薄永恒，王亮，杨修镇，魏茂莲，李有志*

发酵微生物筛选育种技术研究概述

薄永恒1，王亮2，杨修镇1，魏茂莲1，李有志1*

（1.山东省兽药质量检验所/山东省畜产品质量安全监测与风险评估重点实验室，山东 济南 250022；2.山东省新泰市畜牧兽医服务中心，山东 新泰 271200）

随着生命科学的发展，微生物与人类的关系越来越紧密，特别是发酵微生物的益处越来越受到广泛关注。目前发酵微生物主要应用于医药工业、食品工业、能源工业、化学工业、环境保护以及农业方面。因此对于微生物育种改良，已成为学者们的研究重点。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菌种进行改造，去除不良特性，提升有益性状，提高产品产量或发酵效能的育种方法。本文对微生物育种技术进行了简要介绍，以期对科学技术工作者带来启发。

1 自然选育

通过自然发生的突变和筛选法，筛选那些含有所需性状得到改良的菌种，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[1]。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。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[2]。

2 诱变育种

诱变育种是以诱变剂诱发微生物基因突变，通过筛选突变体，寻找正向突变菌株的一种诱变方法诱变剂有物理诱变剂、化学诱变剂和生物诱变剂[3]。

2.1 物理因子诱变 （1）物理诱变剂包括紫外线、X射线、γ射线、激光、低能离子等。（2）常用的电离辐射有X射线、γ射线、β射线和快中子等。如γ射线具有很高的能量，能产生电离作用，因而直接或间接地改变DNA结构；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。低能离子注入育种技术是近些年发展起来的物理诱变技术，如H+、Ar+、O6+以及C6+。辐射能量大多集中在低能量辐射区[4]。（3）除此之外，还有微波、双向复合磁场、红外射线、重离子和高能电子流等新诱变技术，它们与其他诱变源一起进行复合诱变，能起到很好的诱变效果，因此从某种意义上称这些诱变源为“增变剂”[5]。

2.2 化学因子诱变 化学诱变剂是一类能与DNA起作用而改变其结构，并引起DNA变异的物质。其作用机制都是与DNA起化学作用，从而引起遗传物质的改变。化学诱变剂包括烷化剂如甲基磺酸乙酯、硫酸二乙酯、亚硝基胍、亚硝基乙基脲、乙烯亚胺及氮芥等、天然碱基类似物、脱氨剂如亚硝酸、移码诱变剂、羟化剂和金属盐类如氯化锂及硫酸锰等。但这些物质大多是致癌剂，使用时必须十分谨慎[6]。

2.3 生物因子诱变 噬菌体、基因诱变剂等点突变技术在蛋白质工程的广泛应用，特定寡核苷酸在突变技术中起着介导作用，使基因成为一种新的分子水平的生物诱变剂。基因诱变剂可以是特定的噬菌体，如M13DNA介导的1段寡核苷酸，也可以是喜剧质粒DNA PCR介导中作为引物的1段寡核苷酸，也可以是DNA转座子。可以引起碱基的取代和断裂，产生DNA的确实、重复和插入等突变。目前认为，生物诱变剂按右边方式可以分为三类：转导诱发突变、转化诱发突变和转座诱发突变。生物诱变剂应用面比较窄，因此应用受到了限制[7]。

2.4 复合因子诱变与新型诱变剂 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，这对生产不利，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[8]。近年来，一些新型诱变剂被开发出来，并被证明有良好的效果。1996年，离子束诱变用于右旋糖酐产生菌，得到产量提高36.5%的突变株；1999年N2激光辐照谷氨酸产生菌—钝齿棒状杆菌，谷氨酸产量和糖酸转化率比对照提高31%.

3 基因重组

基因重组是遗传的基本现象之一，菌株能够经过基因重组获得新的遗传型，从而获得具有优良性状的菌种。基因重组是杂交育种的理论基础，由于杂交育种选用了已知性状的供体菌和受体菌作为亲本，所以不论是方向性还是自觉性，都比诱变育种前进了一大步。

3.1 杂交育种 杂交育种往往可以消除某一菌株在诱变处理后所出现的产量上升缓慢的现象，因而是一种重要的育种手段。但杂交育种方法较复杂，许多工业微生物有性世代不十分清楚，故没有像诱变育种那样得到普遍推广和使用。

3.2 原生质体融合育种 在工业微生物育种中，应用转化、转导或接合等重组技术来培育应用于生产实践中的高产菌株的例子还不多见，只是在1978年第二届国际工业微生物遗传学讨论会上提出了原生质体融合后，重组育种技术才获得了飞速的发展。近年来，灭活原生质体融合、离子束细胞融合、非对称细胞融合以及基因重排分子育种等新方法相继提出并且应用于微生物育种，这是原生质体融合技术的新发展。

4 代谢控制育种

代谢控制育种兴起于20世纪50年代末，以1957年谷氨酸代谢控制发酵成功为标志，并促使发酵工业进入代谢控制发酵时期。近年来代谢工程取得了迅猛发展，尤其是基因组学、应用分子生物学和分析技术的发展，使得导入定向改造的基因及随后的在细胞水平上分析导入外源基因后的结果成为可能[9]。代谢控制育种提供了大量工业发酵生产菌种，使得了氨基酸、核苷酸、抗生素等次级代谢产物产量成倍地提高，大大促进了相关产业的发展。

5 基因工程育种

基因工程育种是指利用基因工程方法对生产菌株进行改造而获得高产工程菌，或者是通过微生物间的转基因而获得新菌种的育种方法甚因工程育种是真正意义上的理性选育，按照人们事先设计和控制的方法进行育种，是当前最先进的育种技术[10, 11]。

6 太空育种

由于太空环境具有超真空、超洁净、微重力、强辐射等不同的物理、化学因素，可以利用返回的卫星或宇宙飞船将微生物搭载到宇宙空间，利用太空环境对微生物进行诱变，返回地球后，对诱变体进行选育，获得新个体。研究表明，航天诱变可以改良微生物发酵特性，获得地面育种难以获得的突变菌种，有变异幅度大、频率高、遗传性能好等特点[12]。

目前，微生物制剂已用于畜牧养殖行业多个方面，如用于养殖方面，可以增加猪的产仔率、仔猪成活率，猪牛鸡的日增重率，奶牛泌乳量等，提高了养殖效益；饲喂微生物制剂或微生物发酵的饲料可以增加家畜免疫力，减少了抗生素的使用，符合目前减抗的畜牧行业的发展趋势；还可用于畜禽粪水处理，达到养殖环保要求。因此，挖掘高效的微生物菌种已是一个热门方向，根据不同微生物菌种特性，利用已有的微生物育种技术，筛选出高产、高效发酵菌株，制成的各种菌剂在畜牧行业具有十分广泛的需求。

[1] 赵超敏, 车振明. 工业有益微生物育种技术的研究进展[J]. 食品研究与开发, 2008, 29(2): 172-174.

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（2020–07–21）

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