新型物理誘變方法及其在微生物誘變育種中的應(yīng)用研究

賈國軍，趙鳳舞

蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州，730070

由于自然突變率較低，而人工誘發(fā)基因突變?yōu)榛A(chǔ)的誘變育種相較而言，具有快速、簡(jiǎn)便、效果顯著等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，因而成為微生物誘變育種的重要渠道和途徑，在目前國內(nèi)外的發(fā)酵工業(yè)之中使用的生產(chǎn)菌種大多是人工誘變篩選培育而成的，在對(duì)微生物誘變育種的生物技術(shù)應(yīng)用之中，有各種不同的誘變方法，如：物理誘變、化學(xué)誘變、生物誘變等，其中物理誘變生物技術(shù)具有極其明顯的操作效果，為此，本文重點(diǎn)分析和研究新型物理誘變方法在微生物誘變育種中的實(shí)踐應(yīng)用，顯現(xiàn)出新型物理誘變方法在微生物育種方面的潛能。

1. 超高壓誘變方法分析

超高壓技術(shù)和方法普遍性地應(yīng)用于滅菌及加工工藝之中，以其設(shè)備簡(jiǎn)便、成本低廉、無毒害等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)而成為一種新型的物理誘變技術(shù)而在深入的探索過程中，微生物在經(jīng)受超出100Mpa的壓力時(shí)則會(huì)產(chǎn)生變化，主要包括微生物的細(xì)胞組織形態(tài)、細(xì)胞成分、核酸構(gòu)造、基因表達(dá)等方面，并且這些變化大多呈現(xiàn)出不可逆性，引發(fā)微生物的突變現(xiàn)象。目前對(duì)于超高壓誘變的機(jī)理還處于探索的初期階段，但是已經(jīng)有部分研究表明：超高壓中的壓力、溫度、pH值、水環(huán)境等要素對(duì)于微生物的誘變會(huì)產(chǎn)生一定的影響，而影響最為強(qiáng)烈的壓力，其次為溫度、水環(huán)境等要素。例如：在啤酒酵母承受150Mpa的超高壓條件之下，會(huì)產(chǎn)生超高壓誘變，篩選獲得發(fā)酵度為68%的突變菌株Gy3（商啤3號(hào)）。又如：對(duì)細(xì)菌纖維素菌株提供超高壓誘變條件，也可以篩選獲得突變菌株M438，這種突變菌株的纖維素產(chǎn)量相較于之前增加將近三倍。

2. 高能電子流誘變方法分析

近年來，高能電子輻照技術(shù)引發(fā)了研究人員的關(guān)注和重視，在高能電子加速器裝置快速發(fā)展的條件下，由該裝置產(chǎn)生的高能電子流成為一種新型的誘變?cè)矗梢詫?duì)微生物進(jìn)行輻照，導(dǎo)致微生物體內(nèi)的原子或分子產(chǎn)生電離反應(yīng)，較大地改變了微生物的生理及生化功能。在高能電子輻照技術(shù)應(yīng)用之下，高能電子加速器裝置會(huì)產(chǎn)生可以致使微生物的染色體斷裂、倒位或易位的射線，該射線具有極強(qiáng)的劑量率和穿透能力，并在DNA損傷不斷增加的條件下提升微生物的突變率，引發(fā)微生物內(nèi)部染色體結(jié)構(gòu)的重組和再造，改變微生物的遺傳性，產(chǎn)生突變現(xiàn)象。這種新型物理誘變技術(shù)和方法具有環(huán)保、低能耗、自動(dòng)智能化的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，可以較為普遍地應(yīng)用于微生物誘變育種工作領(lǐng)域。例如：可以利用高能電子輻照技術(shù)對(duì)釀酒酵母進(jìn)行誘變處理，可以篩選獲得正突變酵母菌株，相較于原菌株而言提高了近百分之三十的酒精產(chǎn)量。又如：利用高能電子輻照技術(shù)對(duì)產(chǎn)黃青霉菌株進(jìn)行誘變處理，可以篩選獲得新的突變菌株，其效價(jià)提升近百分之十。

3. 熱（溫度）誘變方法分析

這也是一種新型的物理誘變方法，可以應(yīng)用于微生物誘變育種之中，它主要是利用恒溫或變溫的條件對(duì)微生物進(jìn)行誘變處理，設(shè)備簡(jiǎn)便可行，可以較好地進(jìn)行溫度的控制，產(chǎn)生良好的熱效應(yīng)性，然而該技術(shù)的作用機(jī)理還處于探索和研究之中。通常來說，熱（溫度）誘變技術(shù)和方法主要是對(duì)微生物體內(nèi)部DNA中的G－C堿基對(duì)產(chǎn)生了置換作用，而誘發(fā)微生物的突變。這一技術(shù)可以較好地提升微生物熱誘變的正突變方向，成為篩選條件的突變性前提，具有極大的利用潛能。例如：可以應(yīng)用該技術(shù)對(duì)炭樣小單孢菌JXNU-1進(jìn)行熱（溫度）誘變處理，可以篩選獲得抗生素高產(chǎn)突變菌株ZD－2，這種正突變菌株相較于原菌株而言更大，其直徑達(dá)到了33mm，比原菌株超出了6.6mm。又如：可以應(yīng)用該技術(shù)對(duì)炭樣小單孢菌進(jìn)行熱（溫度）誘變處理，可以篩選獲得變異菌株，這種變異菌株相較于原菌株而言的抗生素能力幾乎提高了一倍。

4. 磁場(chǎng)分析方法及應(yīng)用

磁場(chǎng)存在于磁體與磁體之間、磁體與電流之間、電流與電流之間，這種特殊性的物質(zhì)主要是以兩種形態(tài)而存在，即：電磁場(chǎng)和磁鐵石，其中：由通電的導(dǎo)線或線圈產(chǎn)生的即為電磁場(chǎng)；由永久磁體而產(chǎn)生的則為磁鐵石。通過研究發(fā)現(xiàn)，微生物的生長(zhǎng)與磁場(chǎng)有不可分割的聯(lián)系，在磁場(chǎng)強(qiáng)度、種類、作用時(shí)間不同的條件下，對(duì)微生物的生長(zhǎng)情況的影響也不盡相同。通常來說，高頻磁場(chǎng)主要是利用其熱效應(yīng)的作用影響微生物的生長(zhǎng)；而低頻磁場(chǎng)也會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)情況。研究學(xué)者經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：對(duì)紫色紅曲菌株進(jìn)行低頻磁場(chǎng)的刺激作用，可以產(chǎn)生γ-氨基丁酸（GABA），還可以增加微生物的產(chǎn)量。還有學(xué)者利用超導(dǎo)磁體裝置對(duì)枯草芽孢桿菌進(jìn)行了誘變，篩選獲得高效拮抗突變菌株，可以較好地防治生物體采摘后的番茄灰霉病。又如：運(yùn)用不同強(qiáng)度的脈沖磁場(chǎng)誘變HK-5產(chǎn)油真菌，篩選獲得突變菌株M－23，這種突變菌株比原菌株具有更高的花生四烯酸含量、生物量、油脂產(chǎn)量及油脂含量。由此可見，磁場(chǎng)對(duì)于微生物的誘變主要是影響生物體細(xì)胞內(nèi)的DNA變異，使生物體的染色體產(chǎn)生畸變，從而實(shí)現(xiàn)微生物的誘變育種。然而，目前對(duì)于磁場(chǎng)誘變微生物育種的探索還處于初期階段，尚缺乏磁場(chǎng)對(duì)微生物誘變育種的產(chǎn)生機(jī)理的機(jī)制認(rèn)知，有待進(jìn)一步深化。

5. 激光誘變方法分析及應(yīng)用

這也是一種新型的物理誘變方法，可以應(yīng)用于微生物誘變育種領(lǐng)域之中，它是通過激光作用于生物體內(nèi)部，使微生物體的內(nèi)部產(chǎn)生壓力、熱效應(yīng)、電磁效應(yīng)等，形成微生物內(nèi)部分子的變化，形成遺傳變異現(xiàn)象。有不同的學(xué)者對(duì)此技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)和研究：利用CO2激光輻照釀酒酵母，可以篩選獲得突變菌株乙醇脫氫酶，它相較于原菌株而言有更大的乙醇產(chǎn)量、酶譜也有所不同，驗(yàn)證了激光的誘變效能和作用。又如：利用He－Ne激光對(duì)青霉PT95進(jìn)行誘變處理，可以篩選獲得突變菌株L05，它相較于原菌株而言有更高的生物量和類胡蘿卜素含量，有良好的遺傳穩(wěn)定性。利用YAG激光輻照高山被孢霉，可以篩選獲得突變菌株，相較于原菌株有更高的花生四烯酸和油脂含量。采用YAG激光對(duì)產(chǎn)植酸酶黑曲霉的孢子懸液和原生質(zhì)體進(jìn)行誘變處理，可以篩選獲得成活率更高的突變菌株。

6. 離子束誘變方法分析及應(yīng)用

6.1 常壓室溫等離子體

常壓室溫等離子體也稱為ARTP誘變育種儀，它具有操作便捷安全、突變快速、突變效率高、突變性狀穩(wěn)定等特點(diǎn)，可以應(yīng)用于多種微生物的誘變育種之中，它對(duì)微生物產(chǎn)生誘變作用的因子主要是高濃度的中性活性粒子，通過高濃度的中性活性粒子對(duì)生物體內(nèi)的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜產(chǎn)生影響和效應(yīng)，然而由于它無法直接對(duì)生物體內(nèi)部細(xì)胞的大分子產(chǎn)生作用，因而難免損傷生物體內(nèi)的細(xì)胞，要尤其關(guān)注ARTP與整個(gè)細(xì)胞的作用機(jī)制研究，經(jīng)過研究表明，常壓室溫等離子體還會(huì)對(duì)生物體產(chǎn)生高于紫外的誘變方式，能夠在生物體內(nèi)部細(xì)胞DNA受到最大損傷的條件下仍舊保持活性，這就極大地提升了誘變率。如：利用常壓室溫等離子體對(duì)產(chǎn)氣腸桿菌、芽孢桿菌C2進(jìn)行誘變處理，可以篩選獲得突變菌株，它相較于原菌株而言有更高的氫氣產(chǎn)量。

6.2 離子注入

這種新型物理誘變方法可以極大地提升突變率，并且突變性狀較為穩(wěn)定，它是利用離子注入設(shè)備產(chǎn)生高能離子束，將其注入微生物體內(nèi)部，進(jìn)而引發(fā)微生物體內(nèi)部的遺傳變異，篩選獲取優(yōu)良的變異菌株。如：可以將N+、C4+注入核糖霉素之中，可以產(chǎn)生核糖霉素產(chǎn)生菌、卡那霉素產(chǎn)生菌的變異菌株。

6.3 重離子輻照

這是一種高效的人工電離輻射方式，具有突變率高、突變譜廣、損傷低等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，其作用于微生物的誘變育種機(jī)理還不十分明晰，有待深入的探索和研究。有學(xué)者采用這一技術(shù)對(duì)谷氨酸棒桿菌進(jìn)行中能12C6+離子束的輻照誘變處理，可以篩選獲得突變菌株，相較于原菌株而言具有更高的糖酸轉(zhuǎn)化率。

總之，隨著我國在新型物理誘變技術(shù)和方法的突破性研究的不斷深入，可以將其應(yīng)用于微生物誘變育種的實(shí)踐之中，快速、準(zhǔn)確地篩選獲取優(yōu)良菌株，更好地推動(dòng)我國微生物技術(shù)的突破性發(fā)展。

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