代谢控制和育种..共53页
第六章 微生物代谢调控育种(4-29)
9、条件突变株的选育
10、营养缺陷型 ●生物素缺陷型 ●油酸缺陷型 ●甘油缺陷型
细胞膜渗透性
11、温度敏感菌株
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8.3.1、组成型突变株的选育
1、限量诱导物恒化培养 2、循环培养 3、弱诱导型底物 4、诱导抑制剂 5、鉴别性培养基
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组成酶变异株的筛选 许多水解酶是诱导酶，只有在含有底物或底 物类似物的培养环境中，微生物才会合成这些 酶类，所以，诱导酶的生产不仅需要诱导物， 而且受到诱导物的种类、数量以及分解产物的 影响。 具体的筛选方法有恒化器法、循环培养法和 诱导抑制物法。
第8章 推理育种
8.1 微生物代谢
一、代谢产物的分类
1、初级代谢产物
分解代谢体系的酶及产物
素材性生物合成体系的酶及底物
结构性生物合成体系的酶及产物
2、次级代谢产物 根据其作用，可将其分为 抗生素、激素、 生物碱、毒素及维生素色素等类型。
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8.1.1、次级代谢产物与次级代谢调节
1.初级代谢和次级代谢
初级代谢：与生物生存有关的，涉及能量产生和能量消 耗的代谢类型。 生存必需；始终生产；不同种，相同；环境敏感性小； 酶专一。 次级代谢：某些生物为避免某种代谢物积累造成不利作 用而产生的一类有利生存的代谢。 根据其作用，可将其分为抗生素、激素、生物碱、毒素 及维生素色素等类型。 并非必需，但有一定价值；某一时产；不同种，不同； 受环境敏影响大；酶专一性不强。
成酶的阶段，两类菌株的生长就不同步，组成酶变异株所占的
比例将逐渐增大。
３、组成型突变株筛选
诱导型依赖诱导物。组成型不依赖诱导物。
突变发生在调节基因或操纵基因,解除对 诱导物的依赖,可获组成型突变株。 筛选方法：设计条件使组成型优势生长， 或通过菌落分辨。
《代谢控制和育种》课件
代谢控制与育种目标的实现
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代谢控制技术在育种过程中具有重要的应用价值 ，可以帮助育种家实现更高效的育种目标。
2
通过代谢控制技术，可以缩短育种周期、提高育 种效率、降低育种成本，为现代农业的发展提供 有力支持。
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代谢控制技术还可以与其他育种技术相结合，如 基因编辑、基因转移等，进一步提高育种水平， 为人类创造更多的价值。
基因组学在育种中的应用
基因组学研究植物或动物的整个 基因组，帮助科学家了解基因的 结构和功能，以及基因之间的相
互作用。
通过基因组学研究，科学家可以 发现与特定性状相关的基因，并 利用这些信息来预测和选择具有
所需性状的个体。
基因组学还可以用于研究植物或 动物的进化过程，以及不同品种 之间的亲缘关系，为育种提供更
多选择和可能性。
代谢组学在育种中的应用
代谢组学研究生物体内代谢产物的组成和变化 ，帮助科学家了解生物体的代谢过程和生理状 态。
通过代谢组学研究，科学家可以发现与特定性 状相关的代谢物，并利用这些信息来预测和选 择具有所需性状的个体。
代谢组学还可以用于研究植物或动物在不同环 境条件下的适应性，以及不同品种之间的代谢 差异，为育种提供更多选择和可能性。
04 代谢控制育种的未来展望
代谢控制育种的发展趋势
基因编辑技术的广泛应用
随着基因编辑技术的发展，代谢控制育种将 更加精准和高效，能够更快地培育出具有优 良性状的新品种。
智能化育种
利用大数据和人工智能技术，实现代谢控制育种的 智能化，提高育种效率和准确性。
生物信息学在育种中的应 用
通过生物信息学手段，解析基因组、转录组 和蛋白质组等多层次信息，为代谢控制育种 提供更全面的数据支持。
代谢控制发酵育种的基本技术1
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诱变育种的程序： 诱变育种的程序：
出发菌种 纯化 细胞或孢子悬浮液制备 诱变剂量确定 活细胞计数 诱变剂处理 活细胞计数 中间培养 目的突变株分离 初筛 复筛 生产性试验
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诱变育种中的几个问题：
出发菌株的选择：对诱变剂敏感，变异幅度大。 细胞悬浮液的制备：同步培养，菌龄，浓度。 诱变剂的选择及处理方法： 中间培养：克服表型延迟
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④ ⑤ ⑥
⑦
对霉菌发芽孢子有选择性杀死作用。 亚硫酸法 对霉菌发芽孢子有选择性杀死作用。 杀死野生型酵母细胞。 制霉菌素法 杀死野生型酵母细胞。 过滤法：适用于丝状真菌。野生型呈丝状， 过滤法：适用于丝状真菌。野生型呈丝状，缺陷 型孢子不能萌发 差别杀菌法：芽孢较营养细胞耐热。 差别杀菌法：芽孢较营养细胞耐热。
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突变菌株的分离： 突变菌株的分离
1 营养缺陷型菌株的分离 2 抗性突变株的分离 3 温度敏感型突变株的分离 4 产量性状突变株的分离
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1，营养缺陷型菌株的分离： ，营养缺陷型菌株的分离
1.1营养缺陷型的浓缩 营养缺陷型的浓缩 目的： 目的：选择性地除去经中间培养后群体细胞中的野
生型细胞，从而提高缺陷型细胞的分离和检出效率。 生型细胞，从而提高缺陷型细胞的分离和检出效率。
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4 再生
融合的原生质体必须使胞壁再生，恢复原来的状 融合的原生质体必须使胞壁再生， 态 再生培养基为完全培养基， 再生培养基为完全培养基，含Ca2+，Mg2+，并须 加入渗透压稳定剂。 加入渗透压稳定剂。
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5 融合子的选择
原生质体融合会产生两种情况： 原生质体融合会产生两种情况：
真正的融合：即产生杂合双倍体或单倍重组体。 真正的融合：即产生杂合双倍体或单倍重组体。 短暂的融合：即产生异核体。 短暂的融合：即产生异核体。
5第五章 代谢调控育种
⑷利用营养缺陷型回复突变株或条件突变株的方法， 解除终产物对关键酶的调节；
⑸应用遗传工程技术，创造理想微生物（即构建目 的工程菌株）。
此外，发酵条件如pH值、NH3的供应、溶氧水平、 营养浓度控制及表面活性剂的使用等也非常重要。
一. 切断支路代谢
1. 营养缺陷突变株的应用
营养缺陷型即菌株发生基因突变，合成途径中某一 步骤发生缺陷，丧失了合成某些物质的能力，必须在 培养基中添加该营养物质才能生长。
第五章 微生物 代谢控制育种
第一节 代谢控制育种的基础
代谢控制发酵理论的建立
代谢控制发酵理论最开始是应用于氨基酸高产菌株 的选育中；随后，核苷类物质发酵生产菌也以代谢控 制理论去选育，并奋起直追成为后起之秀。
随着研究的深入，代谢控制发酵理论的作用，已由 野生型菌株的发酵向高度人为控制的发酵转移，由依 赖于微生物分解代谢的发酵向依赖于生物合成代谢的 发酵，即向代谢产物大量积累的发酵转移。
一个菌株经过突变和回复突变后，某一结构基因 编码的酶会经历失活→恢复活性的过程，但酶的调节 部位的结构常常并没有恢复。所以经过此过程后，该 酶的反馈抑制被解除或削弱。因此可以利用营养缺陷 型的回复突变来获得解除反馈抑制从而提高产量的菌 株。
例如，先将金霉素生产菌绿链霉菌诱变成蛋氨酸 缺陷型，然后再回复突变成原养型，结果其中有85% 的回复突变株的金霉素产量提高了1.2~3.2倍。
通过选育某些营养缺陷型或结构类似物抗性突变株 以及克隆某些关键酶的基因，也可以使目的产物前体 的合成增加，从而有利于目的产物的大量积累。
1. 在分支合成途径中，切断控制共用酶的非目的终 产物的分支合成途径，增多目的产物的前体，使目的 产物的产量提高。
在谷氨酸棒状杆菌、北京棒状杆菌、黄色短杆菌、 大肠杆菌等微生物中，Lys、Thr、Met的合成关键酶是 天冬氨酸激酶，该酶受Lys、Thr的协同反馈抑制，即 天冬氨酸激酶在Lys或Thr单独存在时不受抑制，仅当 两者同时过量时才引起抑制作用。因此，在Thr限量培 养时，即使Lys过剩，也能进行由天冬氨酸生成天冬酰 磷酸的反应（即第一步反应）。
生产菌种的选育培养—微生物的代谢及调控
• 次级代谢：
微生物在一定的生 长时期，以初级代谢产 物为前体，合成一些对 微生物的生命活动无明 显确切功能的物质的过 程（可有可无）。
• 次级代谢产物：
抗生素、生长刺激素、 生物碱、色素等
（一）初级代谢和初级代谢产物
分解代谢体系（蛋白质、糖等降解）
初级代谢
素材性生物合成体系 （合成小分子材料）
结构性生物合成体系（与分解代谢体系相反）
第一节 微生物的代谢调控
学习目的：
了解微生物的代谢及调控机理，理解代谢调控在菌种选育 中的重要性。
一、微生物的初级代谢与次级代谢
• 初级代谢： 微生物从外界吸收各
种营养物质，通过分解代 谢和合成代谢，生成维持 生命活动的物质和能量的 过程（必不可少）。
• 初级代谢产物： 包括所有与细胞合成
有关的物质如：氨基酸、 核苷酸、乙醇、有机酸、 酶。
●初级代谢是次级代谢的基础。 ●次级代谢可以避免初级代谢产物过量积累对细胞造成伤害。 ●即使次级代谢途径被阻断，也不会影响到菌体的生长繁殖。 ●两者均受到微生物的代谢调节
二、微生物代谢的调节和控制
微生物细胞有着一整套可塑性极强和极精确的代谢调节系统，以确保上千 种酶能准确无误、有条不紊和高度协调地进行极其复杂的新陈代谢反应。
初级代谢产物主要是在菌体生长期所产生的产物
（二）次级代谢和次级代谢产物
次级代谢是相对于初级代谢而提出的一个概念。 原料来源：初级代谢的产物为前体。 次级代谢产物大多为分子结构较为复杂的化合物。 质粒与次级代谢关系紧密。
次级代谢产物主要是在菌体生长后期或稳定期所产生的产物
（三） 初级代谢与次级代谢之间的关系
• 酶合成调节（酶数量）
激活 （变构、化学修饰） 抑制
植物代谢调控网络与卫生作物育种
生长素信号转导通路的分子机制和应用研究进展植物生长素是一种极为重要的植物激素，它能够控制植物的许多生长和发育过程。
而这种激素作用的机制，则主要通过生长素信号转导通路来实现。
这一过程涉及到成千上万个分子和细胞的相互作用，因此，对于它的研究至关重要。
本文将简要介绍生长素信号转导通路的分子机制和最新应用研究进展。
一、生长素信号转导通路的分子机制生长素信号转导通路可以分为三个主要步骤：识别、传导和响应。
这三个步骤是相互衔接的，因此任何一个环节出现问题，都可能导致整个通路的中断。
下面我们将对它们一一进行介绍。
1. 识别生长素信号的识别是通路的第一步。
这一步骤难点在于识别膜上生长素受体（Auxin Receptor，简称AR），因为AR具有高度的选择性和亲和力。
2018年，Ortiz-Ramírez等通过高分辨率的电子显微镜技术，成功解析了水稻的生长素受体SAUR-ABB1的三维结构，并对其结构进行了系统的分析。
研究发现，在生长素的作用下，SAUR-ABB1会形成二聚体，并将生长素成功识别和结合，从而实现对信号的传导。
2. 传导在生长素信号识别后，通路的第二步是传导，即将信号从AR传递到下游分子。
目前有两种传导机制被广泛采用：RUB活化蛋白介导的和TIR1介导的。
在RUB介导的机制中，RUB蛋白介导AR与另一种蛋白类固醇受体（Steroid receptor）结合，从而触发信号传导。
而在TIR1介导的机制中，则是通过TIR1和Auxin/Indole-3-Acetic Acid（Aux/IAA）蛋白的结合来实现信号传递。
该机制因其可控性和高效性而被广泛采用。
3. 响应生长素信号的响应是通路的最后一个环节。
在该环节中，信号将激活多种下游响应分子如AUX/IAA、ARF、Ubiquitin ligase等。
这些分子的作用将进一步调节植物的生长和发育过程。
二、应用研究进展生长素信号转导通路的研究得以推进，主要得益于新型基因编辑技术CRISPR/Cas9的应用。
第五章 代谢调控
末端代谢产物阻遏在微生物代谢调节中有 着重要的作用，它保证了细胞内各种物质维持 适当的浓度。当微生物已合成了足量的产物， 或外界加入该物质后，就停止有关酶的合成。 而缺乏该物质时，又开始合成有关的酶。
2.2 分解代谢物对酶合成的阻遏
当细胞内同时存在两种可利用底 物(碳源或氮源)时，利用快的底物会阻 遏与利用慢的底物有关的酶合成。现 在知道，这种阻遏并不是由于快速利 用底物直接作用的结果，而是由这种 底物分解过程中产生的中间代谢物引 起的，所以称为分解代谢物阻遏。
培养基中加入精氨酸阻遏精氨酸合成酶系的合成
大肠杆菌的甲硫氨酸是由高丝氨酸经胱硫醚 和高半胱氨酸合成的，在仅含葡萄糖和无机盐 的培养基中，大肠杆菌细胞含有将高丝氨酸转 化为甲硫氨酸的三种酶，但当培养基中加入甲 硫氨酸时，这三种酶消失。
甲硫氨酸反馈阻遏大肠杆菌的蛋氨酸合成酶的合成 (R)：表示反馈阻遏
｛ • 酶活性
对酶活性的前馈 对酶活性的反馈
四. 次级代谢与次级代谢调节
次级代谢是相对于初级代谢而言的， 所谓初级代谢是一类普遍存在于生物中 的代谢类型，是与生物生存有关的，涉 及能量产生和能量消耗的代谢类型。初 级代谢产物如单糖、核苷酸、脂肪酸等 单体，以及由它们组成的各种大分于聚 合物，如蛋白质、核酸、多糖、脂类等。
调节酶的抑制剂通常是代谢终产物或其结构类 似物，作用是抑制酶的活性。效应物的作用是 可逆的，一旦效应物浓度降低，酶活性就会恢 复。调节酶常常是催化分支代谢途径一系列反 应中第一个反应的酶，这样就避免了不必要的 能量浪费。
综上，微生物代谢的调节方式包括以下几点：
｛ • 酶合成
酶合成的诱导 末端产物对酶合成的阻遏 分解代谢产物对酶合成的阻遏
第五章 代谢调控
第8章 代谢控制育种
第8章代谢控制育种概念：在了解代谢产物生物合成途径、遗传控制和代谢调节机制的基础上，设计对特定突变型的筛选（定向选育），选育出解除正常代谢调节、或绕过微生物正常代谢途径的突变株，从而人为地使有用代谢产物选择性地大量合成和积累1 初级代谢的调节控制1.1 酶合成的调节诱导（induction）：促进酶合成的调节阻遏(repression)：阻碍酶合成的调节组成酶(constitutive enzyme)：细胞完成基本生物功能常备的酶类诱导酶(induced enzyme)：细胞为适应外来底物或其结构类似物而临时合成的酶类1.1.1 酶合成调节的类型1.1.1.1 诱导诱导物：能促进诱导酶产生的物质，是酶的底物或其结构类似物同时诱导：当诱导物存在时，微生物同时合成几种诱导酶顺序诱导：当诱导物存在时，微生物先合成能分解此物的酶，再依次合成分解各种中间产物的酶1.1.1.2 阻遏1.当代谢途径中某物质过量时，通过阻碍代谢途径中包括关键酶在内的一系列酶的合成，从而彻底地控制代谢和减少该物质的合成。
2.末端产物阻遏（end-product repression）:由于某代谢途径末端产物过量积累而引起的阻遏3.分解代谢物阻遏（catabolite repression）:当有两种C/N源分解底物同时存在时，细胞优先利用分解快的底物，并阻遏合成利用慢的底物的相关酶的合成4.分解代谢物阻遏实质是分解代谢反应链中的某些中间代谢物或末端产物过量积累而阻遏代谢途径中一些酶合成的现象5.葡萄糖效应：当葡萄糖和乳糖同时存在时，微生物优先利用葡萄糖，并于葡萄糖耗尽后，才开始利用乳糖，出现“二次生长”。
葡萄糖的存在阻遏了分解乳糖酶系的合成1.1.2 酶合成调节的机制1.操纵子：一组功能上相关且紧密连锁的基因。
由启动基因、操纵基因和结构基因组成2.启动基因(promoter):依赖于DNA的RNA聚合酶结合位点3.操纵基因(operator):能与调节蛋白结合，阻遏转录4.结构基因(structural gene): 编码多肽基因5.调节基因（regulator gene):位于相应操纵子附近，编码组成型调节蛋白(regulatory protein),此蛋白为变构蛋白，存在与操纵基因结合的位点，以及与效应物结合的位点6.效应物(effector):一类低分子量的信号物质，如诱导物（inducer)和辅阻遏物（corepressor）7.调节蛋白有两类,一类称为阻遏物(repressor),他能与操纵基因结合，阻遏转录，但当与诱导物结合时，则不能与操纵基因结合，转录发生；另一类称为阻遏物蛋白（aporeperssor）,只有与辅阻遏物结合后，才能与操纵基因结合，阻遏转录8.诱导型操纵子：当诱导物存在时，其转录频率才最高，并随后转译出大量诱导酶，出现诱导现象，如乳糖、半乳糖和阿拉伯糖分解代谢操纵子9.阻遏型操纵子：只有当缺乏辅阻遏物时，其转录频率才最高。
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71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
代谢控制和育种..
6、纪律是自由的第一条件。——黑格 尔 7、纪律是集体的面貌，集体的声音， 集体的 动作， 集体的 表情， 集体的 信念。 ——马 卡连柯
8、我们现在必须完全保持党的纪律， 否则一 切都会 陷入污 泥中。 ——马 克思 9、学校没有纪律便如磨坊没有水。— —夸美 纽斯
10、一个人应该：冲 动，乐 观而不 盲目。 ——马 克思