第一章微生物育种绪论

1、e-mail: e-mail: qqqq号号: 531453557: 531453557tel:el:生物育种学课程编号：课程编号：1210067012100670课程名称：微生物育种学课程名称：微生物育种学课程类型：专业选修课课程类型：专业选修课总总 学学 时：时：3232学时学时 讲课学时：讲课学时：3232学时学时 学学 分：分：2 2学分学分先修课程：微生物学、细胞生物学、生物化学先修课程：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，是决定工业微生物育种选育在发

2、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。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，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、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

3、成千倍地增长，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。同时产品的质量也不断提高。因此，工业微生物育种对于提因此，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。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。要物育种技术的遗传学原理与相关方

4、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。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。域更高层次人才培养打好基础。二、课程有关说明二、课程有关说明 1 1课程简介：微生物育种学以

5、微生物遗传学为理论基础，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，手段实现基因转移和重组，构建出高产目的菌，是一门专业是一门专业性、实践性很强的实验科学。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，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、对育种出发菌

6、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。保藏和工业菌种与基因专利保护予以介绍。2 2先期知识与能力准备：学习此课程以前，学生需已经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。掌握了细胞生物学、生物化学与微生物学等课程。 3 3考核评分方式：闭卷笔试。考核评分方式：闭卷笔试。 4 4考核评分方式：闭卷笔试。

7、本课程为考查课，按百分制考核评分方式：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：期末考试成绩占绩评定：期末考试成绩占70%70%，平时成绩（含课堂提问、到，平时成绩（含课堂提问、到课率、作业等）占课率、作业等）占30%30%。 理论教学安排与学时分配（共理论教学安排与学时分配（共3232学时）学时）6 6第九章第九章 工业微生物杂交育种工业微生物杂交育种 6 6第八章第八章 工业微生物代谢调控育种工业微生物代谢调控育种 6 6第七章第七章 工业微生物诱变育种工业微生物诱变育种 2 2第六章第

8、六章 工工业微生物产生菌的分离筛选业微生物产生菌的分离筛选 2 2第五章第五章 工业微生物育种诱变剂工业微生物育种诱变剂 2 2第四章第四章 基因突变基因突变 2 2第三章第三章 遗传物质的基础遗传物质的基础 2 2第二章第二章 微生物细胞的结构与分裂微生物细胞的结构与分裂 2 2第一章第一章 微生物育种学绪论微生物育种学绪论学时学时内容内容第十章第十章微生物的分类和鉴定微生物的分类和鉴定 2 2参考书参考书: :1. 微生物学教程（第二版），周德庆编著，高教出版社，微生物学教程（第二版），周德庆编著，高教出版社，2002年年2. 微生物遗传育种学，诸葛健微生物遗传育种学，诸葛健 李华钟李华钟

9、 王正祥主编，化学工业出王正祥主编，化学工业出版社，版社，20093. 分子生物学（第二版，影印本），分子生物学（第二版，影印本），turner pc, mclennan ag, et al. 科学出版社，科学出版社，20004. 微生物遗传学（第三版），盛祖嘉，科学出版社，微生物遗传学（第三版），盛祖嘉，科学出版社，20075. 微生物学（第二版），诸葛健，李华钟，科学出版社，微生物学（第二版），诸葛健，李华钟，科学出版社，2009 教材与参考书教材与参考书教材教材: :工业微生物遗传育种（第三版），施巧琴，吴松刚，科学出版工业微生物遗传育种（第三版），施巧琴，吴松刚，科学出版社，社，200

10、9 第一章 绪论主要内容：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 第一节第一节 工业微生物育种在发酵工业中的地位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：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；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各种类型的突变菌株 使抗生素、酶制剂、氨基酸、使抗生素、酶制剂、氨基酸、有机酸、维生素、核苷酸、激素、生物碱、不饱和脂肪酸以有机酸、维生素、核苷酸、激素、生物碱、不饱和脂肪酸以

11、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，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。同时产品的质量也不断提高。工业微生物育种的重要意义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，增加发酵工业产品开发利用微生物资源，增加发酵工业产品的品种的品种工业微生物菌种的筛选工业微生物菌种的筛选理想的工业发酵理想的工业发酵菌种菌种必须具有下述必须具有下述特性特性: :1.1.纯培养物纯培养物; ;2.2.遗传性状稳定遗传性状稳定; ;3.3.生长速度快生长速度快; ;4.4.能利用廉价、来源广、能利用廉价、

12、来源广、成分简单的培养基；成分简单的培养基；5.5.忍耐不良环境能力强忍耐不良环境能力强; ;6.6.快速生产目的产物快速生产目的产物. .是工业微生物技术是工业微生物技术的关键和基础的关键和基础. .学习本课程的目的学习本课程的目的 微生物菌种的获得微生物菌种的获得 微生物的自然分布微生物的自然分布 土壤土壤中的大量微生物已成为中的大量微生物已成为分离各种抗生素、生分离各种抗生素、生理活性物质、酶和氨基酸产生菌的主要来源。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微生物菌种获得的途径菌种的来源菌种的来源工业微生物的直接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向

13、菌种保藏机构索取有关的菌株微生物菌种分离筛选过程微生物菌种分离筛选过程（一）微生物样品的采集：（一）微生物样品的采集：1.1.土壤采样土壤采样: :土壤有机质含量和通气状土壤有机质含量和通气状况况; ;土壤的纵剖面土壤的纵剖面; ;土壤土壤ph;ph;表面的植被表面的植被; ;地理条件地理条件; ;季节条件季节条件. .2.2.根据微生物生理特点采样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长的环境有很大相关性; ; 具有特殊性质的微生物的筛选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海洋微生物能够产生不

14、同于陆地来源的特殊代谢物的特殊代谢物. .( (二二) )富集培养富集培养概念概念: :控制因素控制因素: :（三）分离纯化：（三）分离纯化：1.1.好氧微生物的分离纯化好氧微生物的分离纯化 常规的分离方法常规的分离方法 平皿反应快速检出法平皿反应快速检出法: :透明圈法透明圈法; ;变色圈法变色圈法; ;生长圈法生长圈法; ;抑菌圈法抑菌圈法2.2. 厌氧微生物的分离纯化厌氧微生物的分离纯化( (四四) )菌种筛选、性能评价及菌种的初步鉴定菌种筛选、性能评价及菌种的初步鉴定酪素培养基酪素培养基淀粉培养基淀粉培养基第二节第二节 工业微生物育种的进展工业微生物育种的进展遗传和变异是生物界生命活动

15、的基本属性之一。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，都是诱变的选择，都是建立在遗传和变异的基础上。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。没有遗传，变异也无法积累。没有变异，就没有选择的素材；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。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，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工业微生物育种学是建立

16、在微生物遗传学基础上，两者相辅相成。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。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，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，或者不是它使之产生数量远远超出微生物本身需要的物质，或者

17、不是它正常产生的新物质。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。良涉及多学科领域。诱变育种技术的诞生与发展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业发展需要 自然选育自然选育 人工诱变选育人工诱变选育 抗生素生产，抗生素生产，特异青霉特异青霉表层培养只有表层培养只有1 12u/ml 2u/ml 分离

18、出分离出产黄青霉产黄青霉同时伴以沉没培养成功，达到同时伴以沉没培养成功，达到20u/ml 20u/ml 经过四十多年的经过四十多年的诱变育种诱变育种，到目前已达，到目前已达60 000u/ml60 000u/ml以上以上 （比原（比原始菌株的产量提高了上千倍。）始菌株的产量提高了上千倍。）如如: 其他抗生素品种如链霉素、土霉素、四环素、红霉素及灰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。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年，吴松刚教授从我国土壤中分离出灰黄霉素野生型

19、菌株菌株4541，经耐前体抗性选育，获得，经耐前体抗性选育，获得d-756变株。短短变株。短短6年，年，发酵单位提高发酵单位提高60倍以上，跃居世界领先水平。都由原来的几倍以上，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。十单位提高到目前的几万单位。又如，代谢控制育种以又如，代谢控制育种以2020世纪世纪5050年代末谷氨酸发酵取得成年代末谷氨酸发酵取得成功使发酵工业进入第三转折期功使发酵工业进入第三转折期代谢控制发酵时期，代谢控制发酵时期，并在其后的年代里得到飞跃的发展。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，活力在于以诱变育种为基础，获得各种解除或绕过了微

20、生获得各种解除或绕过了微生物正常代谢途径的突变株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重组育种技术的诞生与发展 除产生诱变剂除产生诱变剂“疲劳效应疲劳效应”外，还会引起菌种生长周外，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期的延长、代谢减慢等，这对发酵工艺的控制是不利的。的。菌株长期使用诱变剂处理之后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，其成功不仅表现杂交育种可以

21、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。令人满意的结果。杂交的目的：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。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，要的育种手段，也是最基础的育种手段，但是它具有一定

22、的但是它具有一定的盲目性。盲目性。代谢控制育种的崛起标志着发展到理性阶段，导致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。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。生物育种的主要趋势。 重组重组dnadna技术的诞生与发展技术的诞生与发展 近年来，基因工程在工业微生物菌种选育中的应用得

23、到迅猛发近年来，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。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。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，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

24、些性状或表达前者的基因产物而获得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。的新菌种。通过基因工程的方法提高菌株生产能力通过基因工程的方法提高菌株生产能力已获得包括氨基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、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、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）以及头孢菌素纤维素酶、乙酰乳酸脱羧酶及淀粉酶等）以及头孢菌素c c的的工程菌，都大幅度提高了生产能力；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通过基因工程的方法生产药物已获得包括治疗用的药物、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；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。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