我国微生物航天诱变育种的应用及研究进展

马 成，马伟超，安建平，李师翁

（1.兰州交通大学化学与生物工程学院，甘肃 兰州 730070；2.天水师范学院生命科学与化学学院，甘肃 天水 741001）

随着当今科学技术的发展，人类对地面、海洋、大气空间的研究认识越来越深入，科研人员找到了新的研究领域——宇宙空间。自从1957年第一颗人造地球卫星发射成功以来，科研人员就着想如何研究太空环境并且开发太空资源为人类造福。尤其是近些年来，航空航天技术发展迅猛，其在生物材料中的应用已成为人类日常生活中的重要组成部分，例如太空诱变蔬菜等太空产品已经推广到普通大众的消费中，并且开始大规模产业化生产。

利用返回式卫星或宇宙飞船将生物材料搭载到宇宙空间，利用太空的特殊环境对生物材料进行诱变，再返回地面，进而选育新材料、培育新品种的生物育种技术称作航天诱变育种或空间诱变育种、太空育种。太空环境的特有条件有可能引起生物体发生遗传性变异，这些特有条件包括超高真空、超洁净、微重力、强辐射，并且与地面条件有很大差异，另外，还有强烈的紫外线照射等[1]。太空环境是太空科学研究的一个特殊的重要领域。突变频率高、突变谱广、变异幅度大是空间变异最大的特点，并且突变后的变异性状稳定，从而使育种周期缩短、生物安全性提高。1957～1988年已经进行空间生命科学研究的卫星有109个，几乎每次都搭载微生物材料。近些年微生物航天诱变的研究进展迅速，已涉及微生物形态学、细胞学、生理生化和分子生物学等诸多领域[2]。

1 微生物航天诱变育种的作用机制

太空环境的特征包括微重力、超真空、空间辐射等，一般认为微重力和太空辐射是微生物航天育种的主要诱变因素。

1.1 太空辐射对微生物的影响

太空中存在着能穿透飞行舱的各种高能粒子。搭载的材料被各种高能粒子击中后，可能引起生物遗传物质DNA的断裂或者损伤。若损伤不能及时修复，便会导致生物体产生可遗传的变异，其作用机理类似常规辐射[3]。辐射可使DNA产生多种类型的损伤，包括碱基变化（如脱氨基）、碱基缺失、碱基脱落、氢键断裂、单键断裂、双键断裂、双螺旋内部的交联或与其他DNA分子的交联以及与蛋白质的交联等，并且由辐射造成的DNA链断裂可以造成染色体结构的变化[4-5]。George等[6]发现，空间辐射可使染色体异常增加并使细胞有丝分裂延迟，从而诱产生突变，说明空间辐射可使染色体发生变化。Horneck等[7]以Bacillus subtilis为材料，发现受宇宙强紫外线辐射，孢子的存活率降低，原因是孢子的DNA链断裂，致使突变发生。Hahn等[8]将真菌（Sordariamacrospora Auersw）搭载在STS-81卫星上进行太空诱变，从数据的统计分析看出，由空间高能重粒子（HZE）引起的突变重组率显著提高。Nelson等[9-10]将线虫在微重力下进行单独的HZE辐射，在一套由350个必要基因组成的unc-22结构基因模型中进行诱变实验，其结果显示实验组的诱变率较对照组提高了8倍，表明HZE辐射可以显著地提高菌株的突变率。

1.2 微重力对微生物的影响

在太空环境中的重力仅仅为地球的百万分之一到十万分之一，重力是影响微生物生长的主要因素之一，也是产生突变的重要原因[11]。太空微重力对微生物的诱变率和修复作用虽然不产生直接的影响，但微重力的存在会促进诱变的发生，使得微生物受太空辐射的影响加深[10]。Takahashi等[12]分析了太空环境中微重力对Escherichia coli和Saccharomyces cerevisiae的作用效果，结果表明两种菌株经过太空搭载飞行后，其遗传物质DNA均出现不同程度的突变和SOS效应，暗示微重力诱发了菌株变异及SOS效应的产生。Pross等[13]提出了一个空间试验的设计方案来分析微重力环境对受辐射的DNA链断裂修复的影响，结果表明在微重力条件下，可提高微生物的辐射变异率，微重力环境可能阻延或抑制DNA断裂的修复，干扰DNA损伤修复系统的正常运作。2004年印红等[14]分析了航天诱变后红曲霉突变株的染色体DNA随机扩增多态性，结果表明突变株的基因组DNA中碱基序列5’-GTTGC-GATCC-3’所在位置的碱基出现了变异，由此证实太空条件可显著地提高微生物中某些基因的突变频率，航天搭载可成为获得微生物优良菌株的有效新途径。2008年河北大学陈继红等[15]通过“实践8号”育种卫星搭载了刺糖多孢菌SP1，筛选得到2株高产多杀菌素且遗传性状相对稳定的菌株HY463和HY466，说明太空环境的微重力等诱变条件能使刺糖多孢菌的遗传物质发生较大改变。

微生物的航天诱变是太空中诸多因素综合作用的结果，空间辐射和微重力在这些因素的基础上引起遗传物质的结构发生改变进而产生变异。

2 微生物航天诱变育种的研究进展

2.1 微生物航天诱变产次级代谢产物

2003年印红、谢申义等[16]利用“神舟3号”返回式飞船搭载了红曲霉菌，搭载后样品经分离得到484株红曲霉菌，发现有233株菌的洛伐他汀产量高于对照菌株。研究发现搭载后的菌体生长状态出现多种变化，分离到的株菌在同样培养条件下表现出不同的生长速度，其菌丝数量、菌丝长度、菌体颜色也出现了不同程度的变化，经变异稳定性实验及显著性分析显示，其中11株与对照菌株差异显著，诱变结果中高产突变率为2.3%。这说明航天诱变能选育出具有显著差异的突变株。2005年方晓梅等[17]将弗氏链霉菌（streptomycesfradiae）9940S+-86连续经“神舟”1、3、4号飞船搭载进行太空诱变选育，筛选得到48株菌的效价高于出发菌株，泰乐菌素总效价最高达到14 950μg/mL，较出发菌株提高91.5%，菌株的形态发生明显变化，研究表明航天诱变获得突变菌株其产量与形态变异有关。陈继红等[15]的研究表明，筛选的菌株HY463、HY466，其多杀菌素总效价分别达到147.51 μg/mL和95.33μg/mL，较出发菌株分别提高了288%和151%。有研究表明，太空诱变与UV、60Co、亚硝基肌[18-20]等其他诱变方法相比，能使刺糖多孢菌产多杀菌素的能力得到较大地提高，可以成为选育多杀菌素高产菌株的有效方法。2008年湖南农业大学侯艳梅等[21]采用太空诱变选育利用木糖生产L-乳糖的高产菌株，得到1株正向突变菌株Lts，L-乳糖产量较出发菌株提高约12.0%，经过遗传稳定性试验，该菌株随传代次数的增多L-乳酸产量基本不变，表明航天诱变获得的高产突变菌株产L-乳酸的性状稳定。2010年清华大学蒋培霞等[22-23]利用太空搭载对合成紫色杆菌素的弗氏柠檬酸杆菌（Citrobacter freundii）基因工程菌株进行了太空诱变，筛选得到1株紫色杆菌素高产菌株Ms4，其紫色杆菌素浓度较出发菌株提高约143.8%，是目前国际上已报道的摇瓶最高产量的4.88倍，说明航天诱变能有效选育出紫色杆菌素合成能力高、遗传稳定性较好的突变菌株。2011年中国科学院荆士华等[24]对Vc一步发酵菌生黑醋酸杆菌进行航天搭载诱变，获得1株高效菌G454，可缩短发酵周期10%，提高山梨醇产率7.68%，具有高醇浓发酵的潜力，说明航天诱变可以筛选出性状更优良且能带来巨大经济效益的突变菌株。2011年周方方等[25]利用太空搭载对可产生胞外多糖（EPS）的干酪乳杆菌LC2W进行了太空诱变，得到3株产EPS能力提高幅度大，并且遗传稳定的菌株LC2W-1、LC2W-2、LC2W-3，其中LC2W-1产量最高，经过对其发酵条件的优化，所得LC2W-1胞外多糖量为（276.76±7.34）mg/mL，较未优化前提高44.54%，较未诱变的菌株提高了104.93%。微生物产生次级代谢产物主要是由遗传物质中某些基因调控位点所控制，采用传统的诱变方法虽然能获得性状发生改变的菌株，但其突变效率很低且筛选出的菌株容易在传代过程中丢失性状，突变很不稳定。微生物的航天诱变能明显改变微生物的某些基因位点，进而改良微生物的发酵特性，还可以获得传统诱变方法难以获得的罕见突变。

2.2 微生物航天诱变产酶

1998年曾辉等[26]利用返地科学实验卫星搭载了耐高温α-淀粉酶HTAA-340菌株，成功选育出1株高产α-淀粉酶的H-HTAA-340菌株，该菌株用于工业化生产比出发菌株的发酵单位平均提高了13%，说明航天诱变能显著地提高发酵单位的酶活。2004年中国食品发酵工业研究院的王璋等[27]利用“神州4号”无人飞船搭载了产微生物转谷氨酰胺酶（MTG）的链霉菌株，分离得到733株突变株，经选育驯化后，得到一系列MTG生产能力显著提高的突变菌株，其中最高产酶菌株Streptomyces sp.WZFF.L-M168-L3-1-25的酶活提高40%以上，达到3.26 U/mL，超过当时国际最高水平，由此可见，通过航天诱变可以筛选得到高产MTG的菌株，且酶活高于其他诱变选育出的菌株。2007年甘肃农业大学马旭光等[28]对航天诱变过的黑曲霉（Aspergillus niger）进行了筛选，得到了1株纤维素酶的高产菌株 ZM-8，其滤纸酶（FPA）、纤维二糖水解酶（C1）、葡聚糖内切酶（CMCase）、β-葡萄糖苷酶（β-Glase）的酶活分别为 110.2、389.9、489.3、1 208.1 U/g，相比出发菌株酶活分别提高2.1、3.5、1.7、1.8倍。经过传代试验表明，该菌株具有较好的产酶稳定性。由此可见，空间微重力、辐射等诸多特殊的条件可使微生物发生正向变异，且变异菌株的优良性状具有较好的遗传稳定性。2009年广东省农业科学院胡珍娣等[29]对产抑菌霉素A17的放线菌GAAS7310（Streptomyces sp.）进行空间诱变选育，筛选出高产菌株TK1，其产抑菌霉素效价比原始菌株提高了约60%，通过酯酶同工酶分析，发现突变株和出发菌株的酯酶同工酶在酶谱带数量上没有很大的差异，仅在一条谱带上表现为量的增加。这说明航天诱变确实对合成酯酶同工酶的基因片段产生了某些影响，使其发生变异，但这些变异并不大，这有可能是在另外一些基因片段上发生了变化，进而影响了其他一些酶的数量或种类。

2.3 航天诱变选育生物防治优良菌株

2006年研究人员对8个昆虫病原真菌菌株进行航天搭载，其中5株在搭载后全部死亡，菌株M2029和MR8的存活率仅为10-7，菌株M189的存活率达到20%以上。诱变后的菌株在生长速度、产孢量和致病能力上均发生了不同程度的变异，经初步测定，航天诱变菌株HM189-68s、HM189-32c、HM189-127和HM189-17在生长特性和致病力方面发生了较大幅度的正向变异，可进一步测定筛选优良的生物防治应用菌株。航天诱变可以为筛选优良的生物防治应用菌株提供新的可靠途径[30]。

微生物的传统诱变育种往往会出现平顶效应（plateau effect），即经常连续使用同一诱变剂或者诱变方式，诱变效果会随着使用次数的增加而降低。而太空诱变育种是利用太空特有环境真空、失重、各种宇宙射线和超低温协同诱变作用，进而使菌种产生变异，再从中选育出所需的优良突变株。环境条件的极大变化，使得在航天诱变育种过程中产生的突变菌株菌落形态、菌体性状特征发生较大的变化，存活率下降，有利于筛选的进行。但是由于诱变筛选的不确定性，航天诱变致死率的增加在一定程度上也增加了筛选的难度。

微生物的航天诱变为微生物的诱变选育提供了新的途径，航天诱变可以明显地改变微生物的生长性状，表现在生长速度、生长形态、生长特性等方面。这些性状的改变，使微生物产生代谢产物的能力发生改变。与同等情况下传统诱变育种相比，航天诱变育种的效果明显，且性状的遗传稳定性较好，具有很大的应用潜力，能带来巨大的经济效益。

3 微生物航天诱变中存在的问题和展望

目前，微生物的航天诱变育种还存在着很多问题。一方面，微生物的航天诱变育种主要体现在直观研究方面，而基础理论研究及诱变机理研究还比较少。在判断突变菌株产生的高产性状是否稳定方面，常规的培养检测方法还不足以证明，仍需通过其他手段来验证这些变异菌株的基因是否发生了变化。另一方面，在一些航天诱变的试验中出现的微生物遗传性状的改变，而在其他一些试验中却没有表现出来，原因是由于不同种属的微生物之间存在着差异性，说明微生物的航天诱变过程存在着不可预见性。因此，为了使航天诱变育种成为微生物诱变育种的可靠方法，今后的研究应将实践和理论依据结合起来，在实践研究的基础上深入研究其分子生物学和生化机理，研究各诱变因素间的相互作用，以增强微生物航天诱变选育的预见性及利用价值。

航天诱变是微生物诱变育种的新途径，微生物通过航天诱变可以改善自身的生长性状，提高次级代谢产物产量，产生新品种。实践证明，航天诱变既能明显改良微生物的发酵特性，又能获得地面育种所难以得到的突变菌株，其变异幅度大、频率高、遗传稳定性好。它为微生物的诱变育种提供了新方法，随着科学研究的不断深入，航天诱变技术必将为微生物诱变育种创造更大的经济价值和社会价值。

[1] 汪杏莉，李宗伟，陈林海，等.工业微生物物理诱变育种技术的新进展[J].生物技术通报，2007，（2）：114-118.

[2] 张玲华，田兴山.微生物空间诱变育种的研究进展[J].核农学报，2004，18（4）：294-296.

[3] 龙卫平，郑锦荣.航天育种研究进展[J].长江蔬菜，2005，（7）：35-37.

[4] 钟 波，朱列书，贺 鹏，等.浅谈航天诱变育种[J].作物研究，2007，21（5）：511-516.

[5] 王乃彦.开展航天育种的科学研究工作，为我国农业科学技术的发展做贡献[J].核农学报，2002，16（5）：257-260.

[6] George K，Wu H，Willingham V.The effect of space radiation on the induction of chromosome damage[J].Phys Med，2001，17（11）：222-225.

[7] Horneck G，Eschweiler U，Reitz G.Biological responses to space:results of the experiment"Exobiological Unit"of ERA on EURECAI[J].Adv Space Res，1995，16（8）：105-118.

[8] Hahn A.Chromosome mechanics of fungiunder spaceflight conditions-tetrad analysis of two-factor crosses between spore color mutants of Sordaria macrospora[J].FASEB J，1999，（13）：149-156.

[9] Nelson G A.Radiation effects in nematodes:results from IML-1 esperi ments[J].Adv Space Res，1994，14（10）：87-91.

[10] 黄 磊，吕淑霞，张 利，等.航天生物技术研究进展[J].安徽农业科学，2005，33(9):1726-1727，1775.

[11] 袁存权，李 云，管耀义，等.航天诱变育种机理研究进展[J].河北林业科技，2009，（增刊）：39-43.

[12] Takahashi A.The effects ofmicrogravity on induced mutation in Escherichia coli and Saccharomyces cerevisiae[J].Adv Space Res，2001，28（4）：555-561.

[13] Pross H D，KostM，Kiefer J.Repair of radiation induced genetic damage undermicrogravity[J].Adv Space Res，1994，14（10）：125-130.

[14] 印 红，陆 伟，谢申猛.搭载后红曲霉菌突变株的染色体DNA随机扩增多态性分析研究 [J].航天医学与医学工程，2004，17（5）：374-376.

[15] 陈继红，张利平，郭立格，等.多杀菌素产生菌株航天育种效果研究[J].安徽农业科学，2008，36（12）：4951-4952，4957.

[16] 印 红，谢申义，章光明，等.空间飞行对红曲霉菌产量的影响[J].航天医学与医学工程，2003，16（5）：374-376.

[17] 方晓梅，赵志甲，顾海利.泰乐菌素产生菌的空间诱变育种研究[J].航天医学与医学工程，2005，18（2）：121-125.

[18] 密士军，郝再彬.航天诱变育种研究的新进展[J].黑龙江农业科学，2002，（4）：31-33.

[19] 陈晓霞，郭聆讯，张宇锴.新型杀虫剂——Spinosad发酵工艺的研究[J].微生物学通报，2002，29（5）：21-25.

[20] 吴红宇，彭友良，郑应华.新型杀虫剂Spinosad产生菌株的诱变选育[J].农药，2003，43（7）：11-38.

[21] 侯艳梅，江均平，蒋立文.利用木糖生产L一乳酸高产菌太空诱变育种[J].食品工业科技，2008，（2）：74-76.

[22] Duran N，Justo G Z，Ferreira C V ，et al.Violacein:properties and biological activities[J].Biotechnol Appl Biochem，2007，（48）：127-133.

[23] 蒋培霞，张瑞萍，王海胜，等.紫色杆菌素合成工程菌太空诱变效应及其高产菌株的筛选[J].化工学报，2010，61（2）：455-461.

[24] 荆士华，安海英，李春杰，等.生黑醋酸杆菌的太空诱变选育[J].生物技术，2011，21（1）：76-78.

[25] 周方方，吴正钧，陈 臣.太空搭载高产胞外多糖乳酸菌菌株的选育及其发酵条件优化[J].食品与发酵工业，2011，37（6）：35-38.

[26] 曾 辉，何新民，张新武，等.耐高温α-淀粉酶航天诱变菌株H-HTAA-340的选育及耐高温α-淀粉酶的研制[J].信阳农业高等专科学校学报，1998，8（3）：1-7.

[27] 王 璋，刘新征，王 亮，等.“神舟4号”空间飞行对搭载的转谷氨酸胺酶链霉菌选育的影响[J].航天医学与医学工程，2004，17（4）：275-281.

[28] 马旭光，蔺海明，刘星斌，等.黑曲霉高产纤维素酶活突变株ZM-8 的筛选[J].中国饲料，2007，（5）：530-32.

[29] 胡珍娣，林壁润，沈会芳.放线菌GAAS7310高产菌株的选育研究[J].中国生物防治，2009，（S1）：48-51.

[30] 农向群，张泽华，胡 攀，等.航天诱变对昆虫病原真菌的生物学效应[J].菌物学报，2006，25（4）：674-681.