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Genome Shuffling技术在微生物遗传育种中的应用

第25卷第l期?145?2005年2月

农业与技术

Agriculture&Technology

、,01.25NOl

Feb.2005GenomeShuff|.ng技术在微生物

遗传育种中的应用

史晓昆王秀然刘东波木

(东北师范大学生命科学学院吉林长春130024)

【摘要】Genomeshuffling技术是在传统诱变基础上。通过细胞融合技术,对诱变后的微生物细胞进行基因组重组,从而使具有正向突变的茵株将其优点结合在一起,进而提高微生物细胞的正向突变频率及正向突变速度.本文论述了Oenomeshuffling的基本原理、技术过程以及谊项技术的应用与发展前景.

【关键词】基因组改组:育种;诱变:原生质体融合

中图分类号:03-0文献标识码:A

微生物育种作为一门应用科学技术,一直在发酵工业中就倍受人们关注。20世纪40年代以来,随着青霉素的生产而诞生的微生物菌种选育技术研究,成为现代发酵工业的基础。在现代发酵工业生产中,所有的原始菌种均需采用育种技术进行改良,以大幅度地提高发酵生产的效率,降低发酵生产的成本。随着对微生物遗传规律的深入认识,微生物育种工作正在沿着从不自觉到自觉,从低效到高效,从随机到定向,从近缘杂交到远缘杂交的方向发展。在这一过程中,20世纪90年代中期崛起的genomeshuffling(中文译做“基因组改组”)技术通过传统诱变与细胞融合技术相结合,对微生物细胞进行基因组重组,从而大幅度提高微生物细胞的正向突变频率及正向突变速度,使得人们能够在较短的时间内获得高效的正向突变的菌株,而受到人们极大的关注n11。本文论述了Genomeshuffling技术的基本原理,Genomeshuffling技术的操作过程以及该项技术目前在生产实践中的应用。

1微生物育种技术的发展历程回顾

回顾微生物育种技术的发展过程,其大至分为自然选育、诱变育种、杂交育种以及基因工程育种几个阶段。(1)自然选育。自然选育是指微生物细胞群体不经过人工处理而利用菌种的自发突变(spontaneousmutation)进行菌种选育的育种方式,其优点是菌种选育方法简单,其缺点是筛选周期长,目前已较少采用。(2)诱变育种。诱变育种是用不同的诱变剂(mutagen)处理微生物的细胞群体,以诱发菌株发生遗传突变,然后对突变株进行选育,从中选出所需要的突变菌株(mutant)。这种方法菌种突变的频率比自发突变有大幅度提高,筛选周期也大幅度地缩短。其缺点是诱变剂所诱发的遗传性状的改变是随机的,筛选正向突变的工作量大。目前在发酵生产中应用的菌株大多数都是经过多次诱变后筛选的菌株。(3)杂交育种。杂交育种是以基因重组为理论基础,将两个基因型不同的亲代菌株的某些遗传信息,通过杂交重新组合于同一个重组体中,形成新的遗传型个体的过程。通过杂交育种可以消除长期诱变处理造成的菌种活力衰退,产量下降的现象;但该技术在微生物不同种之间难以形成稳定的重组体,是杂交育种技术获得应用所需要解决的问题H。71。(4)基因工程育种。基因工程育种即重组DNA技术,是人为的将所需要的目的基因通过载体导入某一特定的菌株中去获得改良菌株的育种技术。基因工程育种是分子水平上的一种自觉的可预先设计的可控制的育种技术。随着技术的不断完善,重组DNA技术在微生物菌种改良中起着越来越重要的作用。

2GenomeshuffIing技术及具体方法

90年代初期,美国/m'J'H的Maxgen公司Cardayr6等人阳1提出了Genomeshuffling技术的概念,它把传统微生物诱变育种技术与细胞融合技术结合。在微生物菌株诱变的基础上,通过细胞融合,使多个

亲本杂交,产生新的复合子代。其具体操作过程是通过对出发菌株进行诱变,然后在模拟DNA重组的条件下对原生质体进行递推式多次融合(recursiveprotoplast),最后筛选出具有多重正向进化标记的目标菌株(图1)随删。

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图1.诱变剂诱变与基因组改组技术对提高菌株突变率的影响

具体做法如下“4。引:在采用递推式原生质体融合对目标菌株进行融合的过程中,首先要进行原生质体的制备,然后模拟DNA改组的反应温度条件对原生质体进行融合,然后在非选择条件下再生:再生原生质体孢子混合就构成了Fl;Fl长成菌落,长出的菌落再被制备成为原生质体,同时用同样的方法再进行融合再生,这一过程重复三四次得到后代菌落:与对照相比,融合后代有效率达到60%、17%、2.5%,较之未融合前增加了40’105倍。这一过程中操作的方法与原生质体融合技术基本相同。

例如,在Ying—XinZhang等人∞1的研究中,以四株营养缺陷型的弗氏链霉菌为模型进行链霉菌之间的重组,实验表明采用的原生质体融合是实现基因组重组的十分有效的办法,重组有效率超过20%。检测四株经多营养缺陷型的链霉菌的原生质体重组的后代发现,重组中含有两个标记的重组后代为3%,含有三个标记的为0.04%,四个标记为0.00005%。在这一过程中,我们可以看到,后代中带有多重正向进化标记重组子出现的几率是采用原始诱变育种方法的40’10。倍。这一结果将为多基因重组提供有效依据。使得我们可以通过DNA改组,增加多基因重组的几率,获得含有多个亲本遗传信息的更有意义的子代。

3GenomeshuffIing技术在发酵生产中的应用

尽管Genomeshuffling(基因组改组)技术诞生的时间虽短,但是已经在许多领域获得了成功地应用,其应用前景受到了人们的广泛关注。举例说明如下。’

3.1提高微生物的环境耐受性

研究采用乳酸细菌为实验材料进行。乳酸细菌在牛奶中生长时,易于受到环境变化的影响。Patnaik等n”川研究人员在研究乳酸发酵时,采用基因组改组技术提高了一株工业用乳酸杆菌的耐酸性。结果显示:经基因组改组技术改组后的乳酸杆菌菌株在液体和固体培养基上培养时比野生菌株的pH耐受性更高,在pH4.0时产生的乳酸的量要比野生型高出3倍。由此可见基因组改组不仅可以提高乳酸产量,而且可以提高乳酸杆菌对环境的耐受性,这对解决微生物对环境的适应性及其他特征具有重大的意义。

3.2提高产品产量

研究采用弗氏链霉菌为实验材料进行¨1。如图2所示,弗氏链霉菌是商业生产泰乐菌素(tylosin)的菌株,其中菌株SFl是从自然界中分离到的野生型稳定单克隆:SF21是SFl经过20轮常规诱变得到的泰乐菌素高效生产菌株,Maxgen公司将野生型菌株SFI先进行了一轮常规诱变,然后通过两轮基因组改组,得到两个高产的菌株GSI、GS2。经分析GSI、GS2的泰乐菌素产量是SFl的9倍多,比SF21还要高,从统计学上分析与SF21差异不大(图2);但从生理学角度上看,GSl、GS2跟SF21相比有明显的差异,SF21形成的是粗糙的小的单克隆,而GSI和GS2与野生型SFl菌落形态相似,这一现象显示GSI、GS2是比SF21更加性状优良的菌株。从上面的结果我们可以看到弗氏链霉菌通过两轮基因组改组得到了普通诱变剂需要20轮诱变才能得到的结果。从理论上讲,这是传统诱变过程与基因组改组之间的差异。而对于研究者而言,24,000次实验与1,000,000实验之问的区别,也就是一年的努力与20年工作的差异(图3)。由此可见,基因组改组技术可以大幅度地缩短菌株选育周期,同时基因组改组技术采用的递推式重组技术在挑选种群中明显地增大了菌株的进化几率,扩大了变异范围,增加了获得高产突变菌株的机会,可使得目的菌株更快地投产,产生效益。

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图2.SFl:GSl、GS2、SF21泰乐菌素产量

4QenomeshuffIing技术应用前景展望

目前,愈来愈多的科学家开始采用Genomeshuffling技术进行提高微生物特性的研究。在对微生物进行Genomeshuffling过程中,我们希望目的杂交菌株是由亲本菌株通过基因重排或组合产生的正突变,同时一个亲本的有害突变可以被其他亲本的野生型序列所取代。采用基因组改组技术,产生的

Strain+rnm(rel.gr1)

SFl1O!01

SF216.0±2.4

(jSl8I士12

GS2e.2士1.2

图3.诱变剂诱变过程与基因组改组的对比

新组合扩大了种群的遗传多样性,提高了种群内个体的作用。用delCardayr6的话说:“它们原本就是在自然界中实实在在发生的事情,我们只是帮助这些菌株打破了它们之间的界限,加快了它们的遗传物质组合在一起的速度川141。Genomeshuffling技术不对微生物基因进行人工改造,而利用原有基因进行重组,这是在传统育种、原生质体融合以及DNA改组的基础上对微生物育种技术的一次革命性的改进,在对微生物的遗传特性尚未完全掌握的今天,Genomeshuffling技术由于在只了解微生物遗传性状的基础上就实现了微生物的定向育种,获得了大幅度正突变的菌株,其也就成为了微生物发酵工程中的一种有效的工具。有学者预言:“Genomeshuffling技术的建立与成熟,将引起传统微生物育种以及发酵生产的一场革命∞¨’。

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作者简介:王云风(1963.2一),副教授,长春税务学院国际经济系,研究方向为国际经济与贸易。

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(上接第144页)

防治方法:菌核病防治难度大,要采用综合防治技术。如实行2~3年一次轮作,并使湿度控制在80%以下等,可避免发病。办法是用小高垄盖地膜,膜下暗灌,能限制囊子传播。发病时喷速可灵可湿性粉剂i000倍液,或50%乙烯菌核利可湿性粉剂500倍液,或40%菌核净1000倍液,或50%多菌灵可湿性粉剂500倍液,每10"-15天一次,连续喷2次效果较好。

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(上接第147页)

CM,delCardayrdS。,GenomeshufflingofLactobacillusforimprovedacidtolerance[J].NatureBJotechn01.2002Jul20(7):707~712.

GenomeShufflingAcceleratetheProcessofMicrobialBreeding

ShiXiao。。kunWangXiu—‘ranLiuDong‘‘be

(SchoolofLifeScience,NortheastNormalUniversity,ChangChun,13002,4)

Abstract:Genomeshufflingisaprocessthatcombinestheadvantageofmulti—parentalcrossingallowedbyDNAshufflingwiththerecombinationofentiregenomesnormallyassociatedwithconventionalbreeding.Inthispaper,theprincipleofgenomeshufflingwasreviewed,themajortechnicalproblemssuchasmutation,protoplast,regenerationandrecursiveprotoplastwere

discussed,andtheprogressofthiStechniqueinmicrobialbreedingwasi1lustrated.

Keywords:breeding,mutation,genomeshuffling,protoplastfusion

作者简介:史晓昆(1962-),男,讲师,硕士,主要从事免疫学与微生物学研究。

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(上接第156页)

人才团队,才能有效的运作经营,获得理想的资金回报率和市场份额。

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作者简介:雷豪,山西平遥人,现就读于大连海事大学商学院企业管理专业,03级硕士研究生。

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