发酵工艺学菌种选育.pptx
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《菌种的选育》PPT课件
1.抗噬菌体性状的稳定性实验 点滴法、双层琼脂法。
2.抗性菌株的产量实验 3.真正抗性和溶原性的区别
2.5.3 噬菌体的防治 噬菌体的危害：引起发酵液变稀,
引起菌丝体变形,消解,发酵终产物积累 停止甚至下降. 怎样防治? 1.正确判断 2.普及有关噬菌体的知识 3.选育抗噬菌体菌株 4.消灭噬菌体 5.收集和保存噬菌体
物理：紫外，快中子
{ 诱变剂 生物诱变剂 噬菌体 化学：硫酸二乙酯，亚硝基胍
2.4.2.1 诱变育种的一般步骤见 (p38) 整个流程主要包括:诱变和筛选. 诱变育种中的几个注意问题 1.出发菌株的选择
出发菌株标准:产量高、对诱变剂的 敏感性大、变异幅度大。
待处理的菌悬液应考虑微生物的生理 状态、悬液的均一性和环境条件。一般要 求菌体处于对数生长期，并采取一定的措 施促使细胞处于同步生长,这样有利于变 异率提高得到很好的重现性。
自然状态下，碱基对发生自然突变的机率为10-8～10-9
自然突变有两种情况：
一种是我们生产上所不希望看到的，表现为菌株的衰 退和生产质量的下降，这种突变成为负突变。
另一种是我们生产上希望看到的，对生产有利，这种突 变成为正突变。
自然选育在工业生产上的意义
问题： 高产菌株是正突变高，还是负突变高？ 回复突变：高产菌株在传代的过程中，由于自然突变导致 高产性状的丢失，生产性能下降，这种情况我们称为回复 突变
营养缺陷性:微生物经诱变剂处理, 由于基因突变,失去了合成某种物质 的能力,不能在基本培养基上生长需 要补加一定种类的有机物质后才能 生长.
2.6.1 细菌的杂交育种
A-B+Lac-SMrT1s
A+B-Lac+SMsT1r
A-B+Lac-SMrT1s A-B-Lac+SMsT1r A+B+Lac+SMrT1r A+B+Lac+SMsT1s
菌种选育实用PPT课件PPT课件
第24页/共90页
例：醛肟水解酶的筛选 --Journal of biotechnology 94(2002), 65-72
培养基中含0.05% of Z-PAOx 每隔2-3天移去一半培养物，补充新鲜培养基 不断分析样品，2-3个月后Z-PAOx降低后，稀释分离条菌落
第25页/共90页
目的微生物富集方法的研究进展
第一节 微生物的特性及工业微生物的要求
一、微生物的特性 ❖ 有些微生物能在厌氧的条件下生长； ❖ 有些微生物能够利用简单的有机物和无机物满足自身 的生长； ❖ 有些微生物能进行复杂的代谢； ❖ 有些微生物能利用较复杂的化合物； ❖ 有些微生物能在极端的环境下生长。
第1页/共90页
二：工业化菌种的要求
1g
99ml 1/100
9ml
9ml
9ml
1/1000 10-4 10-5
9ml
10-6
9ml
10-7
9ml
10-8
第28页/共90页
a.倾注平皿分离法 b.涂布平皿分离法
1.稀释平皿分离法
第29页/共90页
2.平皿划线分离法 a.分区划线分离法
b.连续划线分离法
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菌落的选出
从产物角度出发 在培养时以产物的形成有目的的设计培养基； 利用简单、快速的鉴定方法，如抗生素。
第34页/共90页
目的微生物培养分离
从自然界中分离培养微生物是菌种选育的重要和基础的步骤 。 到 目 前 为 止 ， 还 没 有 一 种 分 离 培 养 方 法 能 揭 示 一 个 试 样 中 所
包含的所有微生物总数和种类。 在 任 一 试 样 中 所 存 在 的 微 生 物 仅 为 极 少 数 特 定 种 类 的 菌 株 ；
《发酵菌种选育》课件
重要性
发酵菌种选育是提高发酵工业生产效率和产品质量的关键环节， 对于降低生产成本、提高经济效益、推动产业发展具有重要意义 。
菌种选育的基本原则
80%
适应性
选育的菌种应适应发酵工业生产 的环境条件，如温度、pH、压力 等。
100%
产率
选育的菌种应具有较高的发酵产 率，以提高生产效率和降低成本 。
80%
人工智能的应用将有助于提高菌种选育的效率和成功率，缩短研发周期，降低研 发成本。同时，人工智能还可以结合自动化技术实现菌种筛选和发酵过程的自动 化控制，提高生产效率。
THANK YOU
感谢聆听
04
发酵菌种选育的应用与案例
在工业生产中的应用
生物能源
发酵菌种可用于生产生物燃料 ，如乙醇、生物柴油等，替代 化石燃料。
化学品生产
发酵菌种可以用于生产各种化 学品，如氨基酸、抗生素、维 生素等。
食品加工
在食品加工中，发酵菌种可用 于生产酸奶、奶酪、面包等食 品。
在农业上的应用
有机肥料
发酵菌种可以将有机废弃物转化为有机肥料，提高土 壤肥力。
合成生物学结合了基因编辑技术和系 统生物学，通过设计和构建人工基因 线路和细胞系统来优化微生物发酵过 程。
随着合成生物学的发展，未来将有望 实现定制化的菌种设计和优化，提高 发酵产物的产量和纯度，降低生产成 本。
人工智能在菌种选育中的应用前景
人工智能技术如机器学习和深度学习能够处理大量的菌种数据，预测和优化菌种 生长和代谢过程。
菌种选育的成功案例分析
青霉素的发现
通过对霉菌的发酵产物进行筛选，发 现了青霉素，为人类治疗细菌感染做 出了巨大贡献。
酵母菌的选育
高赖氨酸玉米的选育
发酵菌种选育是提高发酵工业生产效率和产品质量的关键环节， 对于降低生产成本、提高经济效益、推动产业发展具有重要意义 。
菌种选育的基本原则
80%
适应性
选育的菌种应适应发酵工业生产 的环境条件，如温度、pH、压力 等。
100%
产率
选育的菌种应具有较高的发酵产 率，以提高生产效率和降低成本 。
80%
人工智能的应用将有助于提高菌种选育的效率和成功率，缩短研发周期，降低研 发成本。同时，人工智能还可以结合自动化技术实现菌种筛选和发酵过程的自动 化控制，提高生产效率。
THANK YOU
感谢聆听
04
发酵菌种选育的应用与案例
在工业生产中的应用
生物能源
发酵菌种可用于生产生物燃料 ，如乙醇、生物柴油等，替代 化石燃料。
化学品生产
发酵菌种可以用于生产各种化 学品，如氨基酸、抗生素、维 生素等。
食品加工
在食品加工中，发酵菌种可用 于生产酸奶、奶酪、面包等食 品。
在农业上的应用
有机肥料
发酵菌种可以将有机废弃物转化为有机肥料，提高土 壤肥力。
合成生物学结合了基因编辑技术和系 统生物学，通过设计和构建人工基因 线路和细胞系统来优化微生物发酵过 程。
随着合成生物学的发展，未来将有望 实现定制化的菌种设计和优化，提高 发酵产物的产量和纯度，降低生产成 本。
人工智能在菌种选育中的应用前景
人工智能技术如机器学习和深度学习能够处理大量的菌种数据，预测和优化菌种 生长和代谢过程。
菌种选育的成功案例分析
青霉素的发现
通过对霉菌的发酵产物进行筛选，发 现了青霉素，为人类治疗细菌感染做 出了巨大贡献。
酵母菌的选育
高赖氨酸玉米的选育
发酵工程中的菌种ppt课件
（四）基因工程菌的稳定性
分裂不稳定：分裂时，出现一定比例不含质粒的子代菌； 结构不稳定：指外源基因从质粒上丢失、碱基重排或缺失。 1.产生原因：（常见是分裂不稳定） ①产不含质粒的子代菌的频率； ②两种菌的比生长速率。
质粒拷贝数低时，可增加，但不宜太高（生长负势 ）。 条件有利，高比生长速率，拷贝数降低，但更稳定。 质粒拷贝数过高，增加转录、翻译负担，产物未必增加。
2019 15
３、霉菌的杂交育种
准性生殖过程：不通过有性生殖的基因重组过程． 异核体的形成：两不同性状细胞（菌丝）连接，导致一 细胞存在两个不同遗传型核。 杂合二倍体形成；异核体偶尔发生不同核的融合，形成 杂合核，为双倍体。 菌丝成斑点、扇面——扇变。 体细胞重组：杂合二倍体只具有相对稳定性，繁殖过程 发生染色体交换，单倍化，形成各种分 离子。 准性生殖的单倍体化是一个渐变过程，需要多次分 裂，形成双倍体、非整倍体、单倍体等分离子。
第四章 微生物优良菌种的选育
2019
-
1
微生物发酵的一般流程
培养基配制 种子扩大培养 空气除菌 发酵设备
培养基灭菌
发酵生产
下游处理
2019 2
提纲
微生物优良生产菌种的特征 自然突变选育 诱变选育
原理 基本方法 放线菌 霉菌 酵母菌
杂交育种
细菌
原生质体融合 基因工程技术
基因表达系统 利用大肠杆菌的基因表达系统 利用酵母菌的基因表达系统 基因工程菌的稳定性
２.原生质体融合法：
原生质体制备 原生质体融合和再生 融合子的检出
３.原生质体融合技术在微生物育种中的应用：
选育高产优质菌株 产生新的产物
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-
19
五、基因工程育种
发酵工艺学菌种选育
发酵工艺学菌种选育概述发酵工艺学是研究生物大分子合成和分解的原理、方法及规律的一门学科，主要关注微生物在发酵过程中的应用。
发酵过程中，菌种的选育是一个关键环节，它直接影响到发酵工艺的效果和产物的质量。
本文将从菌种选育的意义、菌种选育的基本原则、菌种选育的方法以及菌种选育的策略等方面进行探讨。
菌种选育的意义菌种选育在发酵工艺中起着至关重要的作用。
通过选育出高效、高产、稳定的菌种，可以提高发酵产物的产量和质量，降低生产成本，提高经济效益。
同时，合适的菌种选育有助于减少废弃物和副产物的产生，降低对环境的影响，实现可持续发展。
菌种选育的基本原则菌种选育的基本原则如下：1.选择适宜的菌株：根据发酵的要求，选择适宜的菌株进行选育。
菌株应具备良好的发酵性能，包括高产、高效、耐受环境变化等特点。
2.遗传稳定性：选育的菌株应具备遗传稳定性，不易发生突变或变异。
3.生理功能完整：菌种应具备完整的生理功能，包括合成目标产物的能力、辅酶的提供、耐受产物的毒性等。
4.兼容性：选育的菌种应与发酵介质相兼容，能够在特定条件下顺利生长和发酵。
5.再生能力：优选的菌种应具备较强的再生能力，能够在长时间存储后迅速恢复生长和产物合成能力。
菌种选育的方法菌种选育的方法多种多样，常用的方法包括：1.传统筛选法：通过大量筛选菌株，根据对目标产物的产量和品质进行评估，选育出优良菌株。
2.突变体筛选法：通过诱变的方法，获得菌株的突变体，然后进行筛选，选出产量高的突变体。
3.重组DNA技术：通过DNA重组技术，将外源基因导入宿主细菌，使其具备合成目标产物的能力。
4.代谢工程法：通过改造菌株代谢途径，调控关键酶的表达水平，增强目标产物的合成能力。
菌种选育的策略菌种选育的策略主要包括：1.多因素优选法：通过对菌种进行多因素的筛选，如温度、pH值、培养基成分等，选出适应性强的菌株。
2.基因库筛选法：通过建立菌株基因库，对多种菌株进行筛选，快速选出理想的菌株。
《发酵菌种选育》课件
《发酵菌种选育》PPT课 件
发酵菌种选育是一门重要的研究领域，本课件将介绍选育过程、筛选方法和 菌种管理的重要性，为发酵技术的发展做出贡献。
一、背景介绍
发酵技术广泛应用于食品、药品和工业等领域，发酵菌种的选择和培养是保证发酵过程成功进行的关键 因素。
二、菌种筛选方法
1
筛选方法的分类
菌种筛选方法可以根据不同的对象和目的进行分类，包括传统和分子生物学方法。
2
常见的菌种筛选方法
包括形态学观察、生理生化指标测定、抗菌活性检测以及基因分析等多种方法。
3
高通量筛选技术
利用自动化设备和大规模平行实验，实现对大量菌株快速筛选和评价。
三、菌种选育过程
菌种来源和采集
从自然环境中收集样品，并进 行筛选和纯化，获得潜在的发 酵菌种。
菌种鉴定和筛选
通过形态学、生理生化特性分 析等方法，确定菌种的分类和 筛选出优势菌株。
菌种培养和改良
将筛选出的菌株进行培养和改 良，以提高其代谢产物的产量 和质量。
四、菌株保藏和管理
菌种保存的方法和适用范围
包括冷冻保存、冻干保存和液氮保存等方法意事项
菌种管理涉及鉴定、纯化、存储和文献记录等，是保证菌株质量和研究可重复性的重要环节。
五、发酵菌种选育的意义和前景
1
发酵菌种选育的贡献和应用优
势
发酵菌种选育的未来发展趋势
2
可以提高发酵产物的产量和质量，推 动食品、制药和生物工程等领域的发
随着研究技术的不断进步，菌种选育
展。
将越来越多地利用生物信息学和人工
智能等技术。
六、结论
1 发酵菌种选育对发酵技术的发展具有重要意义
通过菌种选育的研究和应用，可以提高发酵产物的产量、质量和稳定性。
发酵菌种选育是一门重要的研究领域，本课件将介绍选育过程、筛选方法和 菌种管理的重要性，为发酵技术的发展做出贡献。
一、背景介绍
发酵技术广泛应用于食品、药品和工业等领域，发酵菌种的选择和培养是保证发酵过程成功进行的关键 因素。
二、菌种筛选方法
1
筛选方法的分类
菌种筛选方法可以根据不同的对象和目的进行分类，包括传统和分子生物学方法。
2
常见的菌种筛选方法
包括形态学观察、生理生化指标测定、抗菌活性检测以及基因分析等多种方法。
3
高通量筛选技术
利用自动化设备和大规模平行实验，实现对大量菌株快速筛选和评价。
三、菌种选育过程
菌种来源和采集
从自然环境中收集样品，并进 行筛选和纯化，获得潜在的发 酵菌种。
菌种鉴定和筛选
通过形态学、生理生化特性分 析等方法，确定菌种的分类和 筛选出优势菌株。
菌种培养和改良
将筛选出的菌株进行培养和改 良，以提高其代谢产物的产量 和质量。
四、菌株保藏和管理
菌种保存的方法和适用范围
包括冷冻保存、冻干保存和液氮保存等方法意事项
菌种管理涉及鉴定、纯化、存储和文献记录等，是保证菌株质量和研究可重复性的重要环节。
五、发酵菌种选育的意义和前景
1
发酵菌种选育的贡献和应用优
势
发酵菌种选育的未来发展趋势
2
可以提高发酵产物的产量和质量，推 动食品、制药和生物工程等领域的发
随着研究技术的不断进步，菌种选育
展。
将越来越多地利用生物信息学和人工
智能等技术。
六、结论
1 发酵菌种选育对发酵技术的发展具有重要意义
通过菌种选育的研究和应用，可以提高发酵产物的产量、质量和稳定性。
发酵菌种选育课件
《发酵菌种选育》PPT课件
三、自然界中细菌的分离
(一) 采样和采集方法
• 为了从一特定生态系统中分离出具有代表性的 细菌菌群，特别是分离那些在唯一微环境区域 中出现的菌群时，必须十分重视样本的采集。
• 样本采集时所需的工具通常有无菌刮铲、土样 采集器、镊子、解剖刀、手套、无菌小塑料袋 和塑料瓶等。
《发酵菌种选育》PPT课件
第二节 培养分离
• 从自然界中分离培养微生物是菌种选育的重要 和基础的步骤。
• 到目前为止，还没有一种分离培养方法能揭示 一个试样中所包含的所有微生物总数和种类。
• 在任一试样中所存在的微生物仅为极少数特定 种类的菌株；在工业微生物筛选过程中，应及时 调整检测方法，以与各种不同类型的生长和代谢 之微生物相适应。
• 因此，建立一更为科学的和针对性不强的分 离方法是必要的。
《发酵菌种选育》PPT课件
一、成功的分离培养方法
(1)认真考虑所需产品的特征和生产过程； (2)制订初步的筛选标准； (3)将生态学方法运用到分离和筛选过程。
《发酵菌种选育》PPT课件
二、将生态学方法用于培养分离 的一般思路要点
• 1．罗列出所要分离的微生物类群； • 2．根据所采集样本的各种生态参数，描述所要
《发酵菌种选育》PPT课件
2.平皿划线分离法 a. 分区划线分离法
b. 连续划线分离法
《发酵菌种选育》PPT课件
（四）筛 选
• 这一步是采用与生 产相近的培养基和培 养条件，通过三角瓶 的容量进行小型发酵 试验，以求得适合于 工业生产用菌种。
《发酵菌种选育》PPT课件
（五）毒性试验
• 自然界的一些微生物是在一定条件下产毒的， 将其作为生产菌种应当十分当心，尤其与食品 工业有关的菌种，更应慎重。据有的国家规定， 微生物中除啤酒酵母、脆壁酵母、黑曲霉、米 曲霉和枯草杆菌作为食用无须作毒性试验外， 其他微生物作为食用，均需通过两年以上的毒 性试验。
三、自然界中细菌的分离
(一) 采样和采集方法
• 为了从一特定生态系统中分离出具有代表性的 细菌菌群，特别是分离那些在唯一微环境区域 中出现的菌群时，必须十分重视样本的采集。
• 样本采集时所需的工具通常有无菌刮铲、土样 采集器、镊子、解剖刀、手套、无菌小塑料袋 和塑料瓶等。
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第二节 培养分离
• 从自然界中分离培养微生物是菌种选育的重要 和基础的步骤。
• 到目前为止，还没有一种分离培养方法能揭示 一个试样中所包含的所有微生物总数和种类。
• 在任一试样中所存在的微生物仅为极少数特定 种类的菌株；在工业微生物筛选过程中，应及时 调整检测方法，以与各种不同类型的生长和代谢 之微生物相适应。
• 因此，建立一更为科学的和针对性不强的分 离方法是必要的。
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一、成功的分离培养方法
(1)认真考虑所需产品的特征和生产过程； (2)制订初步的筛选标准； (3)将生态学方法运用到分离和筛选过程。
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二、将生态学方法用于培养分离 的一般思路要点
• 1．罗列出所要分离的微生物类群； • 2．根据所采集样本的各种生态参数，描述所要
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2.平皿划线分离法 a. 分区划线分离法
b. 连续划线分离法
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（四）筛 选
• 这一步是采用与生 产相近的培养基和培 养条件，通过三角瓶 的容量进行小型发酵 试验，以求得适合于 工业生产用菌种。
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（五）毒性试验
• 自然界的一些微生物是在一定条件下产毒的， 将其作为生产菌种应当十分当心，尤其与食品 工业有关的菌种，更应慎重。据有的国家规定， 微生物中除啤酒酵母、脆壁酵母、黑曲霉、米 曲霉和枯草杆菌作为食用无须作毒性试验外， 其他微生物作为食用，均需通过两年以上的毒 性试验。
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物活性物质和毒素。
编辑ppt
6
（二）分离筛选原理与技术
1. 筛选的指导思想 2. 分离筛选工作在实际中应用的几个方面 3. 新种分离筛选原理与技术
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7
1. 筛选的两种指导思想
先分离纯化，再结合工艺要求进行筛选。 分离纯化同时富于筛选条件，一步得出所需菌株。
结果有两种可能：
▪ 获得适于工业发酵菌株 ▪ 只获得选育所需的出发菌株
选择性分离技术 富集液体培养技术 施加选择压力，进行定向筛选 固体培养技术
编辑ppt
17
A.富集液体培养
增加混合菌群中所需菌株数量的一种技术 技术特点：给混合菌群提供一些有利于目的菌株生长
或不利于目的菌以外的其他菌型生长的条件 培养方式
▪ 分批培养方式：以最大比生长速率 （μmax）筛选， 存在选择压力的控制、移种时间和次数等问题
随机分离技术举例
抗生素产生菌的筛选
药理活性化合物产生菌的筛选
生长因子产生菌的筛选
多糖产生菌的筛选
编辑ppt
22
高产培养基设计的几个原则
制备一系列的培养基，其中有各种类型的养分成为 生长限制因素；
使用一聚合或复合形式的生长限制养分； 避免使用容易同化的碳源或氮源，防止分解代谢物
阻遏； 确定含有所需的辅因子（Co2+,Mg2+,Mn2+,Fe2+）； 使用pH缓冲剂以减少pH变化； 前体、促进剂及抑制剂的采用。
编辑ppt
20
B. 固体培养技术
常用于分离某些酶产生菌 选择压力：在选择培养基中加入所需酶
的基质
编辑ppt
21
随机分离原理与技术
从产物入手，通过设计高产培养基和建立快速 灵敏专一的筛选方法，从随机分离的菌落中筛 选出所需的目的菌。
编辑ppt
6
（二）分离筛选原理与技术
1. 筛选的指导思想 2. 分离筛选工作在实际中应用的几个方面 3. 新种分离筛选原理与技术
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7
1. 筛选的两种指导思想
先分离纯化，再结合工艺要求进行筛选。 分离纯化同时富于筛选条件，一步得出所需菌株。
结果有两种可能：
▪ 获得适于工业发酵菌株 ▪ 只获得选育所需的出发菌株
选择性分离技术 富集液体培养技术 施加选择压力，进行定向筛选 固体培养技术
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17
A.富集液体培养
增加混合菌群中所需菌株数量的一种技术 技术特点：给混合菌群提供一些有利于目的菌株生长
或不利于目的菌以外的其他菌型生长的条件 培养方式
▪ 分批培养方式：以最大比生长速率 （μmax）筛选， 存在选择压力的控制、移种时间和次数等问题
随机分离技术举例
抗生素产生菌的筛选
药理活性化合物产生菌的筛选
生长因子产生菌的筛选
多糖产生菌的筛选
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22
高产培养基设计的几个原则
制备一系列的培养基，其中有各种类型的养分成为 生长限制因素；
使用一聚合或复合形式的生长限制养分； 避免使用容易同化的碳源或氮源，防止分解代谢物
阻遏； 确定含有所需的辅因子（Co2+,Mg2+,Mn2+,Fe2+）； 使用pH缓冲剂以减少pH变化； 前体、促进剂及抑制剂的采用。
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20
B. 固体培养技术
常用于分离某些酶产生菌 选择压力：在选择培养基中加入所需酶
的基质
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21
随机分离原理与技术
从产物入手，通过设计高产培养基和建立快速 灵敏专一的筛选方法，从随机分离的菌落中筛 选出所需的目的菌。
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✓初筛：以迅速筛出大量的达到初步要 求的分离菌落为目的，以量为主。
✓复筛：则是精选，以质为主，也就是 以精确度为主。
2.5诱变育种步骤
出发菌株的选择 处理菌悬液的制备 诱变处理 中间培养 分离和筛选
出发菌株的选择
1.选择纯种 2. 平均发酵单位要高，且发酵单位的波动幅 度要小，摇瓶间所测得结果的最高值和最低 值之差要小。 3.有良好的代谢特性。 4.选择对诱变剂敏感的菌株。 5.选用多个出发菌株进行诱变收效较快。
为何进行复筛？
自然选育是一种 纯种选育的方法
• 优点：简单易行
• 缺点：效率低、进展慢
难以获得高产突变株
以微生物的自然变异作为基础的 生产选种机率并不很高，一个基因的 自然突变频率仅10-6-10-10左右。
• 目的：纯化、复壮菌种
§2 诱变育种
2.1概念：以人工诱变手段诱发微生物
基因突变，改变遗传结构和功能，通 过筛选，从变异体中找出产量高、性 状优良的突变株，并找出其最佳培养 基和最佳培养条件，使其在最适的环 境条件下合成有效产物。
• 反馈：指反应链中某些中间代谢产物或终 产物对该途径关键酶活性的影响。
• 反馈抑制：指反应途径中某些中间产物或 末端产物降低该途径中前面酶催化的反应 速度。
• 末端产物的反馈抑制普遍存在于合成途径。
• 反馈阻遏：代谢的终产物达到一定浓度时， 对该代谢途径前面的一种酶或几种酶的生 物合成产生阻碍作用。
2.2优点：速度快、收效大、方法
简单 是当前的一种主要方法
2.3理论基础：
• 基因突变(诱发突变)
诱发突变
重要概念
突变：由于染色体或基因本身的变化而产生
遗传性状的变异。
表型迟延：表型改变落后于基因型改变的
现象。
诱变过程
突变的诱发过程
1. 诱变剂接触DNA分子及对DNA分子的 损伤
2. DNA损伤的修复：五种方式 3.从突变到突变型
包括诱变育种、杂交育种、原生 质体育种、基因工程育种。
自然选育
• 概念：利用微生物在一定条件下产
生自发突变的原理，通过分离，筛 选排除衰退型菌株，选择维持原有 生产水平的菌株的纯种选育的方法。
自发突变
纯菌种
传代增殖
突变个体
菌种为何会退化 和变异？
原始个体
1.1菌种退化和变异的原因
• 总的来说：内因＋外因
青霉素生产菌种选育
1928年，Fleming,点青霉2U/mL 1943年，一农妇的发霉甜瓜上分
离到一株产黄青霉，120U/mL 经诱变，WisQ176，900U/mL
目前工业发酵水平：85000U/mL
菌种选育的基本内容:
➢ 根据菌种自然变异而进行的自然 选育。
➢ 用人工方法引起菌种变异或形成 新的杂种, 再按照工业生产的要求 进行筛选来获的新的变种或杂种。
菌种选育是一门应用科学技术。
理论基础:微生物学、微生物遗传学、 生物化学、分子生物学、基因工程等 学科。
目的: ？
菌种选 育目的
生 科研
提高产量 产生新的生物活性物质 改变产品质量和组分 简化工艺，缩短周期 抵抗不良环境 适应新的原材料
提供分子遗传研究材料 研究生物合成调控机理 分析生物合成途径 获得带遗传标记的菌株 了解菌种遗传背景
分离性延迟和生理性延迟可理解为 “质”和“量”
16
• DNA损伤修复的五种方式
光复活作用
切补修复 重组修复
有利于突变的发生
SOS修复系统
DNA多聚酶的校正作用
2.4诱变育种方案设计
A. 制定筛选目标 B. 诱发突变
➢ 常用诱发剂及其特点 ➢ 诱变剂的选择
不稳定菌株－－－－温和诱变剂 稳定菌株－－－－强烈的、广谱的诱变剂 低剂量诱变剂有利于高产菌株的稳定性
诱变剂的选择
1. 野生型菌株(遗传性不稳定):用缓和的 诱变剂。
2. 遗传性稳定的菌株:先要用强烈的不常 用的诱变谱广的诱变剂处理，使其发 生强烈的变异，然后再用缓和的诱变 剂进行处理或多次自然分离。
3. 要考虑诱变剂的作用机理来选择 诱变剂，两种诱变剂复合使用效 果好。
4. 最适剂量(有2种观点)：杀菌率90%－ 99%较好，甚至99.9%;杀菌率75% －85%。
C.突变株的筛选
• 物理诱变剂
紫外线、X-射线、 γ-射线、 快中子 特点：紫外线方便、有效、使用安全， 其他的几种射线有一定的穿透力
• 化学诱变剂
碱基类似物、吖啶类、烷化剂
特点：高效、经济、但应注意使用安全
各种诱变的机制……
筛选：将分离培养后的各型单菌落接斜
面培养，成熟后接入摇瓶，测定其发 酵生产能力的过程。
2)初级代谢产物高产菌株的筛选
普遍存在着反馈抑制和反馈阻遏，要打破 反馈调节系统，可从两个方面着手： (1)降低终产物浓度
① 筛选细胞膜透性改变的突变株 例如，谷氨酸发酵选育的高产菌株为谷
氨酸棒杆菌的生物素营养缺陷型。
② 筛选营养缺陷型突变株
营养缺陷型:诱变产生的缺乏合成某些营养 物质的能力，须在基本培养基中加入相应 的营养成分才能正常生长的变异株。 野生型:与营养缺陷型对应的是野生型。 渗漏缺陷型:是遗传性障碍不完全的营养缺 陷型，突变使某一种酶的活性下降而不是 完全丧失，能少量地合成某一代谢产物。
复杂、耗时
2) 琼脂块筛选法
简单、快速，但不准确
3) 自动化筛选（筛选几千个菌落数/天）
II. 理性化筛选
又称定向筛选 (Oriented selection)
运用遗传学、生物化学的原理，根据 产物已知的或可能的生物合成途径、代谢 调控机制和产物分子结构来进行设计和采 用一些筛选方法，以打破微生物原有的代 谢调控机制，获得能大量形成产物的高产 突变株。
1. 遗传
2. 自发突变的结果
可能原因： 1）沙土管长期保藏 2)连续传代 3）新陈代谢产生的诱变物质 4）增变基因、死亡基因的存在
3. 经诱变剂处理后的退化变异。
1.2自然选育流程图
生产菌种斜面
生产试验
进一步选育或保藏
制备单孢子悬浮液
分离出单菌落 移种
斜面种子(初筛)
高产菌株
高产纯化株 摇瓶复筛 斜面种子 沙土管菌株
2.6突变株的筛选（Selection） I. 随机筛选 (Random selection)
1) 摇瓶筛选法
初筛一般是一个菌株只做一个摇瓶，从大量 菌株中选出10-20%较好的菌株，淘汰80-90% 的菌株；而复筛中摇瓶培养一般是一个菌株培 养3瓶，并要重复3-5次，选出3-5个较好的菌 株，再做进一步比较，选出最佳的菌株。
✓复筛：则是精选，以质为主，也就是 以精确度为主。
2.5诱变育种步骤
出发菌株的选择 处理菌悬液的制备 诱变处理 中间培养 分离和筛选
出发菌株的选择
1.选择纯种 2. 平均发酵单位要高，且发酵单位的波动幅 度要小，摇瓶间所测得结果的最高值和最低 值之差要小。 3.有良好的代谢特性。 4.选择对诱变剂敏感的菌株。 5.选用多个出发菌株进行诱变收效较快。
为何进行复筛？
自然选育是一种 纯种选育的方法
• 优点：简单易行
• 缺点：效率低、进展慢
难以获得高产突变株
以微生物的自然变异作为基础的 生产选种机率并不很高，一个基因的 自然突变频率仅10-6-10-10左右。
• 目的：纯化、复壮菌种
§2 诱变育种
2.1概念：以人工诱变手段诱发微生物
基因突变，改变遗传结构和功能，通 过筛选，从变异体中找出产量高、性 状优良的突变株，并找出其最佳培养 基和最佳培养条件，使其在最适的环 境条件下合成有效产物。
• 反馈：指反应链中某些中间代谢产物或终 产物对该途径关键酶活性的影响。
• 反馈抑制：指反应途径中某些中间产物或 末端产物降低该途径中前面酶催化的反应 速度。
• 末端产物的反馈抑制普遍存在于合成途径。
• 反馈阻遏：代谢的终产物达到一定浓度时， 对该代谢途径前面的一种酶或几种酶的生 物合成产生阻碍作用。
2.2优点：速度快、收效大、方法
简单 是当前的一种主要方法
2.3理论基础：
• 基因突变(诱发突变)
诱发突变
重要概念
突变：由于染色体或基因本身的变化而产生
遗传性状的变异。
表型迟延：表型改变落后于基因型改变的
现象。
诱变过程
突变的诱发过程
1. 诱变剂接触DNA分子及对DNA分子的 损伤
2. DNA损伤的修复：五种方式 3.从突变到突变型
包括诱变育种、杂交育种、原生 质体育种、基因工程育种。
自然选育
• 概念：利用微生物在一定条件下产
生自发突变的原理，通过分离，筛 选排除衰退型菌株，选择维持原有 生产水平的菌株的纯种选育的方法。
自发突变
纯菌种
传代增殖
突变个体
菌种为何会退化 和变异？
原始个体
1.1菌种退化和变异的原因
• 总的来说：内因＋外因
青霉素生产菌种选育
1928年，Fleming,点青霉2U/mL 1943年，一农妇的发霉甜瓜上分
离到一株产黄青霉，120U/mL 经诱变，WisQ176，900U/mL
目前工业发酵水平：85000U/mL
菌种选育的基本内容:
➢ 根据菌种自然变异而进行的自然 选育。
➢ 用人工方法引起菌种变异或形成 新的杂种, 再按照工业生产的要求 进行筛选来获的新的变种或杂种。
菌种选育是一门应用科学技术。
理论基础:微生物学、微生物遗传学、 生物化学、分子生物学、基因工程等 学科。
目的: ？
菌种选 育目的
生 科研
提高产量 产生新的生物活性物质 改变产品质量和组分 简化工艺，缩短周期 抵抗不良环境 适应新的原材料
提供分子遗传研究材料 研究生物合成调控机理 分析生物合成途径 获得带遗传标记的菌株 了解菌种遗传背景
分离性延迟和生理性延迟可理解为 “质”和“量”
16
• DNA损伤修复的五种方式
光复活作用
切补修复 重组修复
有利于突变的发生
SOS修复系统
DNA多聚酶的校正作用
2.4诱变育种方案设计
A. 制定筛选目标 B. 诱发突变
➢ 常用诱发剂及其特点 ➢ 诱变剂的选择
不稳定菌株－－－－温和诱变剂 稳定菌株－－－－强烈的、广谱的诱变剂 低剂量诱变剂有利于高产菌株的稳定性
诱变剂的选择
1. 野生型菌株(遗传性不稳定):用缓和的 诱变剂。
2. 遗传性稳定的菌株:先要用强烈的不常 用的诱变谱广的诱变剂处理，使其发 生强烈的变异，然后再用缓和的诱变 剂进行处理或多次自然分离。
3. 要考虑诱变剂的作用机理来选择 诱变剂，两种诱变剂复合使用效 果好。
4. 最适剂量(有2种观点)：杀菌率90%－ 99%较好，甚至99.9%;杀菌率75% －85%。
C.突变株的筛选
• 物理诱变剂
紫外线、X-射线、 γ-射线、 快中子 特点：紫外线方便、有效、使用安全， 其他的几种射线有一定的穿透力
• 化学诱变剂
碱基类似物、吖啶类、烷化剂
特点：高效、经济、但应注意使用安全
各种诱变的机制……
筛选：将分离培养后的各型单菌落接斜
面培养，成熟后接入摇瓶，测定其发 酵生产能力的过程。
2)初级代谢产物高产菌株的筛选
普遍存在着反馈抑制和反馈阻遏，要打破 反馈调节系统，可从两个方面着手： (1)降低终产物浓度
① 筛选细胞膜透性改变的突变株 例如，谷氨酸发酵选育的高产菌株为谷
氨酸棒杆菌的生物素营养缺陷型。
② 筛选营养缺陷型突变株
营养缺陷型:诱变产生的缺乏合成某些营养 物质的能力，须在基本培养基中加入相应 的营养成分才能正常生长的变异株。 野生型:与营养缺陷型对应的是野生型。 渗漏缺陷型:是遗传性障碍不完全的营养缺 陷型，突变使某一种酶的活性下降而不是 完全丧失，能少量地合成某一代谢产物。
复杂、耗时
2) 琼脂块筛选法
简单、快速，但不准确
3) 自动化筛选（筛选几千个菌落数/天）
II. 理性化筛选
又称定向筛选 (Oriented selection)
运用遗传学、生物化学的原理，根据 产物已知的或可能的生物合成途径、代谢 调控机制和产物分子结构来进行设计和采 用一些筛选方法，以打破微生物原有的代 谢调控机制，获得能大量形成产物的高产 突变株。
1. 遗传
2. 自发突变的结果
可能原因： 1）沙土管长期保藏 2)连续传代 3）新陈代谢产生的诱变物质 4）增变基因、死亡基因的存在
3. 经诱变剂处理后的退化变异。
1.2自然选育流程图
生产菌种斜面
生产试验
进一步选育或保藏
制备单孢子悬浮液
分离出单菌落 移种
斜面种子(初筛)
高产菌株
高产纯化株 摇瓶复筛 斜面种子 沙土管菌株
2.6突变株的筛选（Selection） I. 随机筛选 (Random selection)
1) 摇瓶筛选法
初筛一般是一个菌株只做一个摇瓶，从大量 菌株中选出10-20%较好的菌株，淘汰80-90% 的菌株；而复筛中摇瓶培养一般是一个菌株培 养3瓶，并要重复3-5次，选出3-5个较好的菌 株，再做进一步比较，选出最佳的菌株。