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Screening High-producing Wanlongmycing Strains by Space Mutagensis

空间诱变选育万隆霉素高产菌株



全 文 :文章编号 :100028551 (2009) 042572205
空间诱变选育万隆霉素高产菌株
沈会芳 张晓勇 蒲小明 林壁润
(广东省农业科学院植物保护研究所 ,广东 广州 510640)
摘  要 :为获得万隆霉素高产菌株 ,以菌株 C2507 为出发菌株连续 2 次进行空间诱变 ,正突变率分别为
21133 %和 1615 % ,筛选得到高产突变株 W32356 ,万隆霉素产量提高 1183 倍 ,连续传代试验表明其产素
能力具有遗传稳定性。突变株 W32356 的生长速度加快 ,在 6 种营养培养基上 ,其形态特征有一定改变 ,
在摇瓶发酵过程中 ,突变株 W32356 对碳源和氮源的利用率高于出发菌株 ,发酵周期缩短了 12h。
关键词 :万隆霉素产生菌 ;空间诱变 ; 筛选
SCREENING HIGH2PRODUCING WANLONGMYCIN STRAINS BY SPACE MUTAGENSIS
SHEN Hui2fang  ZHANG Xiao2yong  PU Xiao2ming  LIN Bi2run  
( Institute of Plant Protection , Guangdong Academy of Agricultural Sciences , Guangzhou , Guangdong  510640)
Abstract :In order to obtain high2yield strains of wanlongmycin , the starting strain C2507 was treated by space mutagenesis
twice sequentially. The positive mutation rates have reached 21133 % and 1615 % , respectively. A strain of high2yield of
wanlongmycin was obtained and named W32356. The yield of W32356 was about 1183 times higher than that of the starting
strain C2507. Generational cultures showed that the hereditary character of high productivity was stable. The mutant strain
W32356 grew faster and its morphological character varied on six different nutritionally medium. In the shaking flask , the
capability of carbon and nitrogen source usage of mutant W32356 was higher than that of the starting strain ,and fermentation
period was 12h shorten.
Key words :wanlongmycin producing strains ;space mutagenesis ;screening
收稿日期 :2008209221  接受日期 :2009202213
基金项目 :广东省自然科学基金 (04002077、06025388)
作者简介 :沈会芳 (19732) ,女 ,安徽宿州人 ,副研究员 ,从事微生物诱变育种研究。E2mail :shenhf @gdppri . com
通讯作者 :林壁润 (19632) ,男 ,广东揭阳人 ,研究员 ,从事农用抗生素研究。Tel :020287597453 ; E2mail :linbr @126. com  随着我国航天技术的发展 ,利用太空环境的高真空、微重力、宇宙射线等处理微生物的育种方法成为研究热点。如 1987 年中国人民解放军兽医大学利用卫星搭载蛋白酶、糖化酶产生菌 ,获得 4 个碱性蛋白酶活性提高 2~215 倍和 7 个中性蛋白酶活性提高 1~3 倍的菌株 ;在处理的纤维素生产菌中 ,选出了酶活性提高82 %的菌株 ,已在饲料生产上应用。中国科学院微生物研究所 1994 年搭载甘露聚糖酶产生菌 ,获得产甘露聚糖酶比对照提高 90 %以上的菌株 ,蛋白酶活性提高50 %~70 %[1 ] 。利用空间诱变技术 ,在抗生素育种上也取得一定成果 ,1990 年 ,中国科学院遗传研究所和上海第四制药厂合作搭载难诱变的棘小单孢菌 ( Micromonospora enchinopora) ,庆大霉素效价提高 27 %~37 %[2 ] 。1994 年中国科学院上海植物生理生态研究所搭载头孢霉素工程菌 ( Escherichia coli A56ΠpMr24) ,筛选出活性比对照高 4135 倍的菌株[3 ] 。北京“东方红”航天生物产业化基地将产他汀成分的红曲霉菌搭载“神舟 1 号”,出现了罕见的遗传突变 ,筛选出产量提高了 718 倍的高产菌株[4 ] 。研究表明空间诱变具有变异频率高、变异辐度大、容易稳定、良性变异多等特点 ,已成为诱变育种的新方法。万隆霉素是广东省农业科学院植物保护研究所自主研发的能有效防治植物卵菌病害的农用抗生素 ,其主要活性组分经鉴定为一种新环状酯肽类化合物 ,已
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获国家发明专利授权 (专利号 : ZL0314009114) ,拥有自
主知识产权[5 ] 。目前 ,万隆霉素的基础研究工作已经
完成 ,将进入产业化中试阶段 ,但菌株生产能力低 ,无
法应用于实际生产。为摸索有效的万隆霉素菌株诱变
育种新方法 ,提高其生产能力 ,本课题组于 2003 年和
2005 年 2 次利用返回式科学技术试验卫星搭载万隆
霉素菌株进行空间诱变 ,以期获得性状优良的高产菌
株。
1  材料和方法
111  材料
11111  供试菌株 供试菌株为 C2507 (灰色变异链霉
菌 万 隆 亚 种 , Streptomyces griseovariabilis subsp.
bandungensis subsp . nov. ) ,由广东省农业科学院植物保
护研究所保藏。
11112  培养基  斜面培养基为高氏一号琼脂。链霉
菌常用特征培养基 : 高氏一号琼脂 : 011 % KNO3 、
0105 % K2 HPO4 、0105 % MgSO4 、0105 % NaCl、01001 %
FeSO4 、2 % 可溶性淀粉、2 % 琼脂、pH712 ;葡萄糖天门
冬素琼脂 : 1 % 葡萄糖、0105 % 天门冬素、0105 %
K2 HPO4 、2 % 琼脂、pH712 ;葡萄糖酵母膏琼脂 :1 % 葡
萄糖、1 % 酵母膏、2 % 琼脂、pH712 ;马铃薯块 :马铃薯
去皮 ,切成斜面状的长方块 ,用水冼净 ,装入试管 ;甘油
天门冬素琼脂 : 011 % L2天门冬素、011 % K2 HPO4 、
110 % 甘油、010001 % FeSO4 ·7H2O、010001 % MnCl2 ·
4H2O、010001 % ZnSO4·7H2O、2 % 琼脂、pH712 ;无机盐
淀粉琼脂 : 1 % 可溶性淀粉、011 % MgCO3 、0103 %
K2 HPO4 、0105 % NaCl、011 % NaNO3 、2 % 琼脂、pH712。
种子培养基 : 1 % 葡萄糖、115 % 玉米浆、015 % 蛋白
胨、015 % NaCl、015 % CaCO3 、015 %(NH4 ) 2 SO4 、pH712。
发酵培养液 :3 % 葡萄糖、115 % 玉米浆、115 % 黄豆饼
粉、1 % 玉米淀粉、015 % NaCl、015 % CaCO3 、015 %
(NH4 ) 2 SO4 、01035 % 泡敌 (丙三醇聚氧丙烯聚氧乙烯
醛) 、pH712。
112  方法
11211  空间诱变  2003 年 11 月 ,将菌株 C2507 的孢
子接入砂土管 ,均匀混合 ,分为 2 份 ,1 份作为对照样
品于 4 ℃保存 ,1 份搭载第 18 颗返回式科技试验卫星 ,
2005 年 8 月 ,将第一次空间诱变筛选得到的高产菌株
W3 按同样方法搭载第 22 颗返回式科技试验卫星进行
空间诱变。
11212  空间环境对万隆霉素菌株诱变效应研究 在
无菌条件下取 011g 空间搭载后砂土和地面对照砂土 ,
分别加入含玻璃珠的 10ml 无菌生理盐水 ,激烈振荡制
成均匀混悬液 ,静置 20min ,取 1ml 上清液稀释至孢子
浓度为 1 ×103 个Πml 左右 ,各取 011ml 稀释液涂布于高
氏一号平皿 ,每处理 4 个重复。28 ℃培养 ,每 24h 观察
菌株生长情况 ,培养 10d 后 ,进行菌落计数 ,计算死亡
率 ,死亡率 ( %) = (地面对照平皿菌落平均数 - 空间诱
变平皿菌落平均数)Π地面对照平皿菌落平均数。从平
皿中随机挑取 50 个空间诱变后的菌株进行摇瓶发酵 ,
用高压液相色谱测定万隆霉素产量[6 ] ,产量高于出发
菌株 10 %为正突变菌株 ,正突变率 ( %) = 正突变菌株
个数Π50。
11213  高产菌株筛选及稳定性研究  用直径为 6mm
的打孔器将平皿上分离出的菌株打出单菌落琼脂块 ,
将琼脂块 28 ℃保湿培养 48h ,放置于含枯草芽孢杆菌
的双层平板上 ,参照林壁润[7 ]方法 ,37 ℃培养 12h ,将抑
菌圈直径大于对照的菌株接种于试管斜面 ,为初筛菌
株。将初筛菌株成熟孢子接入已灭菌含 100ml 发酵培
养液的三角瓶中 ,32 ℃,转速为 200rΠmin 发酵培养 96h ,
用高效液相色谱法检测万隆霉素的含量 ,效价比对照
高 10 %的菌株为高产菌株。应用摇瓶发酵法进行反
复筛选 ,最终获得较高产突变株。对该菌株进行遗传
稳定性试验 ,每 7d 转接一次 ,连续 6 次传代培养 ,进行
摇瓶发酵试验 ,用高效液相色谱检测万隆霉素的含量。
11214  高产突变株培养特征变化  按前述 6 种链霉
菌常用特征培养基成分配制培养基 ,121 ℃灭菌 30min ,
制成平板 , 分别接种突变株 W32356 和出发菌株
C2507 ,在 28 ℃培养 7、10 和 14d 后 ,记录各菌落的形态
特征。
11215  高产突变株发酵特性考查 对突变株 W32356
和出发菌株 C2507 进行摇瓶发酵 ,每隔 12h 定时取样 ,
测定还原糖、氨基氮的利用 ,菌丝生长量和万隆霉素的
产量。还原糖测定采用 3、5 - 二硝基水扬酸法[8 ] ,氨
基氮测定采用甲醛滴定法[9 ] ,菌丝量测定采用体积法 ,
取 100ml 发酵液 ,4000rΠmin 离心 10min ,测定菌丝体积。
万隆霉素产量测定采用高效液相色谱测定法[6 ]
2  结果与分析
211  空间环境对万隆霉素菌株的诱变效应
第 1 次空间诱变后 ,分离单菌落菌株 ,发现第 1 代
菌株生长极缓慢 ,菌落成熟需 15d 左右 ,且形成的孢子
量较少 ,而地面对照菌株孢子成熟仅需 7d 时间 ,且孢
子量丰富。但随机挑取的第 2 代菌株生长速度和孢子
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量恢复正常。2 次空间诱变 ,分离培养万隆霉素单菌
落菌株 ,测定 2 次诱变孢子的死亡率分别为 7816 %和
7112 % ;正突变率分别为 21133 %和 1615 %。可见万隆
霉素菌株对太空环境比较敏感 ,正突变率较高 ,有利于
万隆霉素高产菌株的选育。
212  万隆霉素高产突变株的筛选
出发菌株 C2507 第 1 次空间诱变后 ,经分离单菌
落菌株、初筛和复筛 ,获得 3 株高产突变株 W1、W2 和
W3 ,其产素效价分别为 128131、123136 和 138112μgΠml ,
比地面对照分别提高 30101 %、24100 %和 39195 %。以
W3 为出发菌株进行第 2 次空间诱变 ,分离筛选获得突
变株 W32356 和 W32781 ,产素效价分别为 273175 和
187184μgΠml ,比 W3 提高 9812 %和 36 %。因此 ,经 2
次空间诱变后 ,获得生产能力比出发菌株 C2507 提高
了 1183 倍的高产突变株 W32356。故以下仅对突变株
W32356 的性状进行考查。
213  高产突变株 W32356 的遗传稳定性研究
对突变株 W32356 进行产素能力遗传稳定性试验 ,
由表 1 可知 ,突变株 W32356 连续传代 6 次后 ,其产素
效价差异不显箸 ,表明该突变株生产万隆霉素的遗传
性状比较稳定。
表 1  突变株 W3 - 356 的遗传稳定性
Table 1  Genetic stability of mutant strain W32356
传代数 generations F1 F2 F3 F4 F5 F6
发酵酵价 titers(μgΠml) 277122 ±0152a 271134 ±0125a 276198 ±0108a 272182 ±0175a 276158 ±0176a 269125 ±0192a
注 :a 表示在 5 %水平上差异不显著 (DMRT) 。
Note :a indicates that the difference is not statistically significant by DMRT at P = 0105.
214  高产突变株 W32356 的形态特征变化
为使高产突变株 W32356 可在生产上实际应用 ,需
明确突变株在不同链霉菌特征培养基上的形态变化 ,
以指导菌种生产 ,保证菌种质量。
突变株 W32356 在高氏一号培养基上生长较快 ,
28 ℃培养 3~4d ,菌丝生长丰茂 ,到第 5 天 ,孢子丰满且
全部呈鼠灰色 ,而出发菌株 C2507 孢子在第 7 天才完
全成熟。从表 2 中可见 ,在不同营养培养基上 ,与出发
菌株相比较 ,突变株 W32356 形态特征发生了一定的变
化。如在高氏一号培养基上 ,出发菌株气生菌丝为乌
贼灰 ,基内菌丝杏仁黄 ,有少量蛙红色可溶性色素 ,而
突变株 W32356 的生菌气丝呈鼠灰 ,基内菌丝乳白色 ,
不产生可溶性色素。在其他营养培养基上的形态特征
也有一定的变化 ,经几次传代后 ,W32356 仍表现出这
些形态的差异。表明菌株 W32356 不仅在产素能力上
发生突变 ,在形态上也有一定程度的变异。
表 2  突变株 W32356 与出发菌株 C2507 的培养特征比较
Table 2  Comparison of culture characteristics of mutant strainW32356 with starting strain C2507
培养基
culture medium
气生菌丝 aerial mycelium 基内菌丝 substrate mycelium 可溶性色素 soluble pigment
C2507 W32356 C2507 W32356 C2507 W32356
高氏一号
Gause No. 1
乌贼灰
cuttlefish grey
鼠灰
mouse grey
杏仁黄
almond yellow
乳白
milky white
少量蛙鱼红
little salmon

none
葡萄糖天门冬素
glucose asparagines
乳白
milky white
不生长
no growth
灰白
grayish white
灰白
grayish white

none

none
葡萄糖酵母膏
glucose yeast
象灰
elephant grey
浅灰
light grey
豆汁黄
bean2juice yellow 灰白grayish white 无none 无none
马铃薯块
potato piece
象灰
elephant grey
鼠灰
mouse grey
灰绿
grayish green
灰绿
grayish green
黑褐
blackish brown
栗棕
chestnut brown
甘油天门冬素
glycerol asparagines
乳白色
milky white
不生长
no growth
咖啡色
coffee
芒果棕
mango brown
鹦鹉冠黄
parrot2crest yellow 象牙黄ivory yellow
无机盐淀粉
inorganic salt2starch 浅鹤灰light crane grey 鼠灰mouse grey 杏仁黄almond yellow 乳白milky white 少量蛙鱼红little salmon 无none
215  高产突变株 W32356 生长代谢曲线变化
由图 1、2 可见 ,在 24~84h 之间 ,突变株 W32356 发酵液中还原糖和氨基氮的含量低于出发菌株 ,表明突变株 W32356 对碳源和氮源利用率高于出发菌株。
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从图 3 可见突变株 W32356 菌丝生长量明显高于出发
菌株 ,在 72~84h 小时之间达到最大值。图 4 表明突
变株 W32356 在 24h 以后即进入万隆霉素的分泌阶段 ,
在 84h 左右达到高峰 ,而菌株 C2507 在 36h 以后方进
入万隆霉素的分泌阶段 ,在 96h 左右达到高峰。
试验结果表明 ,在摇瓶发酵过程中 ,突变株 W32
356 菌丝生长量较大 ,对碳、氮源利用率较高 ,而现有
发酵培养基无法最大程度满足突变株的营养需要 ,这
要求对发酵培养基进行优化 ,以进一步提升突变株的
产素能力。突变株 W32356 提前 12h 分泌抗生素 ,最高
峰在 84h 左右 ,比出发菌株 C2507 缩短近 12h ,从而缩
短了发酵周期 ,节省发酵成本。
图 1  突变株 W32356 和出发菌株 C2507
发酵还原糖变化比较
Fig. 1  Comparison of reducing sugar content
of mutant strain W32356 with starting strain
C2507 during fermentation
图 2  突变株 W32356 和出发菌株 C2507
发酵氨基氮变化比较
Fig. 2  Comparison of amino nitrogen concentration
of mutant strain W32356 with
starting strain C2507 during fermentation
图 3  突变株 W32356 和出发菌株 C2507
发酵菌丝量变化比较
Fig. 3  Comparison of mycelia content
of mutant strain W32356 with
starting strain C2507 during fermentation
图 4  突变株 W32356 和出发菌株 C2507
发酵万隆霉素产量变化比较
Fig. 4  Comparison of wanlongmycin concentration
of mutant strain W32356 with starting strain
C2507 during fermentation
3  讨论
太空环境有高真空、微重力和多种高能粒子辐射
等特点 ,具有诱变育种的多种因子 ,是地面环境无法比
拟的。本研究首次利用空间环境对万隆霉素产生菌进
行诱变 ,2 次空间诱变灰色变异链霉菌的正突变率较
高 ,分别为 21133 %和 1615 % ,表明灰色变异链霉菌对
空间环境敏感。现今 ,我国农用抗生素产业化的主要
瓶颈在于菌种选育缺少突破性进展 ,产素能力太低 ,使
得生产成本过高 ,因此研究新的育种方法成为当务之
急。而链霉菌 ( Streptomyces)是农用抗生素的主要产生
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菌 ,寻找链霉菌有效育种方法意义重大。方晓梅等[10 ]
报道 ,在“神舟”1、3、4 号飞船上连续对弗氏链霉菌 ( S .
f radiae)进行空间诱变 ,获得产泰乐菌素能力提高 18 %
的高产菌株。白骅等[11 ] 利用空间环境对毒三素链霉
菌 ( S . toxytricini) 进行诱变 ,其正突变率高达 39 % ,筛
选出产素能力提高 2813 %的突变株。王璋等[12 ] 将生
产微生物谷氨酰胺转氨酶系 (MTG) 的链霉菌 WZFF. L2
M1 搭载“神舟”4 号飞船进行诱变 ,筛选到 5 株产酶活
力提高 30 %的突变株。以上研究表明空间诱变对链
霉菌是一种行之有效的育种方法。
4  结论
将万隆霉素菌株连续 2 次搭载返回式科技试验卫
星进行空间诱变 ,通过初筛、复筛 ,获得高产突变株
W32356 ,万隆霉素产量较出发菌株提高 1183 倍 ,且产
素能力具有遗传稳定性。在营养特征培养基上 ,突变
株形态有一定改变。在发酵过程中 ,突变株 W32356 对
碳源和氮源的利用率高于出发菌株 ,发酵周期缩短了
12h。研究结果表明 :菌株 W32356 是一株性状优良的
高产突变株。
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