《工业微生物育种学（第四版）》是在《工业微生物育种学》第三版的基础上修订改编而成的。新版中编入了近年来工业微生物育种所采用的新方法和取得的新成果，尤其是在分子定向进化育种、基因敲除育种和全局转录机器工程育种等方面的许多成功实例。同时，在第三版原有传统工业微生物三大育种技术——诱变育种、代谢控制育种及杂交育种的基础上，还补充了工业微生物生产菌株的培养基优化及工程菌株的高密度发酵技术等章节，完善了工程菌株目的产物的高效表达的发酵工艺过程，具有实际应用价值。
《工业微生物育种学（第四版）》可用作高等院校生物工程专业或相关专业教材，也可供相关科研单位和工厂企业的科技人员与工程技术人员参考。

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施巧琴、吴松刚、王明兹、李惠珍、杨建国、吴伟斌、吴松刚、林俊、林跃鑫、郑毅、施巧琴、施碧红、黄钦耿

目录
第三版序
第二版序
第一版序
第四版前言
第三版前言
第二版前言
第一版前言
第一章 绪论 1
第一节 工业微生物育种在生物发酵产业中的地位 1
第二节 工业微生物育种的进展 1
思考题 4
第二章 遗传物质的基础 5
第一节 染色体 5
一、染色体形态 5
二、原核生物及病毒染色体结构 6
三、真核生物染色体结构 7
四、染色体数目 7
第二节 核酸 9
一、核酸 9
二、RNA 9
三、DNA 10
第三节 基因的组织与结构 11
一、基因组 11
二、基因 12
三、遗传密码 13
思考题 15
第三章 基因突变 16
第一节 突变的分子机制 16
一、基因突变 17
二、染色体畸变和染色体组变 19
第二节 突变引起遗传性状改变及突变型的种类 20
一、突变引起遗传性状改变 20
二、突变型的种类 22
第三节 突变体的形成 25
一、突变体的形成过程 26
二、突变的修复 27
三、突变的表型效应 32
四、表型延迟 33
思考题 34
第四章 工业微生物育种诱变剂 35
第一节 物理诱变剂 35
一、物理诱变剂的生物学效应 35
二、非电离辐射——紫外线 36
三、电离辐射 39
四、近年来发展的新型物理诱变剂 41
第二节 化学诱变剂 43
一、碱基类似物 44
二、烷化剂 47
三、脱氨剂(以亚硝酸为例) 52
四、移码诱变剂 54
五、羟化剂(以羟胺为例) 54
六、金属盐类 55
七、其他化学诱变剂 55
八、化学诱变剂的安全操作 57
思考题 57
第五章 工业微生物产生菌的分离筛选 58
第一节 含微生物样品的采集 58
一、从土壤中采样 58
二、根据微生物生理特点采样 60
三、特殊环境下采样 61
第二节 含微生物样品的富集培养 61
一、控制培养基的营养成分 62
二、控制培养条件 62
三、抑制不需要的菌类 63
第三节 好氧微生物的分离 63
一、稀释涂布分离法和划线分离法 64
二、利用平皿中的生化反应进行分离 64
三、组织分离法 67
四、单细胞或单孢子分离法 68
五、通过控制营养和培养条件进行分离 69
第四节 厌氧微生物的分离 70
第五节 产目的产物的野生菌的筛选和菌株鉴定 74
一、初筛 74
工业微生物育种学
二、复筛 75
三、菌株鉴定 76
第六节 极端环境微生物的分离筛选 76
一、极端环境微生物的采样、分离筛选 77
二、极端微生物酶分子生物学研究 80
第七节 生物可降解塑料菌株的分离筛选 82
一、生物可降解塑料概况 82
二、获得生物可降解塑料的微生物途径和菌株分离方法 83
三、PHA的合成机制和发酵特点 85
思考题 85
第六章 工业微生物诱变育种 86
第一节 诱变育种的试验设计和准备工作 87
一、诱变前对出发菌株的了解 88
二、全面了解菌种特性及其与生产性能的关系 89
三、了解影响菌种生长发育的主要因素 90
四、了解菌种有效产物中的各种组分在代谢合成过程中与培养条件的关系 91
五、建立一个准确、简便、快速检测产物的方法 92
六、研究最佳的菌种保藏培养基和培养条件 92
第二节 诱变育种的步骤与方法 92
一、出发菌株的选择 92
二、出发菌株的纯化 95
三、单孢子(或单细胞)悬液的制备 96
四、诱变剂及诱变剂量 97
五、诱变剂的处理方法 101
六、影响突变率的因素 103
思考题 105
第七章 工业微生物变株传统筛选和高通量筛选 106
第一节 突变株的传统分离与筛选 106
一、突变株分离过筛选的基本环节 107
二、筛选的程序 107
三、分离和筛选 108
四、摇瓶液体培养 114
五、产物活性测定 114
六、摇瓶数据的调整和有关菌株特性的观察分析 116
七、培养基和培养条件的调整 117
八、变种的特性研究与鉴定 117
九、诱变育种实例 119
第二节 突变株高通量筛选 121
一、常用仪器设备 121
二、高通量筛选技术中的常用方法 126
三、高通量筛选应用实例 131
思考题 134
第八章 营养缺陷型菌株的筛选 135
第一节 营养缺陷型菌株的分离和筛选 135
一、营养缺陷型的诱发 135
二、淘汰野生型菌株 136
三、营养缺陷型的检出 137
四、营养缺陷型的鉴定 138
第二节 通过耐结构类似物方法筛选高产菌株 142
一、直线合成途径 144
二、分支途径 144
思考题 145
第九章 抗噬菌体变株的选育 146
第一节 抗噬菌体突变株的分离与筛选 146
一、烈性噬菌体及其效价的测定 146
二、温和性噬菌体及溶源菌 147
三、抗噬菌体菌株的选育 148
四、抗性菌株的特性研究 149
第二节 抗噬菌体菌株的选育实例 150
一、菌种 150
二、培养基成分 150
三、噬菌体的分离纯化和原液制备 151
四、噬菌体菌株的选育 151
五、菌株抗噬菌体性能的检验 152
六、摇瓶发酵试验 152
七、发酵罐发酵试验 152
思考题 152
第十章 工业微生物代谢控制育种 153
第一节 代谢调节控制育种 153
一、组成型突变株的选育 154
二、抗分解调节突变株的选育 155
三、营养缺陷型应用于代谢调节育种 160
四、渗漏缺陷型应用于代谢调节育种 164
第二节 抗反馈调节突变株的选育 164
一、回复突变引起的抗反馈调节突变株 164
二、耐自身产物突变株选育 166
三、累积前体和耐前体突变株的选育 167
四、细胞膜透性突变株的选育 170
思考题 171
第十一章 工业微生物杂交育种 172
第一节 微生物杂交 172
一、微生物杂交育种的基本程序 172
二、杂交过程中亲本和培养基的选择 172
三、杂交育种的遗传标记 174
第二节 霉菌杂交育种 175
一、霉菌的细胞结构和繁殖 175
二、霉菌杂交的原理和杂交技术 176
三、高产重组体的筛选 185
思考题 185
第十二章 工业微生物原生质体融合育种 186
第一节 微生物原生质体融合育种 187
一、直接亲本及其遗传标记的选择 187
二、原生质体制备与再生 188
三、原生质体融合 196
四、融合体再生 198
五、融合重组体检出与遗传特性分析 201
六、原生质体融合的应用 204
第二节 放线菌原生质体融合育种 205
一、放线菌细胞壁组成、结构及水解 206
二、放线菌原生质体融合育种技术 206
第三节 霉菌原生质体融合育种 209
一、霉菌原生质体制备 211
二、原生质体的再生 213
三、原生质体融合和再生 213
四、融合重组体分析与鉴定 215
第四节 工业微生物基因组改组育种 215
一、微生物基因组改组育种意义和原理 215
二、基因组改组育种技术及应用实例 218
思考题 222
第十三章 基因工程育种 223
第一节 概述 223
一、基因工程在微生物育种中的应用 224
二、基因工程原理和步骤 225
第二节 基因工程载体 226
一、质粒载体 227
二、λ噬菌体载体 232
三、柯斯质粒载体 236
第三节 基因工程所用的酶 237
一、限制性内切核酸酶 238
二、DNA聚合酶 240
三、依赖于DNA的RNA聚合酶 242
四、连接酶、激酶及磷酸酶 242
五、核酸酶 243
第四节 基因工程的主要步骤 244
一、DNA的制备 244
二、目的基因的产生与分离 246
三、DNA的连接 247
四、重组体导入大肠杆菌 248
五、含重组质粒的细菌菌落的鉴定 250
六、目的基因的表达过程 251
第五节 基因的表达系统 253
一、原核表达系统 253
二、真核生物表达系统 257
思考题 262
第十四章 分子定向进化育种 263
第一节 理性设计 264
一、寡核苷酸引物介导的定点突变 264
二、PCR介导的定点突变 266
三、盒式突变 267
第二节 非理性设计——蛋白质(酶)分子定向进化技术 267
一、蛋白质(酶)分子定向进化的发展 268
二、蛋白质(酶)分子定向进化策略 268
三、定向进化文库的筛选方法 278
四、酶分子工程的应用和发展前景 279
思考题 281
第十五章 基因敲除育种 282
第一节 基因敲除育种原理 282
一、基因敲除育种概述 282
二、基因重组系统 283
第二节 工业微生物基因敲除育种技术及应用 287
一、基因敲除育种技术 287
二、基因敲除育种技术的应用 289
思考题 291
第十六章 全局转录机器工程育种 292
第一节 全局转录机器工程育种的原理 292
第二节 全局转录机器工程育种实施策略及方法 294
一、全局转录机器工程育种实施策略 294
二、全局转录机器工程育种实施方法 295
第三节 全局转录机器工程育种应用实例 295
第四节 全局转录机器工程育种有关的其他菌种改造新方法 296
思考题 297
第十七章 工业微生物生产菌的培养基优化 298
第一节 单因素优化方法 298
一、单因素优化方法含义 298
二、试验范围与试验精度 299
第二节 正交试验优化方法 299
一、正交的含义 299
二、正交试验设计的方法 300
三、正交试验结果 301
第三节 均匀试验设计优化方法 304
一、均匀设计的特点 305
二、均匀设计在培养基优化中的应用 305
三、均匀设计优化应用实例 306
四、均匀设计的注意事项 308
第四节 响应面优化设计方法 308
一、响应面法的含义及特点 308
二、响应面法的应用实例 309
第五节 人工神经网络优化方法 314
一、人工神经网络优化的含义及特点 314
二、人工神经网络优化在培养基优化中的应用 314
思考题 315
第十八章 工程菌的高密度发酵技术 316
第一节 工程菌高密度发酵技术及其工程学基础 316
一、高密度发酵技术概述 316
二、高密度发酵的工程学基础 316
第二节 工程菌高密度发酵的主要影响因素及其控制 318
一、营养成分的影响及其控制 319
二、温度的影响及其控制 320
三、pH的影响及其控制 321
四、溶氧的影响及其控制 321
五、泡沫的影响及控制 323
六、抑制性代谢副产物的影响及其控制 324
思考题 324
第十九章 工业微生物菌种的复壮与保藏 325
第一节 菌种的退化与复壮 325
一、菌种退化的原因 326
二、菌种退化的防止 328
三、菌种的复壮及其方法 331
第二节 工业微生物菌种的保藏 331
一、一般菌种保藏 332
二、菌种保藏注意事项 343
思考题 344
主要参考文献 345

第一章　绪　　论
<br>第一节　工业微生物育种在生物发酵产业中的地位
<br>　　工业微生物菌种选育在生物发酵产业中占有重要地位，是决定该发酵产品能否具有工业
<br>化价值及发酵过程成败与否的关键。现代发酵工业之所以如此迅猛发展，除了发酵工艺改进
<br>和发酵设备更新之外，更重要的是由于进行了菌种的选育及其改良，为发酵工艺提供了人类需
<br>要的各种类型的突变菌株，从而使抗生素、酶制剂、氨基酸、有机酸、维生素、核苷酸、激素、色
<br>素、生物碱、不饱和脂肪酸以及其他生物活性物质等产品的产量成倍，甚至成千倍地增长，同时
<br>产品的质量也不断提高。因此，工业微生物育种对于提高生物发酵产业产品的产量和质量，进
<br>一步开发利用微生物资源，增加生物发酵产业产品的品种具有重大意义。
<br>用于工业生产的微生物菌种要具有以下特性。
<br>（1） 在遗传上必须是稳定的。
<br>（2） 易于产生许多营养细胞、孢子或其他繁殖体。
<br>（3） 必须是纯种，不应带其他杂菌及噬菌体。
<br>（4） 种子的生长必须旺盛、迅速。
<br>（5） 产生所需要的产物时间短。
<br>（6） 比较容易分离提纯。
<br>（7） 有自身保护机制，抵抗杂菌污染能力强。
<br>（8） 能保持较长的良好经济性能。
<br>（9） 菌株对诱变剂处理较敏感，从而可能选育出高产菌株。
<br>（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。
<br>具备以上条件的菌株，才能保证发酵产品的产量和质量，这是发酵工业的最大目的和最低
<br>要求。野生型菌株是不可能具备上述条件的，必须通过对野生型菌株的选育才能实现。发酵
<br>工业为人们提供了各种各样的发酵产品，而工业微生物育种为发酵工业的上述贡献奠定了必
<br>不可少的基础。
<br>第二节　工业微生物育种的进展
<br>工业微生物育种，无论从自然变异中选择或是人工诱变的选择，都是建立在遗传和变异的
<br>基础上。遗传和变异是生物界生命活动的基本属性之一。没有变异，生物界就失去进化的素
<br>材；而没有遗传，变异也无法积累。同样，就优良菌株的选育来讲，没有变异就没有选择的素
<br>材；没有遗传，选到的优良性状也不能进行培育。由此可见，工业微生物育种学是建立在微生
<br>物遗传学基础上，而两者是相辅相成的。
<br>微生物本身，在漫长的进化过程中，逐渐达到适合于它的生存和繁衍的水平。野生型微生
<br>物经自然选择，能适应它的周围环境，能适应同其他物种的竞争，但却不能按照人的意志生产
<br>人们需要的物质。因此，从人类的利益出发，必须对工业微生物菌种进行改良，使之产生数量
<br>远远超出微生物本身需要的物质，或者不是它正常产生的新物质。
<br>对工业微生物菌种进行有目的的改良，是在有关微生物遗传学知识被人们了解并掌握之
<br>后才成为可能的。同时，这种改良涉及多学科领域。
<br>1927 年，人们发现了X 射线诱发突变。1945 年后，各种具有诱变能力的辐射和化学诱变
<br>剂的发现，为这种改良提供了非常有用的工具。通过诱变和筛选的“随机选择” ，不仅在提高现
<br>有产品的发酵单位上发挥了巨大作用，而且在当前多种新发酵产品的改进方面也具有很大潜
<br>力。通过对诱变作用和DNA 修复机制的深入了解，可以设计出所希望的突变型的最佳方案。
<br>对基因表达和代谢途径调控机制的进一步阐明，可以设计出使所需要的突变特性得以充分表
<br>达的筛选条件。自动仪表装置和微机的应用，则可使单位时间内获得分离的菌株数量大大增
<br>加。这些技术的综合应用，使获得优良菌株的概率大为提高。
<br>工业微生物育种技术的发展大致经历如下阶段。
<br>随着微生物学的发展，特别是发明微生物纯种培养法之后，开始了微生物纯种的自然
<br>选育，对工业微生物育种有很大的影响。当时，在酒精发酵中，推广了自然选育的纯系良
<br>种，扭转了酒精生产不稳定的现象。这是最早应用微生物遗传学原理于微生物育种实践而
<br>提高发酵产物水平的一个成功实例。自然选育方法虽已沿用多年，迄今仍是工业微生物育
<br>种的手段之一。
<br>由于自然突变频率低，单纯依赖自然界存在的微生物群体来进行的自然选育无疑有很大
<br>局限性。继而进行了人工诱变选育，取得了很大效果。
<br>20 世纪40 年代初，Beadle 和Tatum 采用X 射线和紫外线等辐射因子来诱变红色面包
<br>霉等，获得了各种代谢障碍的变株，并于1941 年提出“一个基因一种酶”的学说，阐述基因
<br>与酶功能的直接关系，使遗传学从细胞水平发展到分子水平，促进了工业微生物育种技术
<br>的发展。
<br>诱变育种是以人工诱变基因突变为基础的，过去是工业微生物育种的主要方法，至今仍是
<br>世界各国行之有效的重要方法，尤其发酵工业中的各种优良高产菌株绝大部分都是以诱变育
<br>种方法获得的。例如，抗生素生产中的青霉素产生菌特异青霉（ Penicilliumnotatum）是1929
<br>年英国的Flemirlg 发现的。当时表层培养只有1～2 U/ml ，而1943年美国北部地区研究所实
<br>验室分离出产黄青霉（ Pen.chrysogenum）NRRL9551 同时伴以沉没培养成功，则达到20U/ ml，在
<br>此基础上，经过40 多年的诱变育种，到目前已达80 000 U/ml 以上，比原始菌株的产量提高了
<br>上千倍。至于其他抗生素品种，如链霉素、土霉素、四环素、红霉素及灰黄霉素等，都由原来的
<br>几十单位提高到目前的几万单位。
<br>除抗生素外，其他许多重要发酵产品也都由于进行了有效的菌种选育工作，在产量和质量
<br>上都取得明显的提高，其主要手段也都是诱变育种。
<br>但是，某一菌株长期使用诱变剂处理之后，除产生诱变剂“疲劳效应”外，还会引起菌种生
<br>长周期的延长、孢子量减少、代谢减慢等，这对发酵工艺的控制是不利的。而杂交育种可以作
<br>为育种的另一手段，其成功不仅表现在种内杂交上，而且在种间杂交以至属间杂交都取得令人
<br>满意的结果。
<br>杂交育种的最主要目的是把不同菌株的优良经济性状集中于重组体中，克服长期用诱变
<br>剂处理造成的上述缺陷，同时杂交还是增加产品新品种的手段之一。当然，杂交育种也应当建
<br>立在诱变育种的基础上，没有诱变育种，杂交菌株的产量是难以继续提高的。
<br>代谢控制育种以20 世纪50 年代末谷氨酸发酵取得成功使发酵工业进入第三转折期――
<br>代谢控制发酵时期，并在其后的年代里得到飞跃的发展。
<br>代谢控制育种活力在于以诱变育种为基础，获得各种解除或绕过了微生物正常代谢途径
<br>的突变株，从而人为地使有用产物选择性地大量生成和累积。代谢控制育种的崛起标志着诱
<br>变育种发展到理性阶段，导致了氨基酸、核苷酸及某些次级代谢产物的高产菌株大批地投入
<br>生产。
<br>随着基因工程在工业微生物菌种选育中的应用，世界上以基因工程方法创造的各种工程
<br>菌不计其数，实现了人为的菌种选育，一切可以按照人们事先设计和控制的方法进行育种，这
<br>是一种最新的育种技术。
<br>基因工程菌的构建和应用，已在多方面显示出其巨大的生命力。通过基因工程的方法生
<br>产药物―― 已获得包括治疗用药物、疫苗、单克隆抗体及诊断试剂等多种获得上市的品种；通
<br>过基因工程方法提高菌株生产能力―― 已获得包括氨基酸类、工业用酶制剂及头孢霉素C 在
<br>内的工程菌；通过基因工程方法改造传统发酵工艺―― 如氧传递有关的血红蛋白基因克隆到
<br>远青链霉菌，降低了对氧的敏感性；通过基因工程方法提高菌种抗性等。以上诸多类型的基因
<br>工程菌构建，使工业微生物育种突破了传统的、经典的育种模式，在工业微生物育种中展示了
<br>极为光明的前景。
<br>基因组改组（genome shuffing）是一种细胞定向进化技术。2002 年Zhang 等在Nature
<br>上首次发表了微生物基因组改组育种报道。基因组改组是多亲本微生物之间发生重组，先用
<br>诱发突变或点突变技术产生复杂子代组合库，再利用改组技术将有利性状组合拼接，快速进化
<br>目标菌的一种选育微生物的新方法。
<br>基因组改组技术巧妙地模拟和发展了自然进化过程，以分子进化为核心，用工程学原理加
<br>以人工设计，在实验室实现微生物全细胞快速定向进化，仅需1～2 年就可完成自然界数百万
<br>年才能达到的进化目标，使得人们能够在较短的时间内获得性状大幅度改良的正向突变的目
<br>标菌株，成为微生物育种的前沿技术。
<br>分子定向进化（directed molecular evolution）是一种DNA水平的分子定向进化技术。20
<br>世纪90 年代中期美国Arnold 和Stemmer 首先报道了蛋白质（酶）分子改造成功的例子，从此
<br>拉开了酶蛋白分子定向进化育种的序幕。分子定向进化属于蛋白质（酶）非理性设计的主要范
<br>畴，它不需要了解蛋白质的空间结构和催化机制，在实验室中人为创造特殊的进化条件，模拟
<br>自然进化机制，在体外进行酶蛋白基因的改造，并定向筛选出所需特性的突变蛋白。这样就能
<br>在较短时间内完成漫长的自然进化过程，甚至可以在几个月或几周的时间内创造出优化的酶
<br>蛋白，而在自然的进化过程中，要得到这个结果需要几千万年之久。
<br>高通量筛选（high唱throughputscreening）是微生物育种技术的重要组成部分，在工业微生
<br>物育种过程中，无论是传统的诱变育种、杂交育种、基因组改组育种、现代基因工程育种及分子
<br>定向进化育种等，建库后，都要对文库进行筛选。而文库的库容量很大，各个样品的质量参差
<br>不齐，具有很大的随机性。使用传统零敲碎打的筛选方法，筛选量低，概率小，工作量大，要耗
<br>费大量的人力、物力。在这种背景下，高通量筛选技术孕育而生。
<br>高通量筛选技术的核心，首先必须根据目的样品的特性，开发出合适的筛选模型，将样品
<br>的这些特性转化成可以用摄像头和计算机传感器识别的光信号或者电信号。此外，要有自动
<br>化或者自动化的实验操作系统，能够进行移液、接种、清洗等设备操作。而且必须具备以下特
<br>点：具有在高洁净度下工作的能力，不引起污染，可多通道一次性进行多组操作，操作速度快，
<br>具有良好的软件和硬件兼容性，能与监测设备对接，实验数据可以在多种软件平台上进行分
<br>析，能使用各种通用型规格的耗材。
<br>随着工业微生物育种技术的不断创新，尤其分子育种的手段与方法有了崭新的进展，极大
<br>地丰富了工业微生物育种的内容。
<br>在工业微生物生产菌种基因的表达系统方面，除了最早采用的原核表达系统和随后采用
<br>的酵母表达系统外，还实现了丝状真菌表达系统和哺乳动物细胞表达系统，为工业微生物工程
<br>菌的构建创造了创新性的技术基础。
<br>为提高工业微生物生产菌株的产量，重组载体诱变方法已得以实现，其中质粒直接诱变可
<br>通过化学诱变剂与质粒反应时间的长短来控制突变率，筛选目的突变菌株已有成功实例。
<br>基因敲除是通过一定的途径使机体特定的基因失活或缺失的一种分子生物学方法，它具
<br>有定位性强、插入基因随染色体DNA 稳定遗传、操作方便等优点。它为定向改造工业微生物
<br>品种提供了重要的技术支撑。笔者在阐明芳香族氨基酸代谢途径的基础上，通过敲除L唱色氨
<br>酸菌株的tyrA 基因获得了酪氨酸营养缺陷型菌株，应用这种营养缺陷型，可使代谢支路的中
<br>间体预苯酸不流向酪氨酸生成的方向，使色氨酸的合成有充足的原料。发酵试验结果显示：工
<br>程菌的发酵液中没有酪氨酸的存在，同时L唱色氨酸的产量较原始菌株提高近1 倍，同样，该技
<br>术也在L唱苯丙氨酸的工程菌构建中取得成功。
<br>全局转录机器工程育种是一种通过引入全局转录扰动来获得多尺度细胞表型突变库的新
<br>方法，可以快速、高效地获得性能显著提升的细胞表型重要新技术。
<br>工业微生物高密度培养，又称高细胞密度发酵技术，是在传统发酵技术上改进的发酵技
<br>术，利用一定的培养技术和装置，极大地改进了发酵工艺，使菌体密度较普通培养有显著提高，
<br>增加工程菌对数期的生长时间、相对缩短衰亡时间来提高菌体的发酵密度，最终提高产物的比
<br>生产率，不仅可减少培养体积，强化下游分离提取，还可以缩短生产周期，减少设备投资从而降
<br>低生产成本，极大地提高市场竞争力。
<br>工业微生物工程菌构建成功之后，关键还在于如何在特定的装备条件下，使其目的产物高
<br>效表达最大化，其中工业微生物工程菌的培养基优化是使该工程菌株高产性状及其他优良特
<br>性高效表达的重要发酵技术，除传统的正交试验优化方法外，均匀实验设计优化方法、响应面
<br>法优化设计和人工神经网络优化方法都得到了广泛的应用，并取得了显著的效果。
<br>纵观上述，正由于工业微生物育种技术的不断创新，促进了对生物发酵产业总体技术水平
<br>的提高，不仅使传统生物发酵产业在工艺改进、工艺创新和提高产品质量等方面起到了重要的
<br>推动作用，而且也使现代生物发酵产业建立了从被动筛选到主动合成的技术平台，促进了我国
<br>生物发酵产业的发展。
<br>思　考　题
<br>1.简述工业生产的微生物菌种特点。
<br>2.简述工业微生物育种技术的方法及其特点。
<br>第二章　遗传物质的基础
<br>生物的性状由遗传物质决定。随着遗传学的发展，遗传物质的本质不断被揭示。孟德
<br>尔（ G.J.Mendel）1856～1864 年在从事豌豆杂交试验过程中，首先发现分离和独立分配遗传
<br>规律，认为生物性状是受细胞里的颗粒性遗传因子控制，但是，这种遗传因子只是一种逻辑
<br>推理产物，没有任何物质内容。约翰生（ W.L.Johannsen）1909 年用“基因” （gene）一词代替
<br>孟德尔的遗传因子概念，但也没有给出“基因”的物质内容。贝特生（ W.Batson）和摩尔根
<br>（ T.H.Morgan） 1900～1910 年期间先后在香豌豆、果蝇的遗传研究中发现性状连锁
<br>（linkage）现象。尤其是摩尔根在大量果蝇遗传研究基础上提出了连锁遗传规律，同时，结合
<br>染色体动态研究结果提出“基因位于染色体上，基因是染色体的一段片段” 。限于当时的科
<br>学水平，摩尔根还不能对基因赋予实体的内容，但他预见了基因将是一个化学实体。阿委
<br>瑞（ O.T.Avery）证明DNA 是遗传物质。沃森（J.D.Watson）和克里克（F.H.C.Crick）于20 世
<br>纪50 年代前后提出DNA 双螺旋结构模型，明确了DNA 是遗传信息的载体，是遗传物质，
<br>基因是DNA 分子上的一个片段。除了DNA 外，有些动物、植物病毒和噬菌体是以RNA 作
<br>为遗传物质的。
<br>遗传物质主要分布在真核生物的细胞核、原核生物的原核中。细胞质中的某些细胞器，如
<br>叶绿体、线粒体、质体等也含有遗传物质。
<br>随着物理、化学、分子生物学等先进技术和设备的应用，对遗传物质基本单位―― 基因的
<br>本质、组织结构等的认识越来越深入，也赋予基因新的内容，形成基因组学这门学科。
<br>第一节　染　色　体
<br>所有细胞型生物都具有携带基因的结构，这种结构称为染色体（chromosome） 。然而，染
<br>色体在原核生物与真核生物之间存在差别：原核生物的染色体由环状双链和极少的蛋白质构
<br>成，细胞中仅有单个染色体，每个染色体有单一的DNA 复制起始位点，染色体包含在核质体
<br>中。真核生物有若干条线性染色体，DNA 与大量的蛋白质紧密结合，每一真核生物具有多个
<br>DNA 复制起始位点，染色体包含在细胞核中。
<br>一、染色体形态
<br>根据着丝粒的位置可以把染色体分为四种典型的形态，它们分别是：① 中着丝粒染色体：
<br>其着丝粒位于染色体中部附近，染色体具有几乎等长的两臂；② 近中着丝粒染色体：其着丝粒
<br>位置偏离染色体中位，染色体具有长、短两臂；③ 端着丝粒染色体：其着丝粒位于染色体的端
<br>部，染色体只有一个臂；④ 近端着丝粒染色体：其着丝粒几乎位于染色体的端部，染色体有一个
<br>长臂，有一个极短的短臂（图2.1） 。
<br>所有真核生物的染色体具有着丝粒和端粒这两个重要区域。此外，某些染色体还具有核
<br>仁形成区。着丝粒在细胞分裂过程中，作为纺锤
<br>丝的附着点，缺乏着丝粒，细胞将无法进行正常的
<br>分裂。
<br>端粒不仅是染色体末端的一个区域，它还具
<br>有特殊的结构。在端粒区域，含有DNA 重复序列
<br>（repeat sequence） ，如人类的该序列为T TAGGG 。
<br>在生殖细胞中，每个端粒含有大量的重复序列，但
<br>是随着体细胞衰老，端粒中的重复序列数量逐渐
<br>减少。维持端粒长度的恒定要靠端粒酶。研究发
<br>现，在体细胞中缺少端粒酶，但在肿瘤细胞中重新
<br>出现了端粒酶。
<br>核仁形成区通常存在于次缢痕区。该区含有
<br>重复的rRNA 基因，在细胞分裂间期，核仁形成区
<br>解凝聚，其周围形成核仁。
<br>二、原核生物及病毒染色体结构
<br>以大肠杆菌为例来阐明原核生物染色体的结构特点。
<br>大肠杆菌染色体以单个双链环状DNA 分子构成，大约有4.6 × 106 bp 。这种染色体组成
<br>了大肠杆菌的拟核（核质体） 。在拟核中DNA 占80 % ，其余为RNA 和蛋白质。DNA 与蛋白
<br>质相互作用形成“脚手架”形结构（图2.2） 。在这种结构中，DNA 链形成了50～100 个功能域
<br>或环。每个环都是超螺旋结构，每个环的DNA 有两个端点被蛋白质固定。每个环大约有
<br>50～100kb 。当用微量的DNA 酶Ⅰ 处理，会使少量DNA 环成为松弛状态，而其他环保持超螺
<br>旋状态不变。
<br>染色体环状DNA 功能域将进一步与DNA 结合蛋白结合。在DNA 结合蛋白质中，含量
<br>最丰富的为HU 蛋白，另外还有H唱NS 蛋白。这些蛋白质有时也称为类组蛋白。
<br>病毒没有典型的染色体结构。习惯上把病毒含有的RNA 或DNA 也称为染色体。对DNA
<br>病毒来说，不同的病毒其DNA 形态结构多种多样，如DNA 可以是单链，也可以是双链；可以是
<br>环状，也可以是线状。对RNA 病毒来说，RNA 为线状，RNA 可以为单链，也可以为双链，甚至含
<br>