加強菌種選育研究提高微生物菌種性狀

景艷軍 仲昭財 楊梢烽

生物科技與產(chǎn)業(yè)革命打破了環(huán)境污染工業(yè)發(fā)展的瓶頸，小到酒精、大到各種維生素和酶制劑，在生物技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，都從工業(yè)合成轉(zhuǎn)變?yōu)樯锇l(fā)酵生產(chǎn)。生物發(fā)酵生產(chǎn)離不開菌種，沒有菌種，生物發(fā)酵就無從談起，而菌種性能的好壞直接決定了一個企業(yè)的發(fā)展狀況。從自然界中分離獲得的野生菌種，通常難以滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求，需要通過選育獲得優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的菌種。菌種的代謝途徑、合成物質(zhì)的能力由其遺傳物質(zhì)決定，菌種的功能也由遺傳物質(zhì)進行控制。菌種選育方法就是憑借不同的生物技術(shù)改變微生物的遺傳物質(zhì)，達到規(guī)避或者減輕微生物的不良遺傳性狀、優(yōu)化對人類有益的生長代謝過程的目的。常見的菌種選育方法包括自然育種、誘變育種、雜交育種、基因工程育種等幾種。

一、自然育種

不經(jīng)過人工處理，憑借菌株的自然突變篩選出具有優(yōu)良遺傳性狀菌株的過程稱為自然育種。自然育種是基于菌種響應(yīng)外界環(huán)境變化，基因自主發(fā)生突變，它是一種簡單易行的選育方法，通常包括從自然界分離獲得菌株和根據(jù)菌種的自發(fā)突變篩選出性能更加優(yōu)良的菌種。從自然界中分離新菌種一般包括樣本采集、富集培養(yǎng)、純化分離、性狀優(yōu)化等幾步。研究發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)有很多物質(zhì)可以用自然育種選出的微生物進行發(fā)酵產(chǎn)出，抗生素如青霉素、維生素如維生素B12、酶制劑如木糖聚酶等。

二、誘變育種

由于自然選育具有突變率低、耗時長、工作量大等局限性，誘變育種便越來越受到廣大科研工作者的青睞。1927年Muller發(fā)現(xiàn)X射線誘導(dǎo)基因突變， 1941年Beadle等利用誘變得到突變株，之后誘變育種迅猛發(fā)展。誘變育種是利用各種誘變劑對菌種進行不同的處理，誘發(fā)基因突變，之后從各種突變株中篩選出目的性狀優(yōu)良的進行分離純化，找出性狀能夠穩(wěn)定遺傳的優(yōu)異菌株。誘變劑根據(jù)其性質(zhì)大致分為物理因子、化學(xué)因子和生物因子等。物理因子包括射線類（如α/β/ x/γ射線、紫外線等）、能量類（如低能離子、高能電子流等）、交變磁場、太空微重力等；化學(xué)因子則是能夠改變DNA結(jié)構(gòu)，引起生物遺傳變異的化學(xué)物質(zhì)，包括烷化劑（如EES、EMS等）、天然堿基類似物、脫氨劑（如亞硝酸）、移碼誘變劑（如吖啶黃等）、羥化劑（羥胺）和金屬鹽類（如氯化鋰等）、秋水仙素、抗生素等；生物誘變劑則包括噬菌體、基因誘變劑等。

物理誘變劑對菌種的誘變作用主要是由于高能輻射引發(fā)的生物系統(tǒng)損傷，繼而在遺傳變異中發(fā)生的一系列連鎖反應(yīng)；化學(xué)誘變劑是通過誘變劑本身與DNA分子結(jié)構(gòu)發(fā)生反應(yīng)，如堿基或磷酸基團烷基化、堿基替換等導(dǎo)致遺傳性狀改變；生物誘變劑如噬菌體則是將自身基因整合到菌種的基因組中引發(fā)的突變。誘變育種的大致步驟如下：出發(fā)菌株的選擇與純化——菌懸液的制備——誘變劑處理——后培養(yǎng)——稀釋涂布——突變體的篩選。誘變育種憑借高突變率帶來的明顯改善菌種特性、有效提高目標產(chǎn)物產(chǎn)量、開發(fā)新特性等優(yōu)點，受到科研工作者的廣泛青睞。

三、雜交育種

長期使用誘變劑處理的菌種其生長性能會有所下降，例如生長周期延長、代謝減慢等。不同于誘變育種，另外一種基于基因組發(fā)生質(zhì)的改變的菌種選育方式就是雜交育種，它可以很好地規(guī)避誘變育種的弊端。雜交育種是用基因型不同的個體為親本，進行基因重組，符合育種目標的性狀在重組的后代中組合在一起，經(jīng)過對后代的純化選育來創(chuàng)造新品種。雜交育種既可以通過基因重組選育出結(jié)合了親本優(yōu)良性狀的新品種，還可以通過基因互作選出親本本身不具備的新性狀。由于雜交育種的后代中仍舊存在未雜交的和雜交性狀無效的，所以選擇親本時需選擇有遺傳標記的，如營養(yǎng)缺陷、抗性標記、溫度敏感、其他性狀（如孢子顏色、菌落形態(tài)、可溶性色素含量等），以便后期雜交子代的選擇。

雜交育種在最初興起的時候多用于植物育種，如水稻、棗樹、杜鵑花等，1974年原生質(zhì)體技術(shù)的成功問世為微生物雜交育種開啟了新篇章。Ferenczy L后續(xù)研究了原生質(zhì)體融合技術(shù)，該技術(shù)是選擇性狀優(yōu)異的親本，將其外層硬質(zhì)細胞壁通過不同的方法如機械法、酶解法等去除，誘導(dǎo)兩種或多種不同來源的原生質(zhì)體進行融合，經(jīng)過反復(fù)篩選得到目的性狀優(yōu)良的雜合子。原生質(zhì)體融合技術(shù)在微生物育種方面有很多成就，比如平菇與香菇的融合、煙草和枸杞的融合、白芝和赤芝的融合等。

在誘變技術(shù)和原生質(zhì)體融合技術(shù)基礎(chǔ)上，雜交育種還發(fā)展了一種新的育種方法，即基因組改組技術(shù)育種?；蚋慕M技術(shù)首先對親本進行誘導(dǎo)，使其發(fā)生不定向多種變異獲得多個表型的親本，經(jīng)過初步篩選選出表型優(yōu)良的多個親本進行原生質(zhì)體融合，之后從子代中選出性能優(yōu)良的子代再次進行多親本原生質(zhì)體融合，經(jīng)過多次融合，篩選出目標性狀得到顯著提升的子代。這種育種技術(shù)可以有效的積累有益突變，縮短育種周期。道爾公司利用基因改組將乳酸菌的乳酸產(chǎn)量提高了3倍；Codexis公司經(jīng)過基因改組，泰樂星產(chǎn)量提升了6-8倍，由此可見基因組改組技術(shù)的高效性。除此之外，基因組改組技術(shù)在提高微生物生物多樣性、改進其對環(huán)境的適應(yīng)能力等多方面也具有很好的應(yīng)用價值。

四、基因工程育種

不同于上述育種手段，20世紀70年代興起的基因工程以其靶向性強、省時、高效等優(yōu)點，一經(jīng)問世便迅速發(fā)展和應(yīng)用。基因工程是利用分子生物學(xué)的手段直接對微生物的遺傳物質(zhì)進行改造，包括點突變、基因敲出、基因沉默、基因插入及過表達等?；蚬こ逃N首先要獲得目的基因，可體外合成，也可通過雜交、逆轉(zhuǎn)錄等方法獲取；之后要選擇合適的轉(zhuǎn)化/表達載體，兩者都具備了之后將目的基因與載體進行體外重建，最后將重組子轉(zhuǎn)入宿主進行篩選和鑒定。由于基因工程育種具有便捷、高效、直接改造等優(yōu)勢，雖然較晚發(fā)展，但卻成績斐然。

隨著基因工程的發(fā)展，又衍生出以此為基礎(chǔ)的多種綜合育種手段，如DNA重排、代謝育種、交錯延伸剪接PCR等。不同于其他選種方法，基因工程更像是一把雙刃劍，在給科學(xué)發(fā)展帶來契機，給工業(yè)、生活帶來便利的同時，卻也存在極大的隱患，如食品安全、環(huán)境安全等，所以基因工程改造產(chǎn)品目前仍受到很大的質(zhì)疑。

隨著生物技術(shù)的進步和發(fā)展，通過甄別不同的選育手段對微生物進行遴選優(yōu)化，獲得高產(chǎn)目標產(chǎn)物如氨基酸、維生素、酶制劑等微生物滿足工業(yè)需求成為可能。越來越多的工業(yè)微生物是結(jié)合了多種選育手段進行選育的，既克服了單一選育手段的弊端，又能夠結(jié)合多種選育手段獲得優(yōu)異性狀，使目標性狀得到大大改善。相信隨著生物技術(shù)的進一步發(fā)展，這些選育方法中的缺點也會逐漸被克服，從而更好地服務(wù)于我們的生活。