工业菌种的选育及改进

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1、第三章工业菌种的选育及改进尽管生产菌种最初均是来自于自然界，但天然菌种的生产性能一般比较低下。20世纪40年代抗生素工业的兴起，推动了微生物遗传学的快速发展，也为微生物发酵工业优良菌种的人工选育奠定了理论基础。优良菌种的选育为生产提供了各种类型的突变株，大幅度提高了菌种产生有利用价值代谢产物的水平，还可以改进产品质量，去除不需要的代谢产物或产生新的代谢产物。特别是基因工程、细胞工程和蛋白质工程等较为定向技术的发展，使菌种选育技术不断更新，而研制出众多有价值的微生物工程产品。自然选育、诱变选育、抗噬菌体菌种的选育、杂交育种、原生质体融合技术、基因工程技术等都被应用于生

2、产菌种的选育。【Background】提高菌种生产力的途径：自然突变体的筛选（自然选育）诱导突变体的筛选（诱变育种）杂交育种原生质体融合基因克隆通过遗传修饰第一节自然突变体的筛选（自然选育）不经人工处理，利用微生物的自发（然）突变进行菌种选育的过程称为自然选育(spontaneousmutation)。二、自发突变机制（一）自发突变的定义：自发突变是指在没有人工参与下生物体自然发生的突变。自发突变并不意味着这种突变没有原因，而只是说明我们对它还没有很好的或很具体的认识而已。一、自然选育的定义1、背景辐射和环境因素的诱变：不少“自发突变”实质上是由于一些原因不详的低剂

3、量诱变因素的长期综合诱变效应。例如，充满宇宙的各种短波辐射或高温诱变效应，以及自然界中普遍存在的一些低浓度的诱变物质（在微环境中有时也可能是高浓度）的作用等。（二）自发突变的机制2、微生物自身有害代谢产物的诱变效应：过氧化氢是普遍存在于微生物体内的一种代谢产物。过氧化氢对脉胞菌（Neurospora）有诱变作用，这种作用可因同时加入过氧化氢酶而降低；如果在加入该酶的同时又加入酶抑制剂(KCN)，则又可提高突变率。这就说明，过氧化氢很可能是“自发突变”中的一种内源性诱变剂。在许多微生物的陈旧培养物中易出现自发突变（剂），可能也是同样的原因。3、互变异构效应：微生物的自

4、发突变可由于本身DNA在复制过程中发生了酮式至烯醇式（或氨基式至亚氨基式）的互变异构效应而引起的。因为A、T、G、C四种碱基的第六位上如果不是酮基（T、G），就是氨基（C、A），所以有人认为，T和G会以酮式或烯醇式两种互变异构的状态出现，而C和A则会以氨基式或亚氨基式两种互变异构的状态出现。图3.1由5-BU引起的互变异构效应A-TA-TA-TA-TG-TG-CA-T（酮式）（烯醇式）图3.2胸腺嘧啶（T）在以酮式或烯醇式状态存在时引起碱基配对的变化由于平衡一般趋向酮式或氨基式，因此在DNA双链结构中一般总是以A：T和G：C碱基配对的形式出现;在偶然情况下，T也会以

5、稀有的烯醇式形式出现，因此在DNA复制到达这一位置的瞬间，通过DNA聚合酶的作用，在它的相对位置上就不再出现常规的A而是出现G；同样，如果C以稀有的亚氨基形式出现在DNA复制到达这一位置的刹那间，则在新合成DNA单链的与C相应的位置上就将是A，而不是往常的G。这或许就是发生相应的自发突变的原因.必须说明的是，由于在任何一瞬间，某一碱基是处于酮式或烯醇式，还是氨基式或亚氨式状态，目前还无法预测，所以要预言在某一时间、某一基因发生自发突变仍是不可能的。但是，人们在运用数学方法对这些偶发事件作大量统计分析后，还是可以发现并掌握其中规律的。例如，据统计，DNA链在每次复制中

6、，每个碱基对错误配对的频率是10-7～10-11，而一个基因平均约含1000bp，故自发突变频率约为10-6。4、环出效应：即环状突出效应有人提出，在DNA的复制过程中，如果其中某一单链上偶然产生一小环，则会因其上的基因越过复制而发生遗传缺失，从而造成自发突变。图3.3环出效应在上链中，标记B处发生“环出”，故只有A及C能获得复制，从而发生自发突变。而在下链中，则复制仍正常进行。5、转座效应转座作用的频率虽然仅为10-5～10-7，但它却是一种自然界所固有的“自发基因工程”或“内源性基因工程”。1）转座因子（transposableelement)定义：位于染色体或

7、质粒上的一段能改变自身位置的DNA序列。广泛分布于原核和真核细胞中。又称“跳跃基因”2）转座因子的特点在转座时，通过转座因子的复制，可将新形成的拷贝以非同源重组的方式转移到染色体的新部位上；都携带有编码转座酶的基因，该酶具有转移位置的功能，是转座所必需的;两端都有正向或反向末端重复序列。(3)根据分子结构和遗传性质，转座因子可分为3类：插入序列（Insertionsequence,IS）仅含有编码转座所必需的转座酶的基因，两端存在9～41bp的反向重复序列。但其插入可干扰基因的正常读码序列，导致基因失活或引起突变。转座子（Transposon,Tn）除转座基因外