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微生物育種的誘變育種

1.1物理誘變

1.1.1紫外照射

紫外線照射是常用的物理誘變方法之壹,是誘發微生物突變的壹種非常有用的工具。DNA 和RNA 的嘌呤和嘧啶最大的吸收峰在260nm,因此在260nm 的紫外輻射是最有效的致死劑。紫外輻射的作用已有多種解釋,但比較確定的作用是使DNA 分子形成嘧啶二聚體[1]。二聚體的形成會阻礙堿基間正常配對,所以可能導致突變甚至死亡[2]。

紫外照射誘變操作簡單,經濟實惠,壹般實驗室條件都可以達到,且出現正突變的幾率較高,酵母菌株的誘變大多采用這種方法。

1.1.2電離輻射

γ- 射線是電離生物學上應用最廣泛的電離射線之壹,具有很高的能量,能產生電離作用,可直接或間接地改變DNA 結構。其直接效應是可以氧化脫氧核糖的堿基,或者脫氧核糖的化學鍵和糖- 磷酸相連接的化學鍵。其間接效應是能使水或有機分子產生自由基,這些自由基可以與細胞中的溶質分子發生化學變化,導致DNA 分缺失和損傷[2]。

除γ- 射線外的電離輻射還有X- 射線、β- 射線和快中子等。電離輻射有壹定的局限性,操作要求較高,且有壹定的危險性,通常用於不能使用其他誘變劑的誘變育種過程。

1.1.3離子註入

離子註入是20 世紀80 年代初興起的壹項高新技術,主要用於金屬材料表面的改性。1986 年以來逐漸用於農作物育種,近年來在微生物育種中逐漸引入該技術[3]。

離子註入時,生物分子吸收能量,並且引起復雜的物理和化學上的變化,這些變化的中間體是各類活性自由基。這些自由基,可以引起其它正常生物分子的損傷,可使細胞中的染色體突變,DNA 鏈斷裂,也可使質粒DNA 造成斷裂。由於離子註入射程具有可控性,隨著微束技術和精確定位技術的發展,定位誘變將成為可能[4]。

離子註入法進行微生物誘變育種,壹般實驗室條件難以達到,目前應用相對較少。

1.1.4 激光

激光是壹種光量子流,又稱光微粒。激光輻射可以通過產生光、熱、壓力和電磁場效應的綜合應用,直接或間接地影響有機體,引起細胞染色體畸變效應、酶的激活或鈍化,以及細胞分裂和細胞代謝活動的改變。光量子對細胞內含物中的任何物質壹旦發生作用,都可能導致生物有機體在細胞學和遺傳學特性上發生變異。不同種類的激光輻射生物有機體,所表現出的細胞學和遺傳學變化也不同[5]。

激光作為壹種育種方法,具有操作簡單、使用安全等優點,近年來應用於微生物育種中取得不少進展。

1.1.5 微波

微波輻射屬於壹種低能電磁輻射,具有較強生物效應的頻率範圍在300MHz~300GHz,對生物體具有熱效應和非熱效應。其熱效應是指它能引起生物體局部溫度上升。從而引起生理生化反應;非熱效應指在微波作用下,生物體會產生非溫度關聯的各種生理生化反應。在這兩種效應的綜合作用下,生物體會產生壹系列突變效應[6]。

因而,微波也被用於多個領域的誘變育種,如農作物育種、禽獸育種和工業微生物育種,並取得了壹定成果。

1.1.6 航天育種

航天育種,也稱空間誘變育種,是利用高空氣球、返回式衛星、飛船等航天器將作物種子、組織、器官或生命個體搭載到宇宙空間,利用宇宙空間特殊的環境使生物基因產生變異,再返回地面進行選育,培育新品種、新材料的作物育種新技術。空間環境因素主要有微重力,空間輻射,以及其它誘變因素如交變磁場,超真空環境等,這些因素交互作用導致生物系統遺傳物的損傷,使生物發生諸如突變、染色體畸變、細胞失活、發育異常等。

航天育種較其它育種方法特殊,是航天技術與微生物育種技術的有機結合,技術含量高,成本高,個體研究者或壹般研究單位都難以實現,只能與航天技術相結合,由國家來完成。

1.1.7 常壓室溫等離子體誘變育種

常壓低溫等離子體(Atmospheric and Room Temperature Plasma)簡稱為ARTP,指能夠在大氣壓下產生溫度在25-40 °C之間的、具有高活性粒子(包括處於激發態的氦原子、氧原子、氮原子、OH自由基等)濃度的等離子體射流。ARTP技術作為壹種新型的物理方法,在微生物誘變育種領域有著廣闊的應用前景。

等離子體中適當劑量的活性粒子作用於微生物,能夠使微生物細胞壁/膜的結構及通透性改變,並引起基因損傷,菌株出現遺傳物質損傷後,微生物啟動SOS修復機制,其誘導產生DNA聚合酶Ⅳ和V,它們不具有3ˊ核酸外切酶校正功能,於是在DNA鏈的損傷部位即使出現不配對堿基,復制仍能繼續前進。在此情況下允許錯配可增加存活的機會。ARTP對遺傳物質造成的損傷,多樣性較高;又SOS誘導修復本身為容錯性修復,因此,ARTP多樣性的損傷將可能在修復過程中包容於DNA鏈中,在微生物進行復制修復時,其可能帶來多樣性的錯配可能。

ARTP應用於微生物突變育種,成本低、操作方便,沒有很多物理誘變設備(如離子束註入等)所需的離子或電子加速、真空和制冷等附屬設備;ARTP對遺傳物質的損傷機制多樣,具有較高的正突變率,突變性能多樣,對於真菌、細菌、藻類等都有效果;ARTP對環境無汙染,保證操作者的人身安全,無論用何種氣體放電,其均無有害氣體產生。

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