微生物遺傳育種課程論文

1、微生物單細(xì)胞蛋白的遺傳選育和應(yīng)用前景張臣（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物工程專業(yè)09級03班）摘 要隨著世界人口的不斷增長，糧食和飼料不足的情況日益嚴(yán)重。面對這一嚴(yán)峻的現(xiàn)實(shí)，單細(xì)胞蛋白的開發(fā)與生產(chǎn)為解決人類食品和飼料問題開辟了新的途徑。因此，對生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的微生物利用誘變育種、航天育種、反向代謝工程育種和基因工程育種等現(xiàn)代微生物育種技術(shù)進(jìn)行遺傳選育越來越有必要。一旦我們能根據(jù)自己的需要來設(shè)計(jì)和獲得某種單細(xì)胞蛋白，這將會(huì)解決一直困擾人類的糧食問題，甚至還會(huì)推動(dòng)其他很多行業(yè)和領(lǐng)域的發(fā)展。關(guān)鍵詞 微生物 單細(xì)胞蛋白 生物特性 遺傳選育 應(yīng)用前景GENETIC BREEDING AND APPLICA

2、TION PROSPECT ABOUT SIMPLE CELL PROTEIN OF MICROBE AbstractWith the world population growing, the lack of food and feed is more and more serious. Faced with such severe situation, the development and production of simple cell protein (SCP) supply a new way to solve the problem. Therefore, it is more

3、 and more necessary to deal with the microbe that can produce SCP by means of modern microbial breeding technology, such as mutation breeding, space breeding, reverse metabolic engineering breeding and Gene engineering breeding. Once we can design and get a single cell protein according to our own n

4、eeds, it will work out the food problem that has been perplexing human beings for a long time. In addition, it may push some other industries and fields forward.Key words: Microbe；Simple cell protein；Biological characteristics；Genetic breeding；Application prospect微生物細(xì)胞含有豐富的蛋白質(zhì)，而這正是人和動(dòng)物不可缺少的營養(yǎng)物質(zhì)，這是微生

5、物食品倍受青睞的一個(gè)原因。人們熱衷于微生物食品的開發(fā)，還有一個(gè)重要的原因，就是它可以解決因人們對蛋白質(zhì)的需求增加而導(dǎo)致的糧食供求矛盾。因?yàn)槿藦膭?dòng)物中獲取蛋白質(zhì)營養(yǎng)，而動(dòng)物的蛋白來源往往又離不開以糧食作為主要原料的飼料供應(yīng)，因此人們對蛋白質(zhì)的需求量增加，也就導(dǎo)致了用于蛋白質(zhì)生產(chǎn)的間接糧食消耗的增加。由于耕地的減少、人口的增加，難以提供更多的糧食用于改善人們的食品結(jié)構(gòu)。而微生物可以幫助人類解決這一矛盾。真菌、酵母菌、單細(xì)胞藻類、細(xì)菌等微生物的結(jié)構(gòu)十分簡單，往往一個(gè)個(gè)體就是一個(gè)細(xì)胞，然而它們生產(chǎn)蛋白質(zhì)的本領(lǐng)卻很強(qiáng)，所需要的培養(yǎng)條件簡單，對底物的要求也不高。因此人們選準(zhǔn)了這些細(xì)胞生物作為獲取蛋白飼料和

6、食品的源泉。通過培養(yǎng)單細(xì)胞微生物獲得的蛋白質(zhì)稱為單細(xì)胞蛋白。一般從單細(xì)胞培養(yǎng)物中可以獲得45%-80%的蛋白質(zhì)，18-20種氨基酸，此外還有豐富的維生素、脂肪和糖類，對人和動(dòng)物均具有較高的營養(yǎng)價(jià)值，且各種氨基酸搭配合理，維生素含量高、成本低、產(chǎn)量高、原料廣等特點(diǎn)，特別對于緩解世界面臨食物短缺、環(huán)境污染和能源缺乏等問題尤其顯得重要?！?】通過對生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的菌種進(jìn)行遺傳選育，利用誘變育種、航天育種、反向代謝工程育種和基因工程育種等現(xiàn)代微生物育種技術(shù)改變其生物學(xué)特性，比如通過誘變提高產(chǎn)量或者改變蛋白結(jié)構(gòu)等，從而獲得人類想要的蛋白。這要比飼養(yǎng)家畜更加方便，更加廉價(jià)，甚至更加高產(chǎn)。一、單細(xì)胞蛋白的特

7、性與來源單細(xì)胞蛋白是通過培養(yǎng)單細(xì)胞生物而獲得的菌體蛋白質(zhì)。用于生產(chǎn)SCP的單細(xì)胞生物包括微型藻類、非病原細(xì)菌、酵母菌類和真菌。1.1 單細(xì)胞蛋白的生物特性【2】.1 SCP營養(yǎng)豐富蛋白質(zhì)含量高達(dá)40%80%，比大豆高10%20%，比肉、魚、奶酪高20%以上；氨基酸的組成較為齊全，含有人體必需的8種氨基酸，尤其是谷物中含量較少的賴氨酸。單細(xì)胞蛋白中還含有多種維生素、碳水化合物、脂類、礦物質(zhì)，以及豐富的酶類和生物活性物質(zhì)，如輔酶A、輔酶Q、谷胱甘肽、麥角固醇等。1.1.2 原料來源廣泛生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的原料來源極為廣泛，成本較低 。一般分為四類：一是糖質(zhì)原料，如淀粉或纖維素的水解液、亞硫酸紙漿廢液、

8、制糖的廢蜜等；二是石油原料，如柴油、正烷烴、天然氣等；三是石油化工產(chǎn)品，如醋酸、甲醇、乙醇等；四是氫氣和碳酸氣。最有前途的原料是可再生的植物資源，如農(nóng)林加工產(chǎn)品的下腳料、食品工廠的廢水下腳料等。這些資源數(shù)量多，而且用后可以再生，還可實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)。 生產(chǎn)速率高一般蛋白質(zhì)生產(chǎn)速度同豬、牛、羊等體重的倍增時(shí)間成正比。微生物的倍增時(shí)間比牛、豬、雞等快千萬倍，如細(xì)菌、酵母菌的倍增時(shí)間為20120h，霉菌和綠藻類為26h，植物12周，牛12個(gè)月，豬46周。據(jù)估計(jì)，一頭500kg公牛每天生產(chǎn)蛋白質(zhì)，而500kg酵母至少生產(chǎn)蛋白質(zhì)500kg。1. 勞動(dòng)生產(chǎn)率高  生產(chǎn)不受季節(jié)氣候的制約，易于人工控制

9、，同時(shí)由于在大型發(fā)酵罐中立體式培養(yǎng)占地面積少。如年產(chǎn)10萬噸SCP工廠，以酵母計(jì)，按含蛋白質(zhì)45%計(jì)算，一年所產(chǎn)蛋白質(zhì)為45000t。一畝大豆按畝產(chǎn)200kg計(jì)，含蛋白質(zhì)40%，則一年為80kg蛋白質(zhì)，所以，一個(gè)SCP工廠所產(chǎn)蛋白質(zhì)相當(dāng)于562500畝土地所產(chǎn)的大豆。1. 可以完全工業(yè)化生產(chǎn)  單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)比農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要的勞動(dòng)力少，又不受地區(qū)、季節(jié)和氣候條件的制約，可在占地有限的小設(shè)備上進(jìn)行，不僅數(shù)量大，而且質(zhì)量好，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有糧食品種的蛋白質(zhì)。許多國家單細(xì)胞蛋白的生產(chǎn)已具有很大的規(guī)模，取得了豐碩成果。前蘇聯(lián)年產(chǎn)單細(xì)胞蛋白質(zhì)達(dá)數(shù)百萬噸以上，保加利亞也有幾十萬噸之多。德國、美國、前蘇

10、聯(lián)、加拿大等國早已用單細(xì)胞高活性生物飼料代替了魚粉。1. 單細(xì)胞生物易誘變，比動(dòng)、植物品種容易改良  可采用物理、化學(xué)、生物學(xué)方法定向誘變育種，獲得蛋白質(zhì)含量高、質(zhì)量好、味美，并易于提取蛋白質(zhì)的優(yōu)良菌種。1.2 用于生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的微生物種類用于生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的微生物種類很多，包括細(xì)菌、放線菌、酵母菌、霉菌以及某些原生生物。這些微生物通常要具備下列條件：所生產(chǎn)的蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)含量高，對人體無致病作用，味道好并且易消化吸收，對培養(yǎng)條件要求簡單，生長繁殖迅速等。單細(xì)胞蛋白的生產(chǎn)過程也比較簡單：在培養(yǎng)液配制及滅菌完成以后，將它們和菌種投放到發(fā)酵罐中，控制好發(fā)酵條件，菌種就會(huì)迅速繁殖；發(fā)酵

11、完畢，用離心、沉淀等方法收集菌體，最后經(jīng)過干燥處理，就制成了單細(xì)胞蛋白成品?！?】二、菌種的遺傳學(xué)選育回顧微生物育種技術(shù)的發(fā)展過程，其大至分為自然選育、誘變育種、雜交育種、代謝控制育種以及基因工程育種幾個(gè)階段。對微生物進(jìn)行育種是進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)的重要前提，育種后必須適合大規(guī)模培養(yǎng)的工藝要求，并且擁有相對穩(wěn)定的遺傳性能，不能輕易發(fā)生變異。然而國內(nèi)對單細(xì)胞蛋白的研究主要是集中在了對生產(chǎn)工藝的研究上，既然選育菌種是所有工作的前提，那么就很有必要探討一下育種技術(shù)在生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白上的應(yīng)用。2.1 高產(chǎn)單細(xì)胞蛋白酵母的誘變育種國內(nèi)某高校在2010年曾對單細(xì)胞蛋白酵母進(jìn)行了誘變育種及培養(yǎng)條件的優(yōu)化，從而獲得了

12、高產(chǎn)的酵母菌?！?】所使用的供試材料為某啤酒廠廢棄的啤酒酵母泥，從啤酒廢酵母把中分離純化釀酒酵母，紫外誘變使其發(fā)生基因突變，培養(yǎng)一段時(shí)間后，用分光光度計(jì)測定吸光度篩選出吸光度大于出發(fā)菌株的誘變菌。將初篩得到的菌株制備成種子液，接到基礎(chǔ)發(fā)酵培養(yǎng)基，搖床培養(yǎng)一段時(shí)間后，將發(fā)酵液離心并用蒸榴水洗滌，收集菌體，研磨成粉，用凱氏定氨怯測定其SCP含量，篩選出SCP含量較高的誘變菌株。用紫外線對出發(fā)菌株進(jìn)行照射，選擇適當(dāng)?shù)恼丈鋾r(shí)間，經(jīng)過初篩和復(fù)篩得到誘變菌株是關(guān)鍵。值得注意的是，一定要控制好照射時(shí)間，如果照射時(shí)間過長，可能導(dǎo)致菌體細(xì)胞大量死亡；照射時(shí)間過短，就會(huì)起不到誘變的作用。再對誘變條件進(jìn)行優(yōu)化，如從

13、PH、培養(yǎng)溫度、接種量和碳源等方面進(jìn)行改進(jìn)，會(huì)使誘變育種更加成熟，效率更高。雖然化學(xué)誘變劑也能起到很好的誘變效果，但是會(huì)對蛋白有比較大的損害，而我們所要獲得的產(chǎn)品就是蛋白，所以化學(xué)誘變劑很少采用，最好還是采用物理或生物的方法進(jìn)行誘變育種。誘變育種和其他育種方法相比，具有速度快、收益大、方法簡單等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前菌種選育的一種主要方法，在生產(chǎn)中使用的十分普遍。但是誘變育種缺乏定向性，因此誘變突變必須與大規(guī)模的篩選工作相配合才能收到良好的效果。在物理誘變因素中，紫外線比較有效、適用、安全，其他幾種射線都是電離性質(zhì)的，具有穿透力，使用時(shí)有一定的危險(xiǎn)性。目前，多種誘變劑的誘變效果、作用時(shí)間、方法都已基本確

14、定，人們可以有目的、有選擇地使用各種誘變劑以達(dá)到預(yù)期的育種效果。2.2 航天誘變高產(chǎn)單細(xì)胞蛋白菌株航天育種起初只是應(yīng)用在種子的誘變和培育方面，不過隨著微生物技術(shù)的不斷進(jìn)步，已逐漸滲透到人們的生活中，利用微生物當(dāng)生產(chǎn)用的“種子”已經(jīng)嶄露頭角。自然而然的，各國的科學(xué)技術(shù)人員做了很多航天誘變微生物菌種的試驗(yàn)，以求獲得人們所需要的菌株。將航天高技術(shù)與傳統(tǒng)的物理化學(xué)誘變及分子技術(shù)等相結(jié)合，利用衛(wèi)星或高空氣球攜帶，搭載微生物等生物體樣品，經(jīng)特殊的空間環(huán)境條件（強(qiáng)宇宙射線，高真空，微重力等）作用引起生物體的染色體畸變，進(jìn)而導(dǎo)致生物體遺傳變異，經(jīng)地面選育試驗(yàn)后，能快速而有效地育成生物的新品種，供生產(chǎn)和研究使用

15、。2008年時(shí)有關(guān)的科學(xué)技術(shù)人員就利用航天誘變技術(shù)獲得了高產(chǎn)單細(xì)胞蛋白啤酒酵母YB-6菌株?！?】他們通過對經(jīng)航天誘變的啤酒酵母多級平板分離、搖瓶篩選，得到了一株能在玉米秸稈水解液中生長且高產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的 YB-6菌株。2.3 利用雜交育種技術(shù)獲得優(yōu)良菌株雜交育種是利用兩個(gè)或多個(gè)遺傳性狀差異較大菌株，通過有性雜交、準(zhǔn)性雜交、原生質(zhì)體融合和遺傳轉(zhuǎn)化等方式，而導(dǎo)致其菌株間的基因的重組，把親代優(yōu)良性狀集中在后代中的一種育種技術(shù)。雜交育種理論基礎(chǔ)是基因重組。由于雜交育種選用了已知性的供體菌和受體菌作為親本，所以不論是方向性還是自覺性,均比誘變育種前進(jìn)了一大步。6對生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的菌種進(jìn)行雜交育種時(shí)，兩

16、種菌種可以都是產(chǎn)蛋白的菌株，這樣就會(huì)增加產(chǎn)品的營養(yǎng)價(jià)值，也可以是一種產(chǎn)蛋白的菌株與另一種生長速率很快的菌株雜交，這樣可以大大提高蛋白的產(chǎn)量。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)逐步取代了傳統(tǒng)的誘變育種技術(shù)，具有高效性和很強(qiáng)的目的性。2.4 利用基因組改組技術(shù)獲得優(yōu)良菌株蛋白質(zhì)往往是多亞基的，而不同的亞基往往是由不同的基因控制的，這就需要我們對菌種的遺傳背景有充分的了解才行。而基因組改組技術(shù)無須對菌種遺傳背景十分清楚，能夠有效地對由“多基因”調(diào)控的性狀進(jìn)行改良。宏基因組的研究為基因組改組技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。它是通過直接提取環(huán)境中的混合微生物總基因組，并構(gòu)建宏基因組文庫，直接得到環(huán)境中微生物的遺傳信息，從而避免了微生物

17、分離純化的繁瑣過程。因此一個(gè)宏基因組文庫就包含了某一特定環(huán)境中全部的基因多樣性。如果以宏基因組作為微生物育種的定向進(jìn)化來源進(jìn)行基因組改組，將得到取之不盡的遺傳多樣性，為微生物育種提供更加廣闊的選擇空間，預(yù)示著宏基因組改組技術(shù)在微生物育種以及應(yīng)用上有著廣闊的前景。7目前已有報(bào)道將宏基因組作為提供多樣性蛋白質(zhì)的來源，通過宏基因組的DNA改組，得到了原核生物微量表達(dá)的稀有蛋白質(zhì)。2.5 利用反向代謝工程育種技術(shù)獲得所需菌株代謝工程發(fā)展的三個(gè)階段：正向代謝工程、反向代謝工程和進(jìn)化代謝工程。利用基因組學(xué)進(jìn)行的稱為反向代謝工程。傳統(tǒng)的代謝工程以代謝反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，以代謝分析和代謝改造為主。20世紀(jì)80年代

18、興起反向代謝工程，從限制生物活性的主要因素入手，確定決定某表型的基因型，然后用基因重組技術(shù)將目的基因?qū)胨拗骶校⒌玫剿Ｍ睦硐氡硇?。蛋白質(zhì)工程就是其中一項(xiàng)利用反向代謝的原理而出現(xiàn)的新技術(shù)。蛋白質(zhì)的化學(xué)合成和修飾以及利用基因工程進(jìn)行蛋白質(zhì)表達(dá)是人類認(rèn)識和利用蛋白質(zhì)的巨大的飛躍。然而人們并不能滿足于此，因?yàn)椴徽撌堑鞍踪|(zhì)的人工合成還是天然蛋白質(zhì)的化學(xué)修飾都存在很多局限，如得到的多肽長度、成本、修飾專一性等問題。相比之下基因工程表達(dá)蛋白質(zhì)有很大的優(yōu)勢，但離達(dá)到人們所需要的蛋白質(zhì)的性能還有很大距離。這就向蛋白質(zhì)的研究利用提出了更高的要求，蛋白質(zhì)工程恰恰能夠滿足這個(gè)要求。8實(shí)施目標(biāo)是運(yùn)用基因工程的D

19、NA重組技術(shù)，將克隆后的基因編碼加以改造，或者人工組裝成新的基因，再將上述基因通過載體引入挑選的宿主系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行表達(dá)，從而產(chǎn)生符合人類設(shè)計(jì)需要的“突變型”蛋白質(zhì)分子。這種蛋白質(zhì)分子只有表達(dá)了人類需要的性狀，才算是實(shí)現(xiàn)了蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)。目前，利用反向代謝工程選育菌株已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)，隨著這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，人們將會(huì)獲得自己想要的任何一種且在自然界中不存在的蛋白質(zhì)。三、SCP的生產(chǎn)現(xiàn)狀及應(yīng)用前景展望3.1 單細(xì)胞蛋白的生產(chǎn)特性單細(xì)胞蛋白質(zhì)生產(chǎn)周期短。單細(xì)胞生物繁殖特別快，世代周轉(zhuǎn)迅速。如酵母菌在良好條件下每接種100千克，1天即可獲得2500千克酵母，其生長繁殖速度約為大豆的1300倍，為動(dòng)物生長的2

20、000倍。所以，這類飼料生長速度快，世代周轉(zhuǎn)迅速。生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白質(zhì)飼料產(chǎn)品的原料多為烴類及其衍生物、天然氣、石油加工副產(chǎn)品、有機(jī)垃圾、紙漿、糖蜜、蒿稈粉等，原料來源廣，可充分利用工農(nóng)業(yè)的廢物，凈化污水，減少環(huán)境污染；另一方面，可以工業(yè)化生產(chǎn)，不與農(nóng)業(yè)爭地，也不受氣候條件限制。23.2 SCP的生產(chǎn)現(xiàn)狀 我國SCP生產(chǎn)始于1922年,1986年4月10日，噸，1990年SCP超過2萬噸，1991年總產(chǎn)量6萬噸噸，1992年固體酵母達(dá)8萬噸，1993年超過1萬噸，到2000年發(fā)展到15萬噸。2我國是農(nóng)業(yè)大國，食物結(jié)構(gòu)以植物蛋白為主，動(dòng)物蛋白的攝入量與歐美各國相差懸殊，為了提高人民群眾的體質(zhì)，SCP

21、單細(xì)胞蛋白的開發(fā)與生產(chǎn)為解決人類食品和飼料問題開辟了新的途徑。3.3 前景展望 當(dāng)代世界的五大問題是人口、食物、資源、環(huán)境和能源問題，特別是食物和環(huán)境問題越來越引起社會(huì)的關(guān)注。生產(chǎn)SCP一方面可以利用各種廢棄物、廢液、廢渣來作為原料來源，從而降低環(huán)境污染；另一方面，可以獲得大量的蛋白質(zhì)、維生素等營養(yǎng)物質(zhì)，用作動(dòng)物飼料和食品，從而緩解食物危機(jī)。若以蛋白質(zhì)含量計(jì)算,1公斤單細(xì)胞蛋白相當(dāng)于1-1.5公斤大豆.建立一座5只100噸發(fā)酵罐的工廠,可以年產(chǎn)5000噸單細(xì)胞蛋白,相當(dāng)于5萬畝耕地上種植大豆的產(chǎn)量。SCP的生產(chǎn)越來越引起世界各國的重視，特別是在美、英、德、法等國，SCP的產(chǎn)量都相當(dāng)?shù)母咔壹夹g(shù)也

22、比較成熟。因此單細(xì)胞蛋白的開發(fā)和生產(chǎn)在我國更具有廣闊的前景。3.4 觀點(diǎn)與認(rèn)識蛋白質(zhì)和DNA的轉(zhuǎn)錄、翻譯的研究是當(dāng)今生物學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，蛋白質(zhì)直接決定生物的表型，是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，沒有蛋白質(zhì)就沒有生命。因此，它是與生命及與各種形式的生命活動(dòng)緊密聯(lián)系在一起的物質(zhì)。機(jī)體中的每一個(gè)細(xì)胞和所有重要組成部分都有蛋白質(zhì)參與，人體內(nèi)蛋白質(zhì)的種類很多，性質(zhì)、功能各異，但都是由20多種氨基酸按不同比例組合而成的，并在體內(nèi)不斷進(jìn)行代謝與更新。20種氨基酸竟能構(gòu)成大自然中數(shù)以億計(jì)的蛋白質(zhì)，這引起了我們的極大的好奇。如果我們能對構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸以及它們之間的相互作用有更加深入的研究，這不僅能幫助我們解決目前仍

23、未攻克的疾病，就是對于研究生物進(jìn)化與起源也有重要意義。蛋白質(zhì)如此重要，大規(guī)模的生產(chǎn)蛋白質(zhì)就不可忽略，利用微生物進(jìn)行生產(chǎn)有很多的優(yōu)點(diǎn)，然而這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展只是處在起步階段，這就需要我們不斷地學(xué)習(xí)前人的經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)文化知識，積極投身到生產(chǎn)微生物單細(xì)胞蛋白的領(lǐng)域中去。References1Guo Xueshan, Xiao Mei. Single cell protein application and development prospectJ, Food and Nutrition in China,2006,5(1):2324.2Zhang Bailin. Biological technolog

24、y and food processing. Beijing: Chemical Industry Press,2005.3Xu Dehua. Single cell protein production situation and use J. Jourmal of Huaihua teachers college. 1999,18（2）：106109.4Wang Cheng, Huo Yichuan, Liu Jiaqi. Screening of yeast with high-yield single cell protein by UV mu1ation and optimization of its culture conditions J. Modern agriculture technology. 2010, 9(1):1621.5Ma Xuguang, Zhang Zongzhou. Space mutation high yield single cell protein beer yeast YB-six strains screening J. Chinese Forage,2008, 4(1):4244.6Zhao Cha