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基因组改组技术及其在工业微生物改良中的应用.doc

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基因组改组技术及其在工业微生物改良中的应用

基因组改组技术及其在工业微生物改良中的应用 * 代兴华1,2 ,蔡爱华1 ,张厚瑞1 ,覃香香1 1( 广西植物研究所,广西 南宁,541006) 2( 广西师范大学生命科学学院,广西 南宁,541004) 摘 要 基因组改组技术是一种以原生质体融合为手段,实现多基因组重组的育种策略。文中从基因组改组基 本原理出发,以相关研究成果为基础,系统介绍了基因组改组的策略 与 方 法,并对该技术未来发展方向予以展 望。 关键词 基因组改组,工业微生物,原生质体融合 优良工业微生物菌种在发酵工业中占有重要地 位,现代发酵工业的迅猛发展,除了得益于发酵技术、 装备水平的提高之外,菌种性能的不断改良同样是这 种进步的重要推动力。虽然理化诱变等传统育种手 段在工业微生物菌种改良中发挥了重要作用,但它们 需要与现代育种手段相结合才能发挥更高的育种工 作效率。以 DNA 重组技术为核心的代谢?? 程 育 种, 虽然可以实现菌种的定向改造,但只有十分透彻地了 解拟改良性状的基因与代谢,这种定向改造才成为可 能。然而,工业菌株的高产、高耐性等理想特性是由 大量基因共同决定的,而大多数工业微生物菌株改良 所面临的问题,正是对相关性状的基因知之甚少,甚 至完全不了解。对基因及代谢网络认识的缺乏,限制 了代谢工程育种技术潜力的发挥[1]。 十余年前 诞 生 的 基 因 组 改 组 ( genome shuffling) 技术为工业微生物菌种改良 提供了一种全新策略。 运用这种策略不仅能有效改良菌株性状,而且大幅度 缩短育种时间,提高育种工作效率。Zhang 等在 2002 年对泰乐菌素生产菌以基因组改组技术进行改良时 就发现,基因组改组一年取得的改良成效,相当于诱 变育种工作 20 年的效果[2]。 基因组改组技术取得了许多令人鼓舞的成果,其 巨大的优越性日益受到工业微生物育种工作者的重 视。虽然近期已有多篇关于基因组改组技术的综述 文献,但它们关注点主要集中于技术原理与研究成果 的介绍。本文则从技术原理出发,以相关研究成果为 基础,侧重介绍基因组改组的方法与策略。 1 基因组改组的定义、原理与特点 1. 1 定义 基因组改组的概念从 DNA 改组( DNA shuffling) 的概念引申而来,它是指以原生质体融合为手段,在 全基因组水平上对多个基因组进行随机重组,进而创 造出新基因组的过程。它既有 DNA 改组能进行多亲 本杂交的特点,也具有传统杂交育种可在全基因组水 平重组的优势,因而也是一种表型改造的组合方法。 1. 2 原理 基因,甚至是完整的操纵子作为在细胞内或细胞 间水平基因转移( horizontal gene transfer ,HGT) 的遗 传实体是可移动的。当原生质体融合之后,不同基因 组的基因之间彼此水平交流,并伴随细胞的分裂而发 生重组,基因组水平的大幅度重组便产生较大的表型 性状的变异。基因组内大量的散置重复起到重组热 点区域的功能,为基因组改组提供了有效的机制[3]。 1. 3 特点 基因组改组不需要了解基因序列,或 其 代 谢 网 络,而是通过建立高通量筛选策略,巧妙地将代谢工 程设计转变为融合子筛选,具有高效,省力,省时的优 势。 虽然基因组改组通过原生质体融合而实现,但与 原生质体融合育种有本质区别。主要体现在,原生质 体融合育种仅局限于两个亲本参与融合,而基因组改 组在每一轮融合过程中均有多个亲本参与。多亲本 参与的融合不仅极大丰富了新基因组的多样性,也提 高了整合出更多优秀性状的新基因组的可能性。但 涉及若干亲本的多个优秀性状的基因数目本来不小, 它们之间随机重组的可能组合近乎天文数字,它在丰 富融合子遗传多样性的同时,也使一次融合产生具有 [2] 第一作者: 硕士研究生。 * 国家自然科学基 金 项 目 ( No.) ; 广西自然科学基金项 目( No. 2010GXNSFB013043) 综述与专题评论 因组改组育种一般以递归融合方式逐步将优秀性状 整合于一个创新的基因组,最终实现全基因组水平的 定向改造。 生物的基因组改组而言,突变体库还具有不涉及其它 微生物,有效避免引入外源基因可能带来的食品安全 风险的优势。 2. 1. 2 由种内不同菌株构建 2 基因组改组的程序与策略 同一种内的不同菌株,事实上可以看作是同一种 微生物的不同自然突变体,它们也可构成基因组改组 的亲本库。相对于同一菌株产生的不同突变体而言, 不同来源菌株间的基因差异显然大得多,它们之间不 仅融合频率较高,而且融合子表型多样性也比来自突 变体库的融合子丰富,对优秀性状的整合或许更加有 效。Gong 和 Li 利用从自然界中筛选的 5 株产量不同 的酿酒酵母作为出发菌株构建了亲本库,经过几轮

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