微生物诱变育种的研究进展及应用
2011-05-26 20:42阅读：
微生物诱变育种的研究进展及应用
摘 要
本文分析了近几年来我国常用的几种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依据。综述了其在酶制剂、抗生素、氨基酸、维生素、杀虫剂等高产菌种选育中的应用进展;对该技术与离子束技术、空间技术的结合在微生物菌种选育中的应用前景进行了展望备受关注。
关键词：诱变 微生物育种 应用 展望
ABSTRACT
This paper analyzed principle
,characteristics and successful cases of several normal physical
mutation and chemical mutagenesis breeding methods in recent years
, in order to providing a basis for microbial mutation breeding.
Reviewing
the enzyme preparation, antibiotics, amino acids, vitamins,
pesticides and progress in the application of high-yielding strains
breeding. Ion of the technology and the combination of technology,
space technology application in bacterial breeding attention was
prospected.
Key words:
mutation
microbial breeding applications
prospects
目 录
一 前言.
6
二 本论.
7
2.1诱变育种.
7
2.1.1物理诱变.
7
2.1.2化学诱变.
8
2.1.3空间技术诱变.
9
2.1.2复合诱变.
9
2.2诱变育种在微生物育种中的应用.
10
2.2.1在酶制剂菌种选育中的应用.
10
2.2.2抗生素高产菌种选育中的应用.
10
2.2.3在氨基酸、生产溶剂及有机酸菌种选育中的应用.
11
2.2.4 维生素菌种选育中的应用.
11
2.2.5虫菌种选育中的应用.
11
2.3展望诱变育种的未来.
11
三 结论.
13
一
前言
微生物常规育种是以自然突变为基础,从中筛选出具有优良性状菌株的一种育种方法。一般情况下,由于DNA的半保留复制以及校正酶系的校正作用和光修复、切除修复、重组修复、诱导修复等作用,发生自然突变的几率特别低,一般为 10-6-10-10/BP,而且用于工业生产的菌株的性状往往由单一或少数基因控制,所以常规育种时间较长,工作量较大。 自从1927年Miller发现X-射线能诱发果蝇基因突变之后，人们发现其他一些因素也能诱导基因突变并逐渐弄清了一些诱变因素的机理,为工业微生物诱变育种提供了前提条件.根据育种需要,有目的利用诱变因素,可使菌株的基因发生突变以改良其生产性状。
2.1.1物理诱变
1.外线 我们知道，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，因此波长260nm的紫外辐射是最有效的诱变剂.对于紫外线的作用已有多种解释,但研究的比较清楚的一个作用是使DNA分子形成嘧啶二聚体,即两个相邻的嘧啶共价连接，二聚体出现会减弱双键间氢键的作用,并引起双链结构扭曲变形,阻碍碱基间的正常配对,从而有可能引起突变或死亡.另外二聚体的形成,会妨碍双链的解开,因而影响DNA的复制和转录.总之紫外辐射可以引起碱基转换、颠换、移码突变或缺失等[1]。
2.γ-射线
γ-射线属于电离辐射,是电磁波.一般具有很高的能量,能产生电离作用,因而能直接或间接地改变DNA结构.其直接效应是,脱氧核糖的碱基发生氧化,或脱氧核糖的化学键和糖-磷酸相连接的化学键断裂,使得DNA的单链或双链键断裂.其间接效应是电离辐射使水或有机分子产生自由基,这些自由基与细胞中的溶质分子起作用,发生化学变化,作用于DNA分子而引，起缺失和损伤.此外,电离辐射还能引起染色体畸变,发生染色体断裂,形成染色体结构的缺失、易位和倒位等[2]。
3.激光
激光在微生物诱变育种方面的研究与开发应用比较晚。激光诱变育种技术研究始于20世纪60年代,经过世界各国40多年的开发应用研究,不仅证明激光和普通光在本质上都是电磁波,它们发光的微观机制都与组成发光物质的原子、分子能量状态和变化密切相关。激光是一种与自然光不同的辐射光,它具有能量高度集中、颜色单一、方向性好、定向性强等特性。激光通过光效应、热效应和电磁效应的综合作用,能使生物的染色体断裂或形成片断,甚至易位和基因重组[3]。
4.微波[13]
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。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 [4]。
5.离子束
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。离子注入诱变是利用离子注入设备产生高能离子束(40-0keV)并注入生物体引起遗传物质的永久改变,然后从变异菌株中选育优良菌株的方法。离子束对生物体有能量沉积(即注入的离子与生物体大分子发生一系列碰撞并逐步失去能量,而生物大分子逐步获得能量进而发生键断裂、原子被击出位、生物大分子留下断键或缺陷的过程)和质量沉积(即注入的离子与生物大分子形成新的分子)双重作用,从而使生物体产生死亡、自由基间接损伤、染色体重复、易位、倒位或使DNA分子断裂、碱基缺失等多种生物学效应。因此,离子注入诱变可得到较高的突变率,且突变谱广,死亡率低,正突变率高,性状稳定[5]。
2.1.2化学诱变
1.烷化剂
烷化剂能与一个或几个核酸碱基反应,引起DNA
复制时碱基配对的转换而发生遗传变异,
常用的烷化剂有甲基磺酸乙酯、亚硝基胍、乙烯亚胺、硫酸二乙酯等。甲基磺酸乙酯(
ethylmethane
sulphonate
,EMS)
是最常用的烷化剂,诱变率很高。它诱导的突变株大多数是点突变，该物质具有强烈致癌性和挥发性,可用5%硫代硫酸钠作为终止剂和解毒剂。亚硝基胍(
NTG)
是一种超诱变剂,应用广泛,但有一定毒性,操作时应该注意。在碱性条件下,NTG
会形成重氮甲烷(CH2N2),它是引起致死和突变的主要原因。它的效应很可能是CH2N2
对DNA
的烷化作用引起的[6]。硫酸二乙酯(
DMS) 也很常用,但由于毒性太强,目前很少使用。乙烯亚胺,生产的较少,很难买到。使用浓度0.0001%-.1%,高度致癌性,使用时需要使用缓冲液配置。
2.碱基类似物
碱基类似物分子结构类似天然碱基,可以掺入到DNA
分子中导致DNA
复制时产生错配,mRNA
转录紊乱,功能蛋白重组,表型改变。该类物质毒性相对较小,但负诱变率很高,往往不易得到好的突变体。主要有5- 氟尿嘧啶(
5- FU)
、5- 溴尿嘧啶(
5- BU)
、6- 氯嘌呤等。程世清等用5-
BU 对产色素菌(
分枝杆菌T17- 2-
39)
细胞进行诱变,生物量平均提高22.5%.
3.无机化合物
诱变效果一般,危险性较小。常用的有氯化锂,白色结晶,使用时配成0.1%-0.5%的溶液,或者可以直接加到诱变固体培养基中,作用时间为30min～2d。亚硝酸易分解,所以现配现用。常用亚硝酸钠和盐酸制取,将亚硝酸钠配成0.01-0.1mol/L
的浓度,
使用时加入等浓度等体积的盐酸即可。
4.其他
盐酸羟胺,一种还原剂,作用于C
上,使G- C
变为A-
T。也较常用,使用浓度为0.1%～0.5%,作用时间60min～2h。此外,诱变时将两种或多种诱变因子复合使用,或者重复使用同一种诱变因子,效果更佳。顾正华等[7]以谷氨酸棒杆菌ATCC- 13761
为出发菌株,经DMS
和NTG
多次诱变处理,获得一株L-
组氨酸产生菌。
2.1.3空间技术诱变
近年来，人们利用宇宙系列生物卫星、科学返回卫星、空间站及航天飞机等空间飞行器，进行搭载微生物材料的空间诱变育种。通过外层空间特殊的物理化学环境，引起菌种的DNA 分子的变异和重组，从而得到生物效价更高的高产菌种。1987年以来,中国科学院微生物研究所等单位,先后利用卫星搭载了真菌、酵母、放线菌、细菌等30多种微生物菌种,经培殖后观察发现,处理后菌种的性状均产生了一些变异,从中选择培育出了一些能提高抗生素和酶产量的新菌种,现已投产应用。
2.1.4复合诱变
某一菌株长期使用诱变剂之后,除产生诱变剂“疲劳效应”外,还会引起菌种生长周期延长、孢子量减少、代谢减慢等,这对发酵工艺的控制不利,在实际生产中多采用几种诱变剂复合处理、交叉使用的方法进行菌株诱变。
复合诱变包括:两种或多种诱变剂的先后使用，同一种诱变剂的重复作用和两种或多种诱变剂的同时使用.普遍认为,复合诱变具有协同效应.如果两种或两种以上诱变剂合理搭配使用复合诱变较单一诱变效果好.
如贺筱蓉等采用紫外同平板梯度浓度的亚硝基胍、纯铜蒸气混合诱变，筛选到高产菌株效价提高了53.2%，其原理可能是激光对经理化处理的微生物细胞有修复作用，使正突变率提高。但也有复合诱变使效果降低的例子。如吴振倡等在相同的条件下铜蒸气辐照龟裂链霉菌比其随后又用氯化锂复合处理效果好，可能是与氯化锂提高了细胞的修复系统的活性有关[8]。
复合因子较单一因子诱变效果有很大优势.但因目前大多微生物,尤其是抗生素产生菌的遗传背景不清楚,往往对诱变剂,特别是复合诱变剂的选择使用,带有很大的盲目性。
总之，诱变育种这种传统的育种方式虽然有弊端，但也具有菌种遗传稳定性高、简便、易行和安全等优点，我们相信微生物诱变育种技术将随着其它相关学科的发展而不断发展与完善！
2.2诱变育种在微生物育种中的应用
2.2.1在酶制剂菌种选育中的应用
酶制剂是活的有机体产生的有催化活性的蛋白质,是所有新陈代谢过程必不可少的要素。应用原生质体诱变技术对酶制剂的生产菌株进行诱变,已经获得了许多高产菌株。
胡杰等[9]对沪酿(Aspergillus oryzae)
31042米曲霉的原生质体进行紫外线-氯化锂、亚硝基胍(
NTG)复合诱变,筛选到8 株高产中性蛋白酶突变株群,其中最高产酶活力为出发菌株的1162倍,为以后的细胞融合、基因组改组等提供了优良的候选文库。
2.2.2抗生素高产菌种选育中的应用
抗生素是微生物细胞的次级代谢产物,目前主要采用微生物发酵法进行生物合成。由于生产菌种产量的高低受多步代谢调控的制约,高产菌株的选育也很困难。原生质体诱变作为一种诱变技术,在抗生素的高产菌种选育中已有着广泛的应用。
朱林东等[10]通过紫外线诱变始旋链霉菌(
S treptom
ycespristinaespiralis)的原生质体, 得到了产普那霉素为1159g/L的高产突变株,比出发菌株提高了很多。
2.2.3在氨基酸、生产溶剂及有机酸菌种选育中的应用
氨基酸是生物功能大分子蛋白质的基本组成单位,在食品、饲料、医药、化学工业、农业等行业中应用广泛,各国都在大力发展氨基酸生产。发酵法已成为氨基酸生产的主要方法。因此选育高产菌株是氨基酸工业发展的重要方向。
生产溶剂和有机酸是微生物的初级代谢产物,原生质体诱变技术在生产溶剂和有机酸生产菌种选育中也取得了成效。
2.2.4
维生素菌种选育中的应用
若维生素是维持人和动物生命活动必需的、但不能自身合成的一类有机物质,在生长、代谢、发育过程中发挥着重要的作用。韩建荣等用激光处理青霉(
Penicillium
sp) PT95
的原生质体,选育到一株菌核生物量和类胡萝卜素含量均有显著提高的突变株L05。该突变株的菌核生产量提高98.6% ,菌核中的类胡萝卜素含量提高28.3% ,类胡萝卜素产率的增加幅度达到154.0%。
2.2.5虫菌种选育中的应用
苏云金杆菌(B acillus
thuringiensis)是从自然界中筛选出来的一大类细菌型微生物杀虫剂,多应用于农林害虫的防治中。王丽红等[11]对苏云金杆菌NU-
2的原生质体进行紫外线-氯化锂复合诱变,筛选到的突变株发酵周期从44h缩短到40.3h,晶体蛋白含量提高10.03%。
2.3展望诱变育种的未来
近年来,随着新的诱变源的出现,原生质体诱变技术的应用也会有新的进展。离子束作为一种新的诱变源,有其特有的作用机理[12]，使得离子束诱变具有诱变谱广、变异幅度大、突变率高等优点,其应用也取得了很多重要的成果,特别是运用离子注入选育Vc菌株的成功,为我国的VC
行业增添了活力。航天搭载的微生物菌种,能借助微重力、空间辐射、超真空等综合空间环境因素的转换,在较短时间里创造目前其它育种方法难以获得的罕见基因突变,以此来进行微生物育种是空间技术育种的一个重要的应用领域。利用空间技术对某些抗生素的产量提高及酶制剂研究曾有些可喜的结果。将离子注入、空间技术与微生物原生质体技术结合起来,微生物原生质体诱变技术将会有更加广阔的应用前景。
三
结论
随着遗传学和分子生物学领域的飞速发展, 许多新型复杂的技术被应用于菌种选育, 如原生质体融合育种技术和基因工程育种技术等, 但是诱变育种技术仍是提供菌株生产能力的重要有效手段。它获得的正突变率相对较高,可以得到多种优良突变体和新的有益基因类型。另一方面,诱变育种存在一定的盲目性和随机性,在实际应用中,研究者应根据出发菌株及实验室条件等具体情况来选择合适的诱变方法。本实验室将物理因子和化学因子结合起来对多种酵母菌株进行复合诱变,均得到了理想菌株。此外,我们正在尝试反复采用几种诱变因子进行多次诱变,以期得到更为理想的菌株。
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