微生物遗传育种的研究进展

微生物遗传育种的研究进展

摘要:微生物育种是运用遗传学原理和技术对某种具有特定生产目的的菌株进行改造去除不良性状，增加有益新性状，以提高产品的产量和质量的一种育种方法。本文对微生物遗传育种技术，包括自然育种、诱变育种、代谢控制育种、基因工程育种等进行了介绍，并对育种技术的发展做了展望。

关键词：微生物；自然育种；诱变育种；代谢控制育种；基因工程育种微生物育种的目的就是要人为地使某些代谢产物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，获得所需要的高产优质和低能的菌种。为达到这一目的必须改变微生物的遗传性能[1]。现代生物技术特别是发酵工程技术的最终产品，一般都是经过工业微生物这一“工厂”生产得到的，已经取得了举世瞩目的经济效益和社会效益。据统计，1979 年世界工业酶产量为53000 吨，1985 年酶制剂的总产量为10万吨，作为商品出售的酶制剂有200余种，到1990 年总产值约为10 亿美。就生物技术而言，1991年美国、德国、法国和英国的总销售额依次为400，200，150，6.4 亿美元。对工业微生物菌种的优化选育是提高产量和质量的一条有效途径。以突变和筛选为中心的传统育种技术在工业微生物发展到现在规模的过程中始终起着重要作用。70 年代以来，重组DNA技术和原生质体融合技术开始用于菌种选育。各种外源基因在原核生物、真核细胞的克隆和表达研究取得了重大成果，使工业微生物育种技术进入了真正意义的分子水平育种时代[2]。

1 菌种选育的具体目标

(1) 提高产量。生产效率和生产效益总是排在一切商业发酵过程首位的目标。

( 2) 提高产物的纯度。减少副产物; 提高有效组分;减少色素等杂质。

( 3) 改变菌种性状。改善发酵过程, 包括: 改变和扩大菌种所利用的原料结构; 改善菌种生长速度; 提高斜面孢子化程度; 改善菌丝体形状, 采用菌球菌丝

体发酵;少用消泡剂或使菌种耐合成消泡剂; 改善对氧的摄取条件, 降低需氧量及能耗; 耐不良环境: 抗噬菌体的侵染,耐高温、耐酸碱、耐自身所积累的代谢产物; 改善细胞透性, 提高产物的分泌能力等。

( 4) 菌种的遗传性状。特别是生产性状稳定。

( 5) 改变生物合成途径。以获得新产品。

2 获取优良菌种的有效途径

广义上说, 菌种改良可描述为采用任何科学技术手段( 物理、化学、生物学、工程学方法以及它们的各种组合)处理微生物菌种, 从中分离得到能显示所要求表型的变异菌种。菌种改良的基本途径: 突变和选择; 基因重组( 遗传重组) 和基因工程( 遗传工程) 。

2.1 自然选育

不经人工处理,利用微生物在一定条件下可产生自发突变的原理, 通过分离筛选排除衰退菌落, 从中选择维持原有生产水平的菌株的方法, 称为自然随机选育。自然突变由 2 种原因引起: 多因素低剂量效应和互变异构效应。自然突变可能会产生 2 种不同的结果, 一种是菌种退化而导致目标产量或质量下降另一种是对生产有益的突变。利用自发突变可以分离高生产能力的菌种再用于生产,同时也可以利用自发突变而出现的菌种性状的变化，去选育优良的菌株。随着富集筛选技术的不断完善和改进，自然育种技术的效率有所提高，如含有突变基因naE、mutD、mutT、mutM、mutH、mutI 等的大肠杆菌突变率相对较高。酒精发酵是最早把微生物遗传学原理应用于微生物育种实践而提高发酵产物水平的一个成功实例[3]。自然选育是一种简单易行的选育方法，可以达到纯化菌种，防止菌种退化，提高产量的目的，但发生自然突变的几率特别低，一般为10-6~10-10/BP。这样低的突变率导致自然选育耗时长，工作量大，影响了育种工作效率，在这种情况下，出现了诱变育种技术，因此, 在生产实践中,自然选育的主要目的是用来纯化、复壮和稳定菌种[3]。

2.2 诱变育种

凡能诱发生物基因突变, 并且突变频率远远超过自发突变率的物理因子或

化学物质, 称为诱变剂。主要包括物理诱变剂和化学诱变剂, 现在还有生物诱变剂。诱变剂是自1927 年用X 射线诱发果蝇遗传性状变异而引起科学工作者注意的, 此后陆续发现了许多物理因子与化学物质都具有诱发基因突变的作用。近年来, 随着基因工程技术的不断发展, 蛋白质工程中点突变的重要技术，基因诱变在菌种选育中得以应用，使生物诱变剂也受到很大重视, 并取得了可喜发展。现根据诱变剂的不同，介绍诱变育种方法的研究进展。

2.2.1物理诱变

物理诱变通常使用物理辐射中的各种射线, 包括紫外线、X 射线、γ射线、α射线、β射线、快中子、微波、超声波、电磁波、激光射线和宇宙射线等。近年来, 随着重离子束的获得, 离子辐照诱变育种也成为诱变育种的 1 种新方法[4]。

2.2.2化学诱变

使用化学物质处理微生物使其性状发生改变的方法称为化学诱变方法。化学诱变的作用机制与物理诱变剂有很大区别, 其作用机制都是与DNA起化学作用。化学诱变剂往往具有专一性, 它们对基因的某部位发生作用，对其余部位则无影响，突变主要为基因突变，并且主要是碱基的改变，其中尤以转换为多数。各种具有诱变作用的化学物质和碱基接触起化学反应，通过DNA 的复制使碱基发生改变而起到诱变作用。通常使用的化学诱变剂包括4大类：烷化剂、碱基类似物、移码突变剂以及其他种类等[5]。

2.2.3其它诱变方法

2.2.

3.1离子注入生物体诱变

离子注入生物体诱变育种是人工诱变方法的一种新发明。已经证实离子注入诱变, 可以获得高突变率, 扩大突变谱,为筛选优良的突变型菌株提供广阔的空间，同时, 离子束也可以作为介质进行外源目的基因转移和转导。目前, 利用离子注入已经获得转基因植物; 转含有耐辐射异常球菌基因组 D N A 的E1 co l i 菌株。我国离子应用研究已有17项成果, 其中7 种高产、优质、抗病虫农作物新品种和6个微生物新菌株已经推广应用于农业和工业生产中, 累计创效益17