微生物育种绪论.ppt

北方民族大学生物科学与工程学院北方民族大学生物科学与工程学院 E-mail: qq号: 531453557 Tel:刘雅琴刘雅琴 20112011年年2 2月月 微生物育种学 课程编号：12100670 课程名称：微生物育种学 课程类型：专业选修课 总 学 时：32学时 讲课学时：32学时 学 分：2学分 先修课程：微生物学、细胞生物学、生物化学 一、课程的目的与任务 工业微生物育种选育在发酵工业中占有重要地位，是决定 该发酵产品能否具有工业化价值及发酵过程成败与否的关键 。现代工业发酵之所以如此迅猛发展，除了发酵工艺改进和 发酵设备更新之外，更重要是由于进行了菌种的选育及其改 良，为发酵工艺提供了人类需要的各种类型的突变菌株，从 而使抗生素、酶制剂、氨基酸、有机酸、维生素、核苷酸、 激素、色素、生物碱等生物活性物质的产量成倍甚至成千倍 地增长，同时产品的质量也不断提高。因此，工业微生物育 种对于提高发酵工业产品的产量和质量，开发微生物资源， 增加发酵工业产品的品种，具有重大意义。 本课程为生物工程专业本科生的专业基础课。其目 的是使生物工程专业本科学生对发酵工业所涉及的微生 物育种技术的遗传学原理与相关方法有深刻的认识。要 求学生掌握微生物育种的基础理论和基本方法，包括诱 变育种、基因重组育种和基因工程育种。 通过本课程的学习，使学生在牢固掌握工业微生物遗传 育种最新理论知识和实践技能的基础上，构建工业生物技 术人才全面的微生物知识体系，同时为工业生物技术领域 更高层次人才培养打好基础。 二、课程有关说明 1课程简介：微生物育种学以微生物遗传学为理论基础， 突出育种手段和方法，通过物理、化学和生物的方法实现基 因重组和遗传突变，获得高产突变株，或者通过分子生物学 手段实现基因转移和重组，构建出高产目的菌，是一门专业 性、实践性很强的实验科学。 本课程论述了工业微生物育种的遗传学基础及其应用， 对育种出发菌株的选择，各种经典的育种方法（如诱变育种 、代谢调控育种、基因重组育种），近代的育种方法（如定 点突变和基因工程育种）进行了系统、详尽地讲解。也对菌 种保藏和工业菌种与基因专利保护予以介绍。 2先期知识与能力准备：学习此课程以前，学生需已经掌 握了细胞生物学、生物化学与微生物学等课程。 3考核评分方式：闭卷笔试。 4考核评分方式：闭卷笔试。本课程为考查课，按百分制 评定成绩。试题例题范围应覆盖大纲要求的有关内容。总成 绩评定：期末考试成绩占70%，平时成绩（含课堂提问、到 课率、作业等）占30%。 理论教学安排与学时分配（共32学时） 6第九章 工业微生物杂交育种 6第八章 工业微生物代谢调控育种 6 第七章 工业微生物诱变育种 2 第六章 工业微生物产生菌的分离筛选 2第五章 工业微生物育种诱变剂 2 第四章 基因突变 2 第三章 遗传物质的基础 2 第二章 微生物细胞的结构与分裂 2第一章 微生物育种学绪论 学时内容 第十章微生物的分类和鉴定 2 参考书: 1. 微生物学教程（第二版），周德庆编著，高教出版社，2002年 2. 微生物遗传育种学，诸葛健 李华钟 王正祥主编，化学工业出 版社，2009 3. 分子生物学（第二版，影印本），Turner PC, McLennan AG, et al. 科学出版社，2000 4. 微生物遗传学（第三版），盛祖嘉，科学出版社，2007 5. 微生物学（第二版），诸葛健，李华钟，科学出版社，2009 教材与参考书 教材: 工业微生物遗传育种（第三版），施巧琴，吴松刚，科学出版 社，2009 第一章 绪论 主要内容： 工业微生物育种在发酵工业中的地位 工业微生物育种的进展 工业微生物育种的方法 第一节 工业微生物育种在发酵工业中的地位 现代发酵工业迅猛发展的原因： 发酵工艺改进和发酵设备更新； 进行菌种的选育及其改良，为发酵工艺提供了人类需要的各 种类型的突变菌株 使抗生素、酶制剂、氨基酸、有机 酸、维生素、核苷酸、激素、生物碱、不饱和脂肪酸以及其 他生物活性物质等产品的产量成倍甚至成千倍地增长，同时 产品的质量也不断提高。 工业微生物育种的重要意义 提高发酵工业产品的产量和质量 开发利用微生物资源，增加发酵工业产品的 品种 工业微生物菌种的筛选 理想的工业发酵菌种必须具有下述特性: 1.纯培养物; 2.遗传性状稳定; 3.生长速度快; 4.能利用廉价、来源广 、成分简单的培养基； 5.忍耐不良环境能力强; 6.快速生产目的产物. 是工业微生物技术 的关键和基础. 学习本课程的目的 微生物菌种的获得 微生物的自然分布 土壤中的大量微生物已成为分离各种抗生素、生 理活性物质、酶和氨基酸产生菌的主要来源。 微生物菌种获得的途径 菌种的来源 工业微生物的直接来源 向菌种保藏机构索取有关的菌株 微生物菌种分离筛选过程 （一）微生物样品的采集： 1.土壤采样:土壤有机质含量和通气状况 ;土壤的纵剖面;土壤pH;表面的植被;地 理条件;季节条件. 2.根据微生物生理特点采样 微生物的营养需求和代谢类型与其生 长的环境有很大相关性; 具有特殊性质的微生物的筛选; 海洋微生物能够产生不同于陆地来源 的特殊代谢物. (二)富集培养 概念: 控制因素: （三）分离纯化： 1.好氧微生物的分离纯化 常规的分离方法 平皿反应快速检出法:透明圈法;变色圈法;生长圈法;抑菌圈法 2. 厌氧微生物的分离纯化 (四)菌种筛选、性能评价及菌种的初步鉴定 酪素培养基 淀粉培养基 第二节 工业微生物育种的进展 遗传和变异是生物界生命活动的基本属性之一。 工业微生物育种，无论从自然变异中选择或是人工 诱变的选择，都是建立在遗传和变异的基础上。 没有变异，生物界就失去进化的素材； 没有遗传，变异也无法积累。 没有变异，就没有选择的素材； 没有遗传，选到的优良性状，也不能进行培育。 同样，对于优良菌株的选育， 工业微生物育种学是建立在微生物遗传学 基础上，两者相辅相成。 微生物本身，在漫长的进化过程中，达到适合于它的生存和 繁衍的水平。野生型微生物经自然选择，能适应它的周围环 境，能适应同其他物种的竞争，但却不能按人的意志生产人 们需要的物质。 因此，从人类的利益出发，须对工业微生物菌种进行改良， 使之产生数量远远超出微生物本身需要的物质，或者不是它 正常产生的新物质。 对工业微生物菌种进行有目的的改良，是在有关微生物遗传 学知识被人们了解并掌握之后才成为可能的。同时，这种改 良涉及多学科领域。 诱变育种技术的诞生与发展 微生物遗传学诞生；诱发突变技术；抗生素和氨基酸等工 业发展需要 自然选育 人工诱变选育 抗生素生产，特异青霉表层培养只有12U/ml 分离出产黄青霉同时伴以沉没培养成功，达到20U/ml 经过四十多年的诱变育种，到目前已达60 000U/ml以上 （比原 始菌株的产量提高了上千倍。） 如: 其他抗生素品种如链霉素、土霉素、四环素、红霉素及灰 黄霉素等，都由原来的几十单位提高到目前的几万单位。 1981年，吴松刚教授从我国土壤中分离出灰黄霉素野生型 菌株4541，经耐前体抗性选育，获得D-756变株。短短6年， 发酵单位提高60倍以上，跃居世界领先水平。都由原来的几 十单位提高到目前的几万单位。 又如，代谢控制育种以20世纪50年代末谷氨酸发酵取得成 功使发酵工业进入第三转折期代谢控制发酵时期， 并在其后的年代里得到飞跃的发展。 活力在于以诱变育种为基础 ，获得各种解除或绕过了微 生物正常代谢途径的突变株 从而人为地使有用产物选择性地大量生成积累，并且在有控 制的条件下培养，大量地生产这种有用产物 重组育种技术的诞生与发展 除产生诱变剂“疲劳效应”外，还会引起菌种生长周期 的延长、代谢减慢等，这对发酵工艺的控制是不利的 。 菌株长期使用诱变剂处理之后 杂交育种可以作为育种的另一手段，其成功不仅表现 在种内杂交上，而且在种间杂交以至属间杂交都取得 令人满意的结果。 杂交的目的： 把不同菌株的优良经济性状集中于重组体中，克服长期用诱变剂 处理造成的上述缺陷，同时杂交还是增加产品新品种的手段之一 。 从发酵工业微生物育种史，可以看到经典的诱变育种是最主 要的育种手段，也是最基础的育种手段，但是它具有一定的 盲目性。代谢控制育种的崛起标志着发展到理性阶段，导致 了氨基酸、核苷酸及某些次级代谢产物的高产菌株大批地投 入生产。 代谢控制育种作为工业微生物育种最为活跃的领域而得到广泛 的应用，它与控制的杂交育种汇合在一起，反映了当代工业微 生物育种的主要趋势。 重组DNA技术的诞生与发展 近年来，基因工程在工业微生物菌种选育中的应用得到迅猛发 展。世界上以基因工程方法创造的各种工程菌不计其数。 实现了人为的菌种选育，一切可以按照人们事先设计和控制的 方法进行育种，是一种最新的最先进的育种技术。 基因工程育种 以微生物为出发菌株利用基因工程方法进行改造而获得的 工程菌，或者是将微生物甲的某些基因导入微生物乙中， 使后者具有前者的某些性状或表达前者的基因产物而获得 的新菌种。 通过基因工程的方法提高菌株生产能力已获得包括氨基 酸类（苏氨酸、精氨酸、蛋氨酸、脯氨酸、组氨酸、色氨酸 、苯丙氨酸、赖氨酸、缬氨酸等）、工业用酶制剂（脂肪酶 、纤维素酶、乙酰乳酸脱羧酶及淀粉酶等）以及头孢菌素C的 工程菌，都大幅度提高了生产能力； 通过基因工程的方法生产药物已获得包括治疗用的药物 、疫苗、单克隆抗体及诊断试剂等几十种批准上市的品种； 基因工程菌的构建和应用，已在多方面显示出其巨大的生命力 。 以上诸多类型的基因工程菌的构建，使工业微生物育种突 破了传统、经典的育种模式，在工业微生物育种中展示了 极为光明的前景。 通过基因工程的方法提高菌种抗性构建包括活性干酵母 和酵母工程菌，抗噬菌体谷氨酸工程菌以及利用工程菌处理 工业废料和废水等。 通过基因工程的方法改造传统发酵工艺如氧传递有关的 血红蛋白基因克隆到远青链霉菌，降低了对氧的敏感性，在 通气不足时，其目的产物放线红菌素产量可提高4倍； 微生物遗传育种技术简介 一、诱变育种