《微生物遗传与育种》PPT课件.ppt

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1、 微生物遗传与育种微生物遗传与育种教教 师：向文良师：向文良 单单 位：生物工程系位：生物工程系办公地点：古法酿造（发酵）生物研究所（办公地点：古法酿造（发酵）生物研究所（5D414）E-mail：QQ:809408651 目的目的：了解微生物遗传学的基本知识，掌握各种遗传：了解微生物遗传学的基本知识，掌握各种遗传育种技术的原理、育种路线、育种方法，育种技术的原理、育种路线、育种方法，课程性质课程性质：选修：选修 学时：学时：30理论理论10实验实验教材及参考资料推荐教材：推荐教材：参考教材：参考教材：第一章 绪 论教学内容：教学内容：为什么要进行微生物育种？为什么要进行微生物育种？微生物育种

2、技术研究进展如何？微生物育种技术研究进展如何？常见的育种方法有那些？常见的育种方法有那些？一、为什么要进行微生物育种？一、为什么要进行微生物育种？1 微生物遗传育种在微生物工程中占有重要的地位，是微生物遗传育种在微生物工程中占有重要的地位，是决定微生物制剂是否具有工业化价值及发酵过程成败决定微生物制剂是否具有工业化价值及发酵过程成败与否的关键。与否的关键。生物质原料生物质原料&非生物质原料非生物质原料活性催化剂活性催化剂&无机催化剂无机催化剂生物制品生物制品生物制品生产的一般过程：生物制品生产的一般过程：活性催化剂：主要包括活性催化剂（如酶）和活体催活性催化剂：主要包括活性催化剂（如酶）和活体

3、催化剂。化剂。活活体体生生物物催催化化剂剂生物技术在生物技术在2121世纪将成为带世纪将成为带动人类社会经济发展的关键动人类社会经济发展的关键技术。其中技术。其中微生物生物技术微生物生物技术一直处于生物技术的领先地一直处于生物技术的领先地位。位。微生物技术以往多用微生物技术以往多用发酵技术发酵技术一词来描述。一词来描述。现代发酵工业（微生物工程）之所以如此迅猛发展，现代发酵工业（微生物工程）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，更重要的是除了发酵工艺改进和发酵设备更新之外，更重要的是由于进行了由于进行了菌种的选育及其改良菌种的选育及其改良，为发酵工艺提供了，为发酵工艺提供了人

4、类需要的各种类型的突变菌株，从而使微生物制品人类需要的各种类型的突变菌株，从而使微生物制品的产量成倍甚至成千倍地增长，同时产品的质量也不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。断提高。空气空气空气净化处理空气净化处理保藏菌种保藏菌种斜面活化斜面活化扩大培养扩大培养种子罐种子罐主发酵主发酵碳源、氮源、无机盐等碳源、氮源、无机盐等营养物质营养物质灭菌灭菌产物分离纯化产物分离纯化成品成品菌种筛选菌种筛选菌种选育菌种选育微微生生物物制制剂剂生生产产的的一一般般工工艺艺流流程程因此，工业微生物育种对于提高发酵工业产品的产量因此，工业微生物育种对于提高发酵工业产品的产量和质量，进一步开发利用

5、微生物资源，增加发酵工业和质量，进一步开发利用微生物资源，增加发酵工业产品的品种，具有重大意义。产品的品种，具有重大意义。2 菌种是发酵工业的关键和灵魂菌种是发酵工业的关键和灵魂微生物发酵工程是利用微生物生长微生物发酵工程是利用微生物生长,摄取原料的养分摄取原料的养分,通过体内的酶系通过体内的酶系,经过代谢活动复杂的化学反应经过代谢活动复杂的化学反应,产生产生对人类有用的各种代谢产物对人类有用的各种代谢产物,因此菌种是发酵的关键因此菌种是发酵的关键因素和灵魂。因素和灵魂。野生型菌株经过长期的自然选择和进化，达到了适合野生型菌株经过长期的自然选择和进化，达到了适合其生存和繁殖的要求。其生存和繁殖

6、的要求。现代发酵工业需要其代谢产物，因此需要的是一些现代发酵工业需要其代谢产物，因此需要的是一些“畸形畸形”的微生物。的微生物。微生物细胞机器的工作模式微生物细胞机器的工作模式Working pattern of cell-machine in Industrial FermentationN NP PP P进进出出通通节节堵堵菌种选育和工艺控制的菌种选育和工艺控制的“五字策略五字策略”生产菌种应该具备的基本特性：生产菌种应该具备的基本特性：生产菌种应具有在较短的发酵周期内产生大量发酵生产菌种应具有在较短的发酵周期内产生大量发酵产物的能力。产物的能力。在发酵过程中不产生或少产生与目标产品性质相

7、近在发酵过程中不产生或少产生与目标产品性质相近的副产物及其他产物。的副产物及其他产物。生长繁殖能力强，有较强的生长速率，产生孢子的生长繁殖能力强，有较强的生长速率，产生孢子的菌种应该具有较强的产孢子能力。菌种应该具有较强的产孢子能力。能够高效地将原料转化为产品。能够高效地将原料转化为产品。有利用广泛来源原材料的能力，并对发酵原料成分有利用广泛来源原材料的能力，并对发酵原料成分的波动敏感性较小。的波动敏感性较小。对需要添加的前体物质有耐受能力，并且不能将这对需要添加的前体物质有耐受能力，并且不能将这些前体物质作为一般碳源利用。些前体物质作为一般碳源利用。遗传特性稳定泡沫要少。遗传特性稳定泡沫要少

8、。具有抗噬菌体感染具有抗噬菌体感染因此，野生型菌株要满足工因此，野生型菌株要满足工业生产需求需要进行选育。业生产需求需要进行选育。N NP PP P进进出出通通节节堵堵菌种选育和工艺控制的菌种选育和工艺控制的“五字策略五字策略”二、育种技术研究进展二、育种技术研究进展对工业微生物菌种的优化选育是提高产品产量和质量对工业微生物菌种的优化选育是提高产品产量和质量的一条有效途径。的一条有效途径。传统育种：传统育种：以突变和筛选为中心的传统育种技术在工业微以突变和筛选为中心的传统育种技术在工业微生物发展到现在规模的过程中始终起着重要作用。生物发展到现在规模的过程中始终起着重要作用。分子育种：分子育种：

9、重组技术和原生质体融合技术开始用于菌种选重组技术和原生质体融合技术开始用于菌种选育。各种外源基因在原核生物、真核细胞的克隆和表达研育。各种外源基因在原核生物、真核细胞的克隆和表达研究取得了重大成果。究取得了重大成果。工业微生物育种技术，经历如下阶段：工业微生物育种技术，经历如下阶段：-自然选育自然选育（微生物的自然突变进行菌种选育的过程称为自然选育（spontaneous mutation）微生物纯种培养技术建立为育种提供了材料，开始了微生微生物纯种培养技术建立为育种提供了材料，开始了微生物纯种的自然选育，对工业微生物育种有很大的影响。物纯种的自然选育，对工业微生物育种有很大的影响。1857年

10、，年，Louis Pasteur证明酒精发酵是证明酒精发酵是由活酵母引起的。提出了著名的发酵理由活酵母引起的。提出了著名的发酵理论：论：“一切发酵过程都是微生物作用的一切发酵过程都是微生物作用的结果结果”巴斯德认为，酿酒是发酵，是微生物在巴斯德认为，酿酒是发酵，是微生物在起作用；酒变质也是发酵，是另一类微起作用；酒变质也是发酵，是另一类微生物在作祟；生物在作祟；Robert KochRobert Koch首首先先发发明明固固体体培培养养基基用用于于纯纯培培养养，建建立立了了微微生生物物的的纯纯培培养养技技术术。为为获获得得纯纯种种微微生生物物提提供供了了技技术术支支撑撑。-20世纪世纪40年代

11、初开始人工诱变育种年代初开始人工诱变育种 诱变育种是以人工诱变基因突变为基础的，过去是工业微诱变育种是以人工诱变基因突变为基础的，过去是工业微生物育种的主要方法，至今仍是世界各国行之有效的重要生物育种的主要方法，至今仍是世界各国行之有效的重要方法，尤其发酵上业中的各种优良高产菌株绝大部分都足方法，尤其发酵上业中的各种优良高产菌株绝大部分都足以诱变育种人法获得的。以诱变育种人法获得的。20世纪世纪40年代初，年代初，beadle和和Tatum采用采用X射线和紫外线等辐射线和紫外线等辐射因子来诱变红色面包霉等，获得了各种代谢障碍的变株，射因子来诱变红色面包霉等，获得了各种代谢障碍的变株，并于并于1

12、941年提出年提出“一个基因一种酶一个基因一种酶”的学说，阐述基因与的学说，阐述基因与酶功能的直接关系，使遗传学从细胞水平发展到分子水平，酶功能的直接关系，使遗传学从细胞水平发展到分子水平，促工业微生物育种技术发展促工业微生物育种技术发展。-杂交育种杂交育种 杂文育种的最主要目的在于把不同菌株的优良经济化状集杂文育种的最主要目的在于把不同菌株的优良经济化状集中于重组体中。克服长期用诱变剂处理造成的上述缺陷；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。同时杂交还是增加产品新品种的手段之一。杂交育种可以作为育种的另一手段，其成功不仅表现在种杂交育种可以作

13、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届间杂交都取得令人满意内杂交上，而且在种间杂交以至届间杂交都取得令人满意的结果。的结果。侧耳属的两个种（侧耳属的两个种（Pleurotus ostreatus和和 P.djamor ）的杂交育种的杂交育种A和和B分别为分别为Pleurotus ostreatus的子的子实体和孢子印；实体和孢子印；C和和D分别为分别为Pleurotus djamor的子的子实体和孢子印。实体和孢子印。E和和F分别为融合子分别为融合子4的子实体和孢的子实体和孢子印；子印；G和和H分别为融合子分别为融合子5的子实体和的子实体和孢子印孢子印ABCDEFG

14、H实验结果自四川省农业科学院邱敦莲博士实验结果自四川省农业科学院邱敦莲博士-代谢控制育种代谢控制育种 代谢控制育种以代谢控制育种以20世纪世纪50年代末谷氨酸发酵取得成功使发年代末谷氨酸发酵取得成功使发酵工业进入第三个转折期酵工业进入第三个转折期代谢控制发酵时期，并在具代谢控制发酵时期，并在具后的年代用得到飞跃的发展。后的年代用得到飞跃的发展。代谢控制育种获得各种解除或绕过了微生物正常代谢途径代谢控制育种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的大量生成积累，的突变株，从而人为地使有用产物选择性的大量生成积累，并在有控制的条件下培养，大量地生产这种有用产物。并

15、在有控制的条件下培养，大量地生产这种有用产物。其其要害是打破微生物调节机制这一灭然屏障。要害是打破微生物调节机制这一灭然屏障。N NP PP P进进出出通通节节堵堵菌种选育和工艺控制的菌种选育和工艺控制的“五字策略五字策略”微生物细胞内物质代谢图微生物细胞内物质代谢图微生物的物质代谢途径微生物的物质代谢途径图及代谢控制育种策略图及代谢控制育种策略图图-基因工程育种基因工程育种 打破了生物种间障碍，能定向地制造出新的有用的微生物。打破了生物种间障碍，能定向地制造出新的有用的微生物。增加微生物体内控制代谢产物产量的基因拷贝数，大幅度地提增加微生物体内控制代谢产物产量的基因拷贝数，大幅度地提高目标产

16、物的产量。高目标产物的产量。将动、植物或某些微生物特有产物的控制基因植入细胞中，快将动、植物或某些微生物特有产物的控制基因植入细胞中，快速经济地大量生产这些产物。速经济地大量生产这些产物。将具有不同性能的多种质粒植入，使新菌株在清除污染或以非将具有不同性能的多种质粒植入，使新菌株在清除污染或以非粮食物质为原料进行发酵生产或环境保护粮食物质为原料进行发酵生产或环境保护 1953年，美国的年，美国的Watson和和 Crick发现了发现了 DNA双螺旋双螺旋结构结构形状的物质基础。形状的物质基础。1973年，年，Herber和和Stanley Cohen将将两个质粒用两个质粒用EcoR I酶切后，

17、在连接酶切后，在连接酶存在条件下连接起来，获得了具酶存在条件下连接起来，获得了具有两个复制起始位点的杂合质粒，有两个复制起始位点的杂合质粒，并转化化大肠杆菌。并转化化大肠杆菌。1987年，年，PCR技术发明极大的推动了微生物基因育技术发明极大的推动了微生物基因育种技术的发展。基因工程菌的构建和应用，已在多方种技术的发展。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。面显示出其巨大的生命力。近年来，基因工程在工业微生物近年来，基因工程在工业微生物 菌种选育小的应用得到迅猛发展。菌种选育小的应用得到迅猛发展。世界上以基因工程方法创造的各世界上以基因工程方法创造的各 种工程菌不计其数。种工

18、程菌不计其数。Kary B.Mullis(1944-)通过场因工程的方法通过场因工程的方法生产的药物生产的药物已获得包括治疗用药已获得包括治疗用药物、疫苗、单克隆抗体及诊断试剂等几十种批准上市的品物、疫苗、单克隆抗体及诊断试剂等几十种批准上市的品种。种。通过基因工程方法通过基因工程方法提高菌株生产能力提高菌株生产能力已获得包括氨苯已获得包括氨苯酸类酸类(苏氦酸、精氨酸、虽氨酸、脯氨酸、组氨酸、色氨苏氦酸、精氨酸、虽氨酸、脯氨酸、组氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、赖氦酸、绩氨酸等酸、苯丙氨酸、赖氦酸、绩氨酸等)、工业用酶制剂、工业用酶制剂(脂肪脂肪酶、纤维累酶、乙酰乳酸脱按酶从淀粉酶等酶、纤维累酶、乙酰

19、乳酸脱按酶从淀粉酶等)以及头抱菌以及头抱菌素素C的工程菌，都大幅度提高了生产能力；的工程菌，都大幅度提高了生产能力；通过基因工程力法改造传统发酵工艺通过基因工程力法改造传统发酵工艺如氧传递有关的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，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在通气不足时，其目的产物放线红菌素产量可提高4倍；倍；同样对头抱留素同样对头抱留素C产生菌也获得工程菌，取得了相同的效产生菌也获得工程菌，取得了相同的效果；果；通过基因工程方法提高菌种抗性通过基因工程方法提高菌种抗性构建包括活性干酵母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。理工业废料和废水等。三、常见的育种方法三、常见的育种方法诱变育种诱变育种代谢控制育种代谢控制育种基因重组育种基因重组育种基因工程育种基因工程育种