新型物理诱变方法及其在微生物诱变育种中的应用研究

贾国军，赵凤舞

兰州职业技术学院，甘肃兰州，730070

由于自然突变率较低，而人工诱发基因突变为基础的诱变育种相较而言，具有快速、简便、效果显著等优势特点，因而成为微生物诱变育种的重要渠道和途径，在目前国内外的发酵工业之中使用的生产菌种大多是人工诱变筛选培育而成的，在对微生物诱变育种的生物技术应用之中，有各种不同的诱变方法，如：物理诱变、化学诱变、生物诱变等，其中物理诱变生物技术具有极其明显的操作效果，为此，本文重点分析和研究新型物理诱变方法在微生物诱变育种中的实践应用，显现出新型物理诱变方法在微生物育种方面的潜能。

1. 超高压诱变方法分析

超高压技术和方法普遍性地应用于灭菌及加工工艺之中，以其设备简便、成本低廉、无毒害等优势特点而成为一种新型的物理诱变技术而在深入的探索过程中，微生物在经受超出100Mpa的压力时则会产生变化，主要包括微生物的细胞组织形态、细胞成分、核酸构造、基因表达等方面，并且这些变化大多呈现出不可逆性，引发微生物的突变现象。目前对于超高压诱变的机理还处于探索的初期阶段，但是已经有部分研究表明：超高压中的压力、温度、pH值、水环境等要素对于微生物的诱变会产生一定的影响，而影响最为强烈的压力，其次为温度、水环境等要素。例如：在啤酒酵母承受150Mpa的超高压条件之下，会产生超高压诱变，筛选获得发酵度为68%的突变菌株Gy3（商啤3号）。又如：对细菌纤维素菌株提供超高压诱变条件，也可以筛选获得突变菌株M438，这种突变菌株的纤维素产量相较于之前增加将近三倍。

2. 高能电子流诱变方法分析

近年来，高能电子辐照技术引发了研究人员的关注和重视，在高能电子加速器装置快速发展的条件下，由该装置产生的高能电子流成为一种新型的诱变源，可以对微生物进行辐照，导致微生物体内的原子或分子产生电离反应，较大地改变了微生物的生理及生化功能。在高能电子辐照技术应用之下，高能电子加速器装置会产生可以致使微生物的染色体断裂、倒位或易位的射线，该射线具有极强的剂量率和穿透能力，并在DNA损伤不断增加的条件下提升微生物的突变率，引发微生物内部染色体结构的重组和再造，改变微生物的遗传性，产生突变现象。这种新型物理诱变技术和方法具有环保、低能耗、自动智能化的优势特点，可以较为普遍地应用于微生物诱变育种工作领域。例如：可以利用高能电子辐照技术对酿酒酵母进行诱变处理，可以筛选获得正突变酵母菌株，相较于原菌株而言提高了近百分之三十的酒精产量。又如：利用高能电子辐照技术对产黄青霉菌株进行诱变处理，可以筛选获得新的突变菌株，其效价提升近百分之十。

3. 热（温度）诱变方法分析

这也是一种新型的物理诱变方法，可以应用于微生物诱变育种之中，它主要是利用恒温或变温的条件对微生物进行诱变处理，设备简便可行，可以较好地进行温度的控制，产生良好的热效应性，然而该技术的作用机理还处于探索和研究之中。通常来说，热（温度）诱变技术和方法主要是对微生物体内部DNA中的G－C碱基对产生了置换作用，而诱发微生物的突变。这一技术可以较好地提升微生物热诱变的正突变方向，成为筛选条件的突变性前提，具有极大的利用潜能。例如：可以应用该技术对炭样小单孢菌JXNU-1进行热（温度）诱变处理，可以筛选获得抗生素高产突变菌株ZD－2，这种正突变菌株相较于原菌株而言更大，其直径达到了33mm，比原菌株超出了6.6mm。又如：可以应用该技术对炭样小单孢菌进行热（温度）诱变处理，可以筛选获得变异菌株，这种变异菌株相较于原菌株而言的抗生素能力几乎提高了一倍。

4. 磁场分析方法及应用

磁场存在于磁体与磁体之间、磁体与电流之间、电流与电流之间，这种特殊性的物质主要是以两种形态而存在，即：电磁场和磁铁石，其中：由通电的导线或线圈产生的即为电磁场；由永久磁体而产生的则为磁铁石。通过研究发现，微生物的生长与磁场有不可分割的联系，在磁场强度、种类、作用时间不同的条件下，对微生物的生长情况的影响也不尽相同。通常来说，高频磁场主要是利用其热效应的作用影响微生物的生长；而低频磁场也会影响微生物的生长情况。研究学者经过实验发现：对紫色红曲菌株进行低频磁场的刺激作用，可以产生γ-氨基丁酸（GABA），还可以增加微生物的产量。还有学者利用超导磁体装置对枯草芽孢杆菌进行了诱变，筛选获得高效拮抗突变菌株，可以较好地防治生物体采摘后的番茄灰霉病。又如：运用不同强度的脉冲磁场诱变HK-5产油真菌，筛选获得突变菌株M－23，这种突变菌株比原菌株具有更高的花生四烯酸含量、生物量、油脂产量及油脂含量。由此可见，磁场对于微生物的诱变主要是影响生物体细胞内的DNA变异，使生物体的染色体产生畸变，从而实现微生物的诱变育种。然而，目前对于磁场诱变微生物育种的探索还处于初期阶段，尚缺乏磁场对微生物诱变育种的产生机理的机制认知，有待进一步深化。

5. 激光诱变方法分析及应用

这也是一种新型的物理诱变方法，可以应用于微生物诱变育种领域之中，它是通过激光作用于生物体内部，使微生物体的内部产生压力、热效应、电磁效应等，形成微生物内部分子的变化，形成遗传变异现象。有不同的学者对此技术进行了试验和研究：利用CO2激光辐照酿酒酵母，可以筛选获得突变菌株乙醇脱氢酶，它相较于原菌株而言有更大的乙醇产量、酶谱也有所不同，验证了激光的诱变效能和作用。又如：利用He－Ne激光对青霉PT95进行诱变处理，可以筛选获得突变菌株L05，它相较于原菌株而言有更高的生物量和类胡萝卜素含量，有良好的遗传稳定性。利用YAG激光辐照高山被孢霉，可以筛选获得突变菌株，相较于原菌株有更高的花生四烯酸和油脂含量。采用YAG激光对产植酸酶黑曲霉的孢子悬液和原生质体进行诱变处理，可以筛选获得成活率更高的突变菌株。

6. 离子束诱变方法分析及应用

6.1 常压室温等离子体

常压室温等离子体也称为ARTP诱变育种仪，它具有操作便捷安全、突变快速、突变效率高、突变性状稳定等特点，可以应用于多种微生物的诱变育种之中，它对微生物产生诱变作用的因子主要是高浓度的中性活性粒子，通过高浓度的中性活性粒子对生物体内的细胞壁和细胞膜产生影响和效应，然而由于它无法直接对生物体内部细胞的大分子产生作用，因而难免损伤生物体内的细胞，要尤其关注ARTP与整个细胞的作用机制研究，经过研究表明，常压室温等离子体还会对生物体产生高于紫外的诱变方式，能够在生物体内部细胞DNA受到最大损伤的条件下仍旧保持活性，这就极大地提升了诱变率。如：利用常压室温等离子体对产气肠杆菌、芽孢杆菌C2进行诱变处理，可以筛选获得突变菌株，它相较于原菌株而言有更高的氢气产量。

6.2 离子注入

这种新型物理诱变方法可以极大地提升突变率，并且突变性状较为稳定，它是利用离子注入设备产生高能离子束，将其注入微生物体内部，进而引发微生物体内部的遗传变异，筛选获取优良的变异菌株。如：可以将N+、C4+注入核糖霉素之中，可以产生核糖霉素产生菌、卡那霉素产生菌的变异菌株。

6.3 重离子辐照

这是一种高效的人工电离辐射方式，具有突变率高、突变谱广、损伤低等优势特点，其作用于微生物的诱变育种机理还不十分明晰，有待深入的探索和研究。有学者采用这一技术对谷氨酸棒杆菌进行中能12C6+离子束的辐照诱变处理，可以筛选获得突变菌株，相较于原菌株而言具有更高的糖酸转化率。

总之，随着我国在新型物理诱变技术和方法的突破性研究的不断深入，可以将其应用于微生物诱变育种的实践之中，快速、准确地筛选获取优良菌株，更好地推动我国微生物技术的突破性发展。

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