全 文 ：文章编号 :100028551 (2004) 042294203
微生物空间诱变育种的研究进展
张玲华1 ,2 　田兴山2 3
(11 华南理工大学生物工程学院 ,广东 广州　510640 ; 21 广东省农科院农业生物技术研究所 ,广东 广州　510640)
摘 　要 :空间诱变是一种新型的微生物育种手段。本文主要根据国内外微生物空间诱变的研究
近况 ,概述在空间环境中诱发微生物变异的机制及微生物代谢活性的研究进展。
关键词 :微生物 ;空间诱变育种 ;现状
STATUS IN SPACE MICROORGANISM MUTATION BREEDING
ZHANGLing2hua1 ,2 　TIAN Xing2shan2 3
(1. South China University of Technology , Biological Engineering Institute , Guangzhou , Guangdong , 510640 ;
21Bio2Tech Research Institute , Guangdong Academy of Agricultural Sciences , Guangzhou , Guangdong , 510640)
Abstract :Space Mutation is a new effective way for the microorganism breeding. The mechanism and the status of
space microorsanism mutation are discussed in this paper.
Key words :microorganism ; space mutation breeding ; status
收稿日期 :2004206204
作者简介 :张玲华 (1973～) ,女 ,在职博士 ,从事微生物育种方面的研究。3 通讯作者
随着人类对空间资源的开发利用和世界航天工业的发展 ,空间环境对生物体的效应研究受到重视 ,
国内外也将研究重点放在空间微生物的诱变育种上。从 1957 —1988 年已经进行空间生命科学研究的
卫星有 109 个[1 ] ,几乎每次均搭载微生物材料。近年空间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领域 ,并开始进行地面模拟失重实验。本文总结了近几年来对空间诱
变在微生物菌种选育方面的研究进展。
1 　空间诱发微生物突变的作用机制研究
微重力可以使许多微生物生长加快一倍以上 ,这可能是因为在微重力条件下空气中的氧可以均匀
地供应细菌[2 ] 。在探查微重力环境对辐射诱导遗传物质损伤的影响方面 ,国外做了大量的宏观和微观
研究。Pross[3 ]等提出了一个空间试验的设计方案 ,分析微重力环境对辐射 DNA 链断裂修复的影响 ,发
现微生物在空间条件下 ,兼有它的稳定性和变异性 ;微重力环境可能干扰 DNA 损伤修复系统的正常动
作 ,即阻延或抑制 DNA 链断裂的修复。A. Takahashi 等[4 ] 分析了太空环境中微重力对 Escherichia ( E. )
coli and Saccharomyces ( S . ) cerevisiae 的作用效果 ,两种菌株经过太空飞行后 ,其 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。
G. Horneck 等对芽孢杆菌孢子和大肠杆菌 (pUC19 质料)航天搭载以后的生存能力、his 位点突变 (芽
孢杆菌) 、lac 位点突变 (大肠杆菌) 、DNA 链的断裂、修复系统的效率等进行了研究 ,并与地面处理材料进
行了比较 ,结果表明孢子突变频率提高 ,但对质粒 DNA 无影响[5 ] 。Jian2Jun Qi 等[6 ] 采用改良的 CTAB 方
法提取经太空飞行的 4 株 Ganoderma lucidurn 菌株的 DNA ,用 AFLP 法分析遗传性状的改变情况 ,结果 4
株均出现正突变。我国学者翁曼丽在大肠杆菌空间诱变变异规律方面做了大量的工作 ,创造不同条件
492　 核 农 学 报　2004 ,18 (4) :294～296Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
搭载三株大肠杆菌菌种的结果表明 :经小生物舱搭载的 A3 菌株产生的 lacl - 突变体的频率是地面对照
的 67 倍 ;铅罐中搭载的 CSH108 菌株产生 Arg+ 的回复突变频率是场面对照的 10 倍左右 ,而且回复体中
无抑制基因的突变频率明显增加。由此可见 ,空间条件有可能显著地提高微生物中某些基因的突变频
率 ,空间处理可成为获得微生物优良菌种的有效途径[7 ,8 ] 。
2 　微生物空间诱变的研究与进展
211 　空间诱变对微生物产酶活性的影响
美国研究员曾将黑曲霉于 1984 年放入太空长期飞行器中 ,1990 年取回发酵 ,发现单宁酸酶产生率
提高 75 % ,菌株的活性也大幅度提高。1987 年中国科学院微生物所、遗传所、上海植物生理所和解放军
兽医大学等单位搭载了 10 多种微生物材料[9 ,10 ] ,结果显示 :微生物生长速度有较大变异 ,有明显提高、
不变、降低甚至夭亡的三种类型。纤维素酶、果胶酶、淀粉酶的产生菌选出效价成倍提高的菌株 ;双歧杆
菌发生良好的变异 ,菌株稳定性大大提高 ;芽孢杆菌的超氧化物歧化酶的活性也得到较大提高[11 ,12 ] 。
1988 年继续利用卫星搭载微生物菌种 ,返回后进行突变株系的筛选 ,从中选出经济性状良好的纤维素
酶菌种 ,已在生产上发挥良好的作用[13 ] 。中国科学院微生物所二次搭载产邻苯二酚 1 ,22双加氧酶株假
单胞菌No. 40 ( Pseudomonas sp . No. 40) ,1987 年空间处理材料中选出了相对酶活力 123 (对照为 100) ;1990
年卫星处理的平均酶活力为 106 ,并从中分离出相对酶活力 139 的菌株 ,产酶量较稳定[14 ] 。微生物所刘
志恒等 1994 年搭载了甘露聚糖酶产生菌 ,在空间处理后选出的个别菌株比对照提高 90 %以上 ,蛋白酶
提高 50 %～70 %。王璋[15 ]等将产谷氨酰胺转胺酶链霉菌搭载上“神舟 4 号”无人飞船进行航空育种 ,发
现搭载菌株的菌落形态发生变异 ,并与产酶能力有一定相关。通过对搭载菌株的初筛与复筛的菌种选
育驯化 ,获得一系列产酶能力大幅度提高的优良突变菌株 ,产酶活力提高了 30 %以上。
212 　空间诱变对微生物产次级代谢产物活性的影响
中国科学院上海植物生理所于 1987 年、1990 年 2 次将赤霉素产生菌 ( Gibberella f ujikuroi)进行卫星搭
载 ,1987 年搭载的结果是空间飞行组平均效价比对照提高 1116 % ;1990 年搭载的结果为空间飞行组平
均效价比对照组提高 1112 %。又在 1994 年搭载头孢菌素工种菌 ( E. coli A5623ΠpMR24) ,从中筛选出酶
活性比对照提高了 4135 倍的株系 ,托布拉霉素生产菌效价提高 38 %[16 ] 。
1990 年 10 月 ,中科院遗传所和上海第四制药厂合作搭载的难以诱变的棘孢小单孢菌产庆大霉素的
摇瓶效价增高 27 %～37 %[17 ] 。1992 年又搭载了莫能霉素 (monensin) 生产菌肉桂地霉素菌 ,从不到 500
个单菌落中筛选出 2 个特大抑菌圈菌株。1994 年搭载头孢菌素酰化酶基因工程菌获得酶活性比对照
高 4135 倍 ,1996 年利用返地卫星搭载了 10 个微生物菌种 ,其中 6 个抗菌素菌种都获得多种良好的变
异[18 ] 。中科院微生物所刘志恒[19 ] 等 1996 年搭载的 NIKKO 霉素产生菌选出抗生素效价提高 13 %～
18 % ,NIKKO 霉素 X组分和 Z组分亦有所提高。自 1998 年至 2003 年 ,亨通光华公司“神舟三号”口服液
的生产菌种连续 4 次搭载神舟号系列宇宙飞船[20 ] 。在太空微重力、强辐射、高能粒子、交变磁场特殊环
境下 ,使菌种产生基因变异 ,然后在地面培育、筛选 ,使其能效比搭载前提高了 4～6 倍。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于 1999 年 11 月随着“神舟 1 号”进行了太空遨游。红曲
霉菌里面提取的他汀类药物成分在太空这样一个特殊的环境下 ,出现了罕见的遗传突变 ,大大的提高了
他汀类成分的含量 ,最大的比传统含量提高了 718 倍。
213 　空间诱变对微生物菌肥活性的影响
太空育种技术也为微生物肥料生产菌种的选育提供了一个新途径。科技人员对 2002 年 12 月 30
日首次上天的 4 个微生物肥料菌种的菌落形态、菌体形态、温度生长、芽孢耐热性、代谢产物等进行了一
系列研究 ,选育出了具有固氮、解磷、解钾能力强并互不拮抗的多种菌株 ,研制了适应优良菌种快速生长
繁育的高效专用培养基 ,制成了增效复全微生物菌种剂 ,增强了菌种抗逆性 ,使菌种保存期达到 2 年以
上 ,是国家标准的 4 倍。成功解决了原有微生物菌种在生产中存在的菌种活性差、发酵时间长、有效活
菌少、保存时间短等重大技术难题 ,提高了有效活菌总数和质量 ,使产品在实践应用中取得良好效
果[21 ] 。
592　4 期 微生物空间诱变育种的研究进展
3 　问题和展望
空间诱变是空间条件处理微生物诱变育种的有效方法 ,微生物的诱变育种的直接应用可以提高产
量 ,改善菌种的有利性状 ,创造新品种 ;间接应用包括诱发突变应用于转导或杂交 ,代谢途径的阐明和遗
传图谱的制定 ,生态领域研究等方面。但研究工作侧重于直观描述 ,微生物应用基础理论研究甚少。今
后应深入探讨主要诱变因素及其作用的生化和分子生物学机理 ,研究各诱变因素间的相互作用及对各
变异类型的发生频率和所选性状的遗传规律进行统计分析 ,以提高菌种选育的预见性及空间诱变的利
用价值。
由于不同种属的微生物遗传学背景本身存在着差异性 ,在一些空间试验中发现遗传结构的损伤 ,而
在另一些试验中却没有。因此很难分析研究结果不一致的原因。因此 ,空间技术育种能否最终成为菌
种诱变育种学科新的生长点 ,不仅需要从菌种选育的实践中不断验证 ,还需要验证其所依赖的理论依
据。
利用体积小、重量轻、包装简单便于搭载的菌种等生物材料 ,进行空间诱变育种 ,是培育生物新品种
(系)的有效途径 ,不但在经济上具有重要意义 ,而且在探索空间条件对生物体影响的机理和为人类开拓
利用空间资源等方面均具有重要的理论和实际意义 ,具有广阔的应用前景[1 ] 。随着科学技术的进步和
研究的深入 ,空间诱变技术经实践证明既能明显改良微生物某些发酵特性 ,又能获得地面育种所难以得
到且对重要经济性状产生突破性影响的罕见突变。它将成为推动中国 21 世纪经济发展的重要科技手
段之一。
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