代谢产物过量积累，把生物合成的代 谢途径朝人们所希望的方向加以引导，或者促使细胞内 发生基因的重新组合优化遗传性状，实现人为控制微生 物，获得我们所需要的高产、优质和低耗的菌种。
微生物育种的方法目前主要是利用诱变、杂交、原 生质体融合技术以及基因工程等方法改造或构建我们所 需要的菌株。
主要内容
工 业 微 生 物 的 诱 变 育 种
工 业 微 生 物 代 谢 调 节 控
工 业 微 生 物 杂 交 育
原 生 质 体 融 合 育 种
基 因 工 程
种
制
育
种
Hale Waihona Puke Baidu 1 工业微生物的诱变育种
代谢调节控制育种主要是通过特定突变型的 选育，达到改变代谢通路、降低支路代谢终产物 的产生或切断支路代谢途径及提高细胞膜的透性， 使代谢流向目的产物积累方向进行。如下表列出 微生物代谢控制育种措施。
微生物代谢调控育种设施
调节体系 诱导 反馈阻遏 反馈抑制
细胞膜渗透性
育种设施 组成型突变株 营养缺陷型突变株 渗漏缺陷型突变株 抗终产物结构类似物突变株
诱变剂的作用：
1）提高诱变的频率
2）扩大产量变异的幅度
3）使产量变异向正变（即提高产量的变异）或负变（即降低产量的变异）
凡在高诱变率的基础上既能扩大变异幅度，又能促使变异移向正变范围的剂 量，就是合适的剂量。
要确定一个合适的剂量，通常要进行多次试验。
在诱变育种工作中，目前比较倾向采用较低的剂量。
诱变育种中还常常采取诱变剂复合处理，使它们产生协同效应。诱变剂 的复合处理常呈现一定的协同效应，复合处理方式可以灵活多变，可以是两 种或多种诱变剂的先后使用，或是同一种诱变剂的重复使用，或是两种或多 种诱变剂的同时使用。
由于不同种类的微生物形态特性差别，获得的单细胞悬液的 方法也需具有针对性。
在实际工作中，要得到均匀分散的细胞悬液，通常可用无菌的玻 璃珠来打散成团的细胞，然后再用脱脂棉或滤纸过滤。
1.3 诱变处理
诱变处理主要采用物理诱变剂和化学诱变剂。目前常用的诱变 剂主要有紫外线、硫酸二乙酯、N-甲基-N，-硝基-N-亚硝基胍 （MNNG）和亚硝基甲基脲（NMU）等。后两种因有突出的诱变效 果，所以被誉为“超诱变剂”。
微生物杂交育种一般程序： 选择原始亲本
诱变筛选标记亲本 双亲本杂交 筛选重组体 重组体分析鉴定
标记亲和力 A A
[ A+B- ]
B 标记亲和力 B [ A-B+ ]
双亲本杂交 A B
微生物杂交程序
AB [ A+B+]
3.1 亲本菌株的选择
原始亲本是微生物杂交育种中具有不同遗传 背景的优质出发菌株，主要根据杂交的目的来选 择。从育种角度出发，通常选择具有优良性状如 产量高、代谢快、产孢子能力强、无色素、泡沫 少、粘性小等发酵性能好的菌株为原始亲本。它 们可以来自生产用菌或诱变过程中的某些符合要 求的菌株，也可以是自然分离的野生型菌株。原 始亲本还应该具有野生型遗传标记，如具有一定 的孢子颜色、可溶性色素或抗性标记等明显不同 的性状。
诱变育种的基本过程如下
选择合适的出发菌株 制备待处理的菌悬液
诱变处理 筛选
保藏和扩大试验
1.1 出发菌株的选择
出发菌株就是用于育种的原始菌株。合适的出发菌株具有特定 生产性状的能力或潜力。出发菌株选择目前主要依据如下实际经验：
1）以单倍体纯种为出发菌株，可排除异核体和异质体的影响。
2）采用具有优良性状的菌株，如生长速度快、营养要求低下以及 产孢子早而多的菌株。
各种诱变剂有不同的剂量表示方法，如紫外线的强度是尔格， 化学诱变剂的剂量则以在一定温度下诱变剂的浓度和处理时间来表 示。但是仅采用诱变剂理化指标控制诱变剂的用量常会造成偏差， 不利于重复操作。在育种实践中，常采用致死率来作各种诱变剂的 相对剂量。致死率表示诱变剂造成菌悬液中死亡菌体数占菌体总数 的比率。它是最好的诱变剂相对剂量的表示方法，因为它不仅反应 了诱变剂的物理强度或化学浓度，也反映了诱变剂的生物学效应。
诱变育种：是指利用物理或化学诱变剂处理均 匀分散的微生物细胞群，促进其突变频率大幅度提 高，然后设法采用简便、快速和高效的筛选方法， 从中挑选少数符合育种目的的突变株，以供生产实 践或科学实验之用。
当前发酵工业和其他微生物生产部门所使用的 高产菌株，几乎都是通过诱变育种而大大提高了生 产性能的。故诱变育种仍是目前使用最广泛的育种 手段之一。
2 工业微生物代谢调节控制育种
随着生物合成代谢途径、代谢调节控制的的 基础理论以及分子遗传学的研究深入，人们可以 通过突变或分子生物学方法，定向选育某种特定 的突变型，以达到大量积累有益产物的目的，即 所谓代谢控制育种。控制代谢的有效途径往往就 是改变微生物的遗传型，代谢控制育种可以大大 减少传统育种的盲目性，提高了效率。
3）选择对诱变剂敏感的菌株。由于有些菌株在发生某一变异后， 会提高对其他诱变因素的敏感性，故可考虑选择已发生其他变异的 菌株为出发菌株。
4）许多高产突变往往要经过逐步累积的过程，才变得明显，所以 有必要多挑选一些已经过诱变的菌株为出发菌株，进行多步育种， 确保高产菌株的获得。
1.2 制备单孢子（或单细胞）悬液
2）杂交获得的新遗传特性重组体，可克服因长期诱变造成的活 力下降、代谢缓慢等缺陷，提高对诱变剂的敏感性。
微生物杂交的本质是基因重组，但是不同类群微生物生物导致 基因重组的过程不完全相同。细菌和放线菌由于细胞核结构大致相 同，基因重组过程也相似，杂交过程是两个亲本菌株细胞间接合， 染色体部分转移，形成部分结合子，经交换、重组产生重组体；真 菌是通过有性生殖或准性生殖来完成的，真菌中半知菌纲是微生物 准性生殖中最典型的一类微生物。
生物素缺陷型突变株 油酸缺陷型突变株 甘油缺陷型突变株
3 工业微生物杂交育种
杂交（hybridization）育种包括常规杂交、控制杂交和原生质 体融合等方法。进行体内基因重组育种的其他方法包括接合、转化、 转导等。
杂交育种的优点：
1）不同遗传性状菌株的杂交，使两亲株的优良性状集中于重组 体内，获得新品种。
诱变育种要求所处理的细胞必须是处于对数生长期同步生长 的细胞，并且是均匀状态的单细胞悬液。
首先是细胞的生理状态对诱变处理也会产生很大的影响。如 细菌在对数期诱变处理效果较好。
其次是分散状态的细胞可以均匀地接触诱变剂，又可避免长 出不纯菌落。由于在许多微生物的细胞内同时含有几个核，所以 即使用单细胞悬浮液处理，还是容易出现不纯的菌落。
第五节 工业微生物育种
微生物育种的目的就是利用微生物遗传学的原理 和方法，人为地在DNA水平解除或突破微生物的代谢 调节控制，使某种代谢产物过量积累，把生物合成的代 谢途径朝人们所希望的方向加以引导，或者促使细胞内 发生基因的重新组合优化遗传性状，实现人为控制微生 物，获得我们所需要的高产、优质和低耗的菌种。
微生物育种的方法目前主要是利用诱变、杂交、原 生质体融合技术以及基因工程等方法改造或构建我们所 需要的菌株。
主要内容
工 业 微 生 物 的 诱 变 育 种
工 业 微 生 物 代 谢 调 节 控
工 业 微 生 物 杂 交 育
原 生 质 体 融 合 育 种
基 因 工 程
种
制
育
种
Hale Waihona Puke Baidu 1 工业微生物的诱变育种
代谢调节控制育种主要是通过特定突变型的 选育，达到改变代谢通路、降低支路代谢终产物 的产生或切断支路代谢途径及提高细胞膜的透性， 使代谢流向目的产物积累方向进行。如下表列出 微生物代谢控制育种措施。
微生物代谢调控育种设施
调节体系 诱导 反馈阻遏 反馈抑制
细胞膜渗透性
育种设施 组成型突变株 营养缺陷型突变株 渗漏缺陷型突变株 抗终产物结构类似物突变株
诱变剂的作用：
1）提高诱变的频率
2）扩大产量变异的幅度
3）使产量变异向正变（即提高产量的变异）或负变（即降低产量的变异）
凡在高诱变率的基础上既能扩大变异幅度，又能促使变异移向正变范围的剂 量，就是合适的剂量。
要确定一个合适的剂量，通常要进行多次试验。
在诱变育种工作中，目前比较倾向采用较低的剂量。
诱变育种中还常常采取诱变剂复合处理，使它们产生协同效应。诱变剂 的复合处理常呈现一定的协同效应，复合处理方式可以灵活多变，可以是两 种或多种诱变剂的先后使用，或是同一种诱变剂的重复使用，或是两种或多 种诱变剂的同时使用。
由于不同种类的微生物形态特性差别，获得的单细胞悬液的 方法也需具有针对性。
在实际工作中，要得到均匀分散的细胞悬液，通常可用无菌的玻 璃珠来打散成团的细胞，然后再用脱脂棉或滤纸过滤。
1.3 诱变处理
诱变处理主要采用物理诱变剂和化学诱变剂。目前常用的诱变 剂主要有紫外线、硫酸二乙酯、N-甲基-N，-硝基-N-亚硝基胍 （MNNG）和亚硝基甲基脲（NMU）等。后两种因有突出的诱变效 果，所以被誉为“超诱变剂”。
微生物杂交育种一般程序： 选择原始亲本
诱变筛选标记亲本 双亲本杂交 筛选重组体 重组体分析鉴定
标记亲和力 A A
[ A+B- ]
B 标记亲和力 B [ A-B+ ]
双亲本杂交 A B
微生物杂交程序
AB [ A+B+]
3.1 亲本菌株的选择
原始亲本是微生物杂交育种中具有不同遗传 背景的优质出发菌株，主要根据杂交的目的来选 择。从育种角度出发，通常选择具有优良性状如 产量高、代谢快、产孢子能力强、无色素、泡沫 少、粘性小等发酵性能好的菌株为原始亲本。它 们可以来自生产用菌或诱变过程中的某些符合要 求的菌株，也可以是自然分离的野生型菌株。原 始亲本还应该具有野生型遗传标记，如具有一定 的孢子颜色、可溶性色素或抗性标记等明显不同 的性状。
诱变育种的基本过程如下
选择合适的出发菌株 制备待处理的菌悬液
诱变处理 筛选
保藏和扩大试验
1.1 出发菌株的选择
出发菌株就是用于育种的原始菌株。合适的出发菌株具有特定 生产性状的能力或潜力。出发菌株选择目前主要依据如下实际经验：
1）以单倍体纯种为出发菌株，可排除异核体和异质体的影响。
2）采用具有优良性状的菌株，如生长速度快、营养要求低下以及 产孢子早而多的菌株。
各种诱变剂有不同的剂量表示方法，如紫外线的强度是尔格， 化学诱变剂的剂量则以在一定温度下诱变剂的浓度和处理时间来表 示。但是仅采用诱变剂理化指标控制诱变剂的用量常会造成偏差， 不利于重复操作。在育种实践中，常采用致死率来作各种诱变剂的 相对剂量。致死率表示诱变剂造成菌悬液中死亡菌体数占菌体总数 的比率。它是最好的诱变剂相对剂量的表示方法，因为它不仅反应 了诱变剂的物理强度或化学浓度，也反映了诱变剂的生物学效应。
诱变育种：是指利用物理或化学诱变剂处理均 匀分散的微生物细胞群，促进其突变频率大幅度提 高，然后设法采用简便、快速和高效的筛选方法， 从中挑选少数符合育种目的的突变株，以供生产实 践或科学实验之用。
当前发酵工业和其他微生物生产部门所使用的 高产菌株，几乎都是通过诱变育种而大大提高了生 产性能的。故诱变育种仍是目前使用最广泛的育种 手段之一。
2 工业微生物代谢调节控制育种
随着生物合成代谢途径、代谢调节控制的的 基础理论以及分子遗传学的研究深入，人们可以 通过突变或分子生物学方法，定向选育某种特定 的突变型，以达到大量积累有益产物的目的，即 所谓代谢控制育种。控制代谢的有效途径往往就 是改变微生物的遗传型，代谢控制育种可以大大 减少传统育种的盲目性，提高了效率。
3）选择对诱变剂敏感的菌株。由于有些菌株在发生某一变异后， 会提高对其他诱变因素的敏感性，故可考虑选择已发生其他变异的 菌株为出发菌株。
4）许多高产突变往往要经过逐步累积的过程，才变得明显，所以 有必要多挑选一些已经过诱变的菌株为出发菌株，进行多步育种， 确保高产菌株的获得。
1.2 制备单孢子（或单细胞）悬液
2）杂交获得的新遗传特性重组体，可克服因长期诱变造成的活 力下降、代谢缓慢等缺陷，提高对诱变剂的敏感性。
微生物杂交的本质是基因重组，但是不同类群微生物生物导致 基因重组的过程不完全相同。细菌和放线菌由于细胞核结构大致相 同，基因重组过程也相似，杂交过程是两个亲本菌株细胞间接合， 染色体部分转移，形成部分结合子，经交换、重组产生重组体；真 菌是通过有性生殖或准性生殖来完成的，真菌中半知菌纲是微生物 准性生殖中最典型的一类微生物。
生物素缺陷型突变株 油酸缺陷型突变株 甘油缺陷型突变株
3 工业微生物杂交育种
杂交（hybridization）育种包括常规杂交、控制杂交和原生质 体融合等方法。进行体内基因重组育种的其他方法包括接合、转化、 转导等。
杂交育种的优点：
1）不同遗传性状菌株的杂交，使两亲株的优良性状集中于重组 体内，获得新品种。
诱变育种要求所处理的细胞必须是处于对数生长期同步生长 的细胞，并且是均匀状态的单细胞悬液。
首先是细胞的生理状态对诱变处理也会产生很大的影响。如 细菌在对数期诱变处理效果较好。
其次是分散状态的细胞可以均匀地接触诱变剂，又可避免长 出不纯菌落。由于在许多微生物的细胞内同时含有几个核，所以 即使用单细胞悬浮液处理，还是容易出现不纯的菌落。