工业微生物育种学1

工业微生物育种学实验教学改革摘要:本文分析了工业微生物育种学实验教学现状与存在问题,提出了增加实验教学课时、开设综合性实验、转变教学方式、完善考核方式等改革思路和措施,并提出从理论教学课程中分离出实验课,形成独立的实践课程的建议。

关键词:工业微生物育种学实验教学改革综合性实验教学方式考核方式实验过程中学到的知识较理论更加丰富、直观,因此实验在整个教学体系中有着不可替代的作用[1]。

《中共中央国务院关于深化教育改革、全面推进素质教育的决定》中指出:“高等教育要重视培养大学生的创新能力、实践能力”[2],如何加强实验教学和创新能力的培养成为当前教学改革的核心。

工业微生物育种学是生物工程专业本科生一门重要的专业课程,既有系统的理论知识又有极强的实践性。

该课程传统的教学体系、内容和模式已不能适应21世纪对人才的要求,笔者近年来对工业微生物育种学实验教学体系进行了一些思考和改革。

1 实验教学现状与存在问题1.1 教学课时较少,教学内容老化虽然生物工程专业是一个实践性很强的专业,但实验教学的学时安排仍然不足。

工业微生物育种学课程共设38个学时,其中实验课时仅为8学时,远不能满足实践能力培养的需要。

实验教学内容老化,多数是单一的重复性验证性实验,如土壤微生物的分离纯化、紫外诱变剂致死率计算,缺少综合性、研究性。

1.2 教学方式以教师为主体传统的实验教学一般教师先讲解实验目的、实验原理、实验步骤,然后学生动手操作。

实验过程中,部分学生对实验内容不经思考和理解,按部就班地被动操作。

这种以教师为主体的教学方式束缚了学生的思想,制约了学生个性的发展,学生的学习积极性与主动性得不到充分发挥,不利于学生思维能力和综合能力的培养。

1.3 教学评价不科学、不全面实验教学质量涵盖科学探究的态度、动手能力、思维能力、创新意识及知识能力等诸多方面[3]。

长期以来实验课教学一般以学生的出勤率和实验报告质量作为考核标准,这种考核方式不能科学、全面地考查学生的综合实践能力,无法激励学生思考和实践,造成学生对实验课不重视,不消化实验内容,不积极动手操作,篡改实验数据,编制实验报告等现象比较普遍。

工业微生物育种摘要：本文综述了工业微生物遗传育种的历史地位，介绍了遗传育种的方法和机理，并对其前景进行了展望。

关键词：工业微生物；遗传育种；方法；机理工业微生物育种也就是菌种改良，是运用遗传学原理和技术对某种具有特定生产目的的菌株进行改造，去除不良性质，增加有益新性状，以提高产品的产量和质量的一种育种方法[1]，使我们获得所需要的高产、优质和低耗的菌种，其目的是改良菌种的特性，使其符合工业生产的要求。

当前菌种选育的基本内容是根据菌种自然变异而进行的自然选育，以及用人工方法引起菌种变异，再按照工业生产的要求进行筛选来获得新的变种。

工业微生物遗传育种的主要方法有经典的自然选育和诱变育种技术，使菌种发生突变，存优去劣，这是目前普遍采用的方法，容易施行，易见成效；另一条途径是研究目的物的基因结构及基因调控、表达的方式，进行基因重组、转殖，使之高效表达。

工业微生物菌种的选育，不仅可提高目的物的产量，使目的物产量上百上千倍的提高，大大降低生产成本，提高经济效益，而且通过微生物菌种的选育，可简化工艺，减少副产品，提高产品质量，改变有效成分组成，甚至获得活性更高的新成分[2]。

本文主要从工业微生物遗传育种的历史地位、方法与技术、理论机理和发展前景综述了工业微生物育种的研究进展。

1 历史地位工业微生物菌种选育在发酵工业历史有着重要的地位，是决定发酵产品能否具有工业化价值及发酵过程成败与否的关键。

菌种选育技术的广泛应用为我们提供了各种类型的突变菌株，使得在食品工业、医药、农业、环境保护、化工能源、矿产开发等领域产生众多新的产品，促使传统产业的技术改造和新型产业的产生，同时使诸如抗生素、有机酸、维生素、色素、生物碱、激素以及其它生物活性物质等产品的产量成倍甚至成千万倍地增长，并且产品的质量也不断的提高。

如青霉素是于1929 年英国Flemirlg 发现的，当时的利用表面培养只能获得1~2U/ml 青霉素，经过数十载的诱变育种使其产量提高到目前的90000U/ml，以及由最初的纯度20%和得率35%提高到纯度99.9%和得率90%[3]，与此同时链霉素、土霉素、金霉素和氯霉素等抗生素也大规模的生产起来；在代谢控制育种的推动下使得产氨基酸、核苷酸、有机酸等次生代谢产物的高产菌株大批投入生产；由基因工程构建的工程菌株使得微生物次生代谢产物生产能力迅速提高，而且生产出微生物本生不能生产的外源蛋白质，如胰岛素、生长激素、单克隆抗体和细胞因子等等。

《工业微生物与育种》课程标准课程名称：微生物分离鉴定适用专业：生物技术及其应用专业1．课程定位和设计思路1.1课程定位本课程是高职高专生物技术及应用专业的一门核心课程、专业必修课程。

本课程的功能是培养学生掌握各类微生物的结构功能、营养代谢、生长繁殖及控制等相关基础知识和理论，掌握微生物的分离培养方法、培养基的配制技术、显微镜的使用技术、微生物的鉴别方法，具备基本的微生物检测技术，在食品生产加工和食品卫生监督中进行有关微生物的鉴别、检验、生长控制等实践操作。

本课程要以“生物化学和生物学基础”的学习为基础，同时要与“发酵工程”和“食品工艺学”这两门课程相衔接。

1.2设计思路本课程的总体设计思路：打破以知识传授为主要特征的传统学科课程模式，从“工作任务与职业能力”分析出发，设定职业能力培养目标，变书本知识的传授为动手能力的培养，开发基于工作过程的项目课程，以工作任务为中心组织课程内容，让学生在完成具体项目的过程中来构建相关理论知识，并发展职业能力。

本课程根据食品卫生微生物的检验工作项目为线索来设计典型案例使其内容涉及到观察和分析食品中微生物的有无、种类、性质和活动规律以及食品卫生微生物检验的指标（细菌总数、大肠菌群数和致病菌）等学习项目。

课程内容突出对学生职业能力的训练，理论知识的选取紧紧围绕工作任务完成的需要来进行，同时又充分考虑了高等职业教育对理论知识学习的需要，并融合了相关职业资格证书对知识、技能和态度的要求。

本课程标准以生物技术及应用专业学生的就业为导向，根据行业专家对生物技术及应用专业所涵盖的岗位群进行的任务和职业能力分析，同时遵循高等职业院校学生的认知规律，紧密结合职业资格证书中相关考核要求，确定本课程的工作模块和课程内容。

课程每个项目的学习都按以典型案例为载体设计的活动来进行，以工作任务为中心整合理论与实践，实现理论与实践的一体化。

教学过程中，要通过校企合作，校内实训等途径，采取工学结合培养模式，充分开发学习资源，给学生提供丰富的实践机会。

1)工业微生物：在发酵工艺中已经应用的或者具有潜在应用价值的微生物。

2)用于工业生产的微生物微生物菌种的特征：1.遗传稳定2.多产3.纯种4.生长旺盛5.产生产物时间短6.产物易分离7.抗性强8.能保持较长的良好经济性能9.菌株对诱变剂处理较敏感10.在规定的时间内，菌种必须产生预期数量的目的产物，并保持相对的稳定。

3)自然选育方法：诱变育种、杂交育种、代谢控制育种、基因工程育种。

4)基因突变：是指基因在结构上发生碱基对组成或排列顺序的改变。

特点：自发性、诱发性、独立性、稀有性、遗传性、可逆性、不对应性。

1.同义突变和无义突变2.错义突变3移码突变。

突变的表现型：形态突变型、生化突变型（营养缺陷型）、条件突变型（温度突变型）、抗性突变型、抗原突变型、产量突变型。

突变修复：光修复、切补修复、重组修复、SOS修复、DNA聚合酶的校正作用。

表现延迟：微生物通过自发突变或人工诱变而产生的新基因型，需要经过2个世代以上繁殖复制才能表现出来。

（波动实验）5)诱变剂：凡能诱发生物基因突变，并且突变频率远远超过自发突变率的物理因子或化学物质。

种类：物理诱变剂、化学诱变剂、生物诱变剂。

6)紫外线诱变：光谱范围40~390nm。

有效波长200~300nm。

最有效的波长253.7nm。

相对剂量15w 30cm 紫外线诱变机制：形成嘧啶二聚体。

紫外线诱变的步骤和方法：1.出发菌株的选择2.将菌种培养到最佳生理状态（对数期）约16~24小时。

霉菌和放线菌培养到大部分孢子刚刚萌发3.制备菌悬液4.紫外线照射：紫外灯先预热20分钟稳定光波取单细胞悬液5~6ml于于灭菌培养皿中放在离灯30cm处5.后培养6稀释涂皿。

7)化学诱变剂：是一类能对DNA起作用改变起结构并引起遗传变异的化学物质。

种类：碱基类似物、烷化剂、移码突变剂特点：作用专一性、具有毒性、90%以上是剧毒药品或者致癌物质。

8)碱基类似物：是一类和天然的嘧啶嘌呤等四种碱基分子结构相似的物质。

⼯业微⽣物育种全解1.⼯业微⽣物育种在发酵⼯业中的作⽤如何？其⽬的是什么？⼯业微⽣物育种建⽴在：（1）遗传和变异（微⽣物遗传学）的基础之上；（2）物理和化学诱变剂的发现和应⽤；（3）⼯业⾃动化（⾃动仪表装置和微机）。

⼯业微⽣物育种在发酵⼯业中占有重要地位，是决定该发酵产品能否具有⼯业化价值及发酵过程成败与否的关键。

2.⼯业微⽣物发展经历了哪⼏个阶段？1)⾃然选育阶段2)⼈⼯诱变选育阶段3)杂交育种阶段4)代谢控制育种阶段5)基因⼯程育种阶段3.⼯业微⽣物育种的核⼼指标有哪些？1)在遗传上必须是稳定的。

稳定性。

2)易于产⽣许多营养细胞、孢⼦或其它繁殖体。

3)必须是纯种，不应带有其他杂菌及噬菌体。

4)种⼦的⽣长必须旺盛、迅速。

5)产⽣所需要的产物时间短。

转化率。

6)⽐较容易分离提纯。

7)有⾃⾝保护机制，抵抗杂菌污染能⼒强。

8)能保持较长的良好经济性能。

产率。

9)菌株对诱变剂处理较敏感，从⽽可能选育出⾼产菌株。

10）在规定的时间内，菌株必须产⽣预期数量的⽬的产物，并保持相对地稳定。

4.⾰兰⽒阳性和阴性菌的细胞壁结构有何差异？它们对溶菌酶和青霉素的敏感有何不同？5.缺壁细菌有哪些类型和异同？制备缺壁细菌主要有哪些途径？原⽣质体：G+菌经溶菌酶或青霉素处理；球状体：G-菌，残留部分细胞壁。

是研究遗传规律和进⾏原⽣质体育种的良好实验材料。

L型细菌：⾃发突变形成细胞壁缺陷菌株；6.原⽣质体制备时，为什么不同微⽣物要选择不同的酶？举例说明。

酶在原⽣质体制备中主要⽤来酶解细胞壁的，不同的微⽣物其细胞壁成分及含量可能不同，所以要⽤不同的酶。

酵母菌的细胞壁主要成分有葡聚糖、⽢露聚糖蛋⽩质、⼏丁质。

霉菌的细胞壁：主要成分是纤维素、⼏丁质、葡聚糖等。

藻类的细胞壁：主要成分有纤维素构成结构⾻架。

7.基因组、基因、密码⼦、简并、同义密码⼦的概念是什么？⼀、基因组1. 原核⽣物就是它的整个染⾊体，原核⽣物的基因组较⼩，DNA的含量低，如E.coli的DNA分⼦质量为2.4×109Da，相当于4.2×106bp，含有3000-4000个基因，SV40病毒仅5个基因。

现代工业微生物育种一、诱变育种诱变育种是通过使用物理或化学方法，如紫外线、X射线、化学诱变剂等，诱导微生物发生基因突变，从而产生具有新性状的菌株。

这种方法可以大幅度提高微生物的变异频率，为育种工作提供了丰富的材料。

二、基因工程育种基因工程育种是通过人工构建基因表达载体，将其导入到微生物中，从而实现基因的转移和表达。

这种方法可以定向地改造微生物的遗传物质，使其表达出所需的性状。

基因工程育种具有高度定向性和可预测性，是现代工业微生物育种的重要手段之一。

三、代谢工程育种代谢工程育种是通过改变微生物的代谢途径，提高其代谢产物的产量或改变代谢产物的性质，从而获得所需的菌株。

这种方法需要对微生物的代谢过程有深入的了解，并能够精确地调控其代谢网络。

代谢工程育种在现代工业微生物育种中具有重要的应用价值。

四、组合生物合成育种组合生物合成育种是通过构建多个基因的组合文库，并筛选出具有所需性状的菌株。

这种方法类似于基因工程育种，但具有更高的遗传复杂性，可以创造出更丰富的变异类型。

组合生物合成育种在现代工业微生物育种中已经成为一种重要的策略。

五、定向进化育种定向进化育种是一种模拟自然进化过程的育种方法。

它通过对大量随机突变体进行筛选和选择，以实现所需性状的定向进化和优化。

定向进化育种可以在短时间内获得高度适应特定条件的优良菌株，具有很高的应用价值。

六、菌种保藏与复壮菌种保藏与复壮是工业微生物育种的重要环节。

通过科学的保藏方法，可以保持菌种的活力和遗传稳定性；而复壮则是通过一定的手段使保藏的菌种恢复活力，以保证其用于生产的性能。

七、基因组编辑育种基因组编辑育种是利用基因编辑技术对微生物基因组进行精确的编辑和改造，以实现定向改良和创造新品种的目的。

目前常用的基因组编辑技术包括CRISPR-Cas9系统、ZFNs和TALENs等。

基因组编辑育种具有高度精确性和可控性，为现代工业微生物育种提供了强有力的工具。

工业微生物育种复习题解析第一章绪论1.什么是工业微生物？作为工业微生物应具备哪些特征？答：工业微生物：对自然环境中的微生物经过改造，用于发酵工业生产的微生物。

具备特征：(1)菌种要纯(2)遗传稳定且对诱变剂敏感(3)成长快，易繁殖(4)抗杂菌和噬菌体的能力强(5)生产目的产物的时间短且产量高(6)目的产物易分离提纯2.工业微生物育种的基础是什么？答：工业微生物育种的基础是遗传和变异。

3.常用的工业微生物育种技术有哪些？答：常用技术：(1)自然选育【选择育种】(2)诱变育种(3)代谢控制育种(4)杂交育种(5)基因工程育种第二章微生物育种的遗传基础1.基因突变的类型有哪些？答：有碱基突变，染色体畸变2.叙述紫外线诱变的原理？答：原理：紫外线对微生物诱变作用，主要引起DNA的分子结构发生改变（同链DNA的相邻嘧啶间形成共价结合的胸腺嘧啶二聚体），从而引起菌体遗传性变异。

3.基因修复的种类有哪些？答：种类：(1)光复活修复(2)切除修复(3)重组修复(4)SOS修复4.真核微生物基因重组的方式有哪些？答：方式：(1)有性杂交(2)准性生殖(3)原生质体融合第三章出发菌株的分离与筛选1.什么是富集培养？答：富集培养：指在目的微生物含量较少时，根据微生物的生理特点，设计一种选择性培养基，创造有利的生长条件，使目的微生物在最适的环境下迅速地生长繁殖，数量增加，由原来自然条件下的劣势种变成人工环境中的优势种，以利于分离到所需要的菌株。

2.哪些分离方法能达到“菌落纯”？哪些分离方法能达到“细胞纯（菌株纯）”？答：菌落纯：稀释分离法、划线法、组织法细胞纯：单细胞或单孢子的分离法3.分离好氧微生物常用的方法有哪些？答：(1)稀释涂布法(2)划线分离法(3)平皿生化反应分离法4.平皿生化反应分离法有哪些？分别用来筛选哪些菌？各自原理如何？答：(1)透明圈法原理：在平板培养基中加入溶解性较差的底物，使培养基混浊，能分解底物的微生物便会在菌落周围产生透明圈，圈的大小可以放映该菌株利用底物的能力。

2.在体外(如试管中)利用DNA聚合酶进行DNA合成时需要添加哪些成分。

四种脱氧核苷酸、引物、DNA聚合酶、模板链。

3.大肠杆菌的转录终止子有哪些种类，各有什么特点。

蛋白质翻译的终止密码子有哪几种?大肠杆菌存在两类终止子：(1)不依赖于ρ因子的终止子，或称为简单终止子。

能形成发夹结构外，在终点前还有一系列(6个)尿苷酸；回文对称区通常有一段富含G-C的序列寡聚U序列可能提供信号使RNA聚合酶脱离模板rU-dA组成的RNA-DNA杂交分子具有特别弱的碱基配对结构；当聚合酶暂停时，RNA-DNA杂交分子解开，转录终止。

(2)依赖于ρ因子的终止子。

回文结构不含富有G-C区；回文结构之后也没有寡聚U，必须在ρ因子存在时才发生终止作用，ρ因子结合在新合成的RNA上，借助水解NTP获得的能量沿RNA链移动。

RNA聚合酶遇到终止子时发生暂停，ρ因子追上酶，ρ因子与酶相互作用，造成RNA释放。

ρ因子与RNA聚合酶一起从DNA上脱落，转录终止。

蛋白质翻译的终止密码子有UAA、UAG、UGA4.用基因工程手段将一个大肠杆菌的乳糖操纵子的阻遏蛋白基因敲除后，这大肠杆菌的β-半乳糖苷酶基因是否在任何情况下都表现为高水平的转录。

不是，乳糖操纵子不仅有反式作用元件（乳糖阻遏子）还受顺时作用因子（DNA 序列如启动子等）的调控。

LAC子CAP是一个积极的乳糖阻遏蛋白的调节是一个负调节因子，两个调整机构调整的基础上存在的碳源性质和协调乳糖操纵子的表达水平。

5.基因发生移框突变后，基因编码的蛋白质一般是变得更短还是更长，为什么?移框突变是指三联体密码的阅读方式改变，造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变，其后果是翻译出的蛋白质可能完全不同。

因此这个不一定。

如果移码后，出现了新终止子，就变短了。

如果没有了终止子，就变长了。

无论变长或变短，都不一定有活性。

6.请设想一种利用转座子向工业微生物菌种中导人外源基因的方案.转座子(Transposon)，又名转位子、跳跃基因是一类DNA序列，它们能够在基因组中通过转录或逆转录，在内切酶的作用下，在其他基因座上出现。

工业微生物育种第一章绪论1.工业微生物菌种具备特征：1）菌种要纯2）目的产物的产量较高且稳定3）生长快，易繁殖4）抗杂菌和噬菌体的能力强5）微生物的发酵培养基来源广，价格低6）生产目的产物的时间短7）目的产物易分离纯化。

2.工业微生物育种的基础及作用：遗传与变异改良微生物并培育出各种有娘的工业微生物菌种。

3.工业微生物育种在发酵工业中的作用：不仅可以为发酵工业提供合适的菌种，还可不断提高发酵产品的产量和质量，甚至可培育出全新的菌种以生产新的发酵产品。

4.工业微生物育种的方法：1）自然选育（选择育种，通过改变群体的遗传结构，去掉不良细胞，使优良基因不断增加）2）右边育种（通过人工诱变剂）3）代谢控制育种（先诱变破坏微生物正常代谢）4）杂交育种（通过基因重组）5）基因工程育种第二章微生物育种的遗传基础1.原核微生物产生变异的方式：转化，转导，结合，原生质体融合。

2.真核微生物产生变异的方式：有性杂交，准性生殖，原生质体融合。

3.核基因：细胞核内的DNA即染色体上的DNA，是微生物生长繁殖的必需基因，直接控制初级代谢产物的合成，间接控制次级代谢产物的合成。

4.核外基因：是细胞质中的DNA，是微生物的非必需基因，与次级代谢产物的合成有关。

5.表型延迟：有些基因发生突变后，要经两代以上的繁殖复制，表型才能相应的改变。

6.基因突变的类型：1）碱基的变化（碱基置换，移码突变）2）染色体畸变（缺失，重复，倒位，易位等结构变化）3）染色体数目变异（包括染色体单条的变化和整倍的改变）4）遗传信息的变化（同义突变，中性突变，错义突变，无义突变）7.基因突变的修复机制：光复活修复，切除修复，重组修复，SOS修复。

8.基因突变与表型的关系：基因突变指生物体的遗传物质发生改变，从而引起表型的变异。

同义突变与中性突变表型不变，错义突变与无义突变表型改变。

9.原核生物基因重组的特点：通常只有部分遗传物质的转移和重组，形成部分二倍体再进行重组。