菌种诱变方法

介绍了几种常用的物理诱变和化学诱变育种方法的原理、特点以及成功案例等,为微生物诱变育种提供了一个总体的方法框架。

诱变; 微生物育种

微生物与酿造工业、食品工业、生物制品工业等的关系非常密切，其菌株的优良与否直接关系到多种工业产品的好坏，甚至影响人们的日常生活质量，所以选育优质、高产的微生物菌株十分重要。微生物育种的目的就是要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，人为地使某些代谢产物过量积累，获得所需要的高产、优质和低耗的菌种。作为育种途径之一的诱变育种一直被广泛应用。目前，国内微生物育种界主要采用的仍是常规的物理及化学因子等诱变方法。

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1.1

紫外线照射是常用的物理诱变方法之一，是诱发微生物突变的一种非常有用的工具。DNA和RNA的嘌呤和嘧啶最大的吸收峰260nm，因此在260nm的紫外辐射是最有效的致死剂。紫外辐射的作用已有多种解释，但比较确定的作用是使DNA分子形成嘧啶二聚体[1]。二聚体的形成会阻碍碱基间正常配对，所以可能导致突变甚至死亡[2]。

马晓燕[3]等以紫外诱变原生质选育法筛选发酵乳清高产酒精菌株马克斯克鲁维酵母菌株ZR-20，比优化前的酒精产率提高10.5%，较出发菌株提高了68%。顾蕾[4]等通过紫外诱变红酵母ns-1原生质体，获得类胡萝卜素产量明显提高的突变株，其生物量、色素产量分别为6.15g/L、6.41mg/L，分别比原始菌株提高了67.6%、54.1%。

紫外照射诱变操作简单，经济实惠，一般实验室条件都可以达到，且出现正突变的几率较高，酵母菌株的诱变大多采用这种方法。

1.2

γ-射线是电离生物学上应用最广泛的电离射线之一，具有很高的能量，能产生电离作用，可直接或间接地改变DNA结构。其直接效应是可以氧化脱氧核糖的碱基，或者脱氧核糖的化学键和糖-磷酸相连接的化学键。其间接效应是能使

水或有机分子产生自由基，这些自由基可以与细胞中的溶质分子发生化学变化，导致DNA分缺失和损伤[2]。

张伟[5]等将较高产酒精酵母制备成原生质体，经Co60诱变后，采用四级筛选，得到高产酒精酵母菌株Co-158，其遗传性状稳定，其成熟醪酒精体积分数比出发菌株提高了16.34%，比ADY提高了24.48%，残还原糖含量亦远远低于出发菌株和ADY。

除γ-射线外的电离辐射还有X-射线、β-射线和快中子等。电离辐射有一定的局限性，操作要求较高，且有一定的危险性，通常用于不能使用其他诱变剂的诱变育种过程。

1.3

离子注入是20世纪80年代初兴起的一项高新技术，主要用于金属材料表面的改性。1986年以来逐渐用于农作物育种，近年来在微生物育种中逐渐引入该技术[6]。

离子注入时，生物分子吸收能量，并且引起复杂的物理和化学上的变化，这些变化的中间体是各类活性自由基。这些自由基，可以引起其它正常生物分子的损伤，可使细胞中的染色体突变，DNA 链断裂，也可使质粒DNA造成断裂[7,8,9]。由于离子注入射程具有可控性，随着微束技术和精确定位技术的发展，定位诱变将成为可能[7]。

向砥[10]等用10keVN+诱变产壮观霉素菌株Streptomycesspectabilisb，使产量提高102.3%。于广成等用10keVN+诱变产灰黄霉素菌株Penicellliunpatulum，使产量提高26.8%[11]。除此之外，糖化酶生产菌、不饱和脂肪酸生产菌、维生素生产菌的离子束诱变效果也得到充分肯定。这些表明，离子辐照处理是一种极有潜力的微生物药物的诱变育种新方法[12]。离子注入法进行微生物诱变育种，一般实验室条件难以达到，目前应用相对较少。

1.4

激光是一种光量子流，又称光微粒。激光辐射可以通过产生光、热、压力和电磁场效应的综合应用，直接或间接地影响有机体，引起细胞染色体畸变效应、酶的激活或钝化，以及细胞分裂和细胞代谢活动的改变。光量子对细胞内含物中的任何物质一旦发生作用，都可能导致生物有机体在细胞学和遗传学特性上发

生变异。不同种类的激光辐射生物有机体，所表现出的细胞学和遗传学变化也不

同[13]。

胡卫红等[13]采用CO2激光辐照酿酒酵母(Saccharomycescereisiae)AS2.1189，筛选到乙醇产量有较大提高的变异株。鲍淑兰[14]以啤酒酵母(Saccharomycescer- evesea)为材料，用He- Ne 激光进行照射，发现随着照射时间的延长，致死率和突变率均明显增加，同时在选择培养基上筛选出多种氨基酸突变型。

激光作为一种育种方法，具有操作简单、使用安全等优点，近年来应用于微

生物育种中取得不少进展。

1.5

微波辐射属于一种低能电磁辐射，具有较强生物效应的频率范围在

300MHz~300GHz，对生物体具有热效应和非热效应。其热效应是指它能引起生物体局部温度上升。从而引起生理生化反应;非热效应指在微波作用下，生物体会产生非温度关联的各种生理生化反应。在这两种效应的综合作用下，生物体会产生一系列突变效应[15,16]。因而，微波也被用于多个领域的诱变育种，如农作物育种、禽兽育种和工业微生物育种，并取得了一定成果。这方面的工作贾红华等[17]和雷肇祖等[18]有所报道。

1.6

航天育种，也称空间诱变育种，是利用高空气球、返回式卫星、飞船等航天

器将作物种子、组织、器官或生命个体搭载到宇宙空间，利用宇宙空间特殊的

环境使生物基因产生变异，再返回地面进行选育，培育新品种、新材料的作物育

种新技术。空间环境因素主要有微重力，空间辐射，以及其它诱变因素如交变磁

场，超真空环境等，这些因素交互作用导致生物系统遗传物的损伤，使生物发生

诸如突变、染色体畸变、细胞失活、发育异常等。

我国在这方面取得不少进展，自1987年以来先后9次利用返回式卫星，4次利

用高空气球搭载了70多种植物，500多个品种的40多公斤种子，涉及到粮食、棉

花、油料、蔬菜、瓜果、花卉等作物，经国内20多个省、市、区的50多个研究单

位育种工作者的地面种植试验，育成了高产、稳产、优质、多抗的青椒、番茄、

水稻、小麦、莲子等作物新品种、新品系，从中还获得了一些有可能对产量和品

质等经济性状有突破影响的罕见突变[19]。