更新时间:2022-08-25 12:42
融合子(Fusion)是指两种遗传性不同的植物或微生物细胞去掉细胞壁之后,经过一定的手段将两者融合成的一个新的细胞。
融合子是指两种遗传性不同的植物或微生物细胞去掉细胞壁之后,经过一定的手段将两者融合成的一个新的细胞。
细胞工程是指在细胞水平上对生物进行改造的一项综合性技术。对微生物而言,由于其结构简单,为单细胞、简单多细胞、甚至无细胞结构,因此从细胞层面上对其的改造已经历了很长时间。如诱变育种,从某种意义上说就是在细胞水平上对物种进行改造的过程,但就现代微生物细胞工程来说,主要是指微生物的原生质体融合。
所谓原生质体融合是指用人工方法将遗传性状不同的两菌株的原生质体融合在一起,使融合子携带双亲优良性状的一种新技术。它是在有性杂交的基础上发展起来的。我们知道,酿酒酵母的a型与a型菌株在自然条件下能发生融合。但不同种,不同属,甚至同种的同一结合型之间的酵母菌株却不能,如果将酵母菌的细胞壁去除,用物理、化学或生物的手段使两者结合在一起,就有可能融合成一个新细胞,这样就为微生物的育种开辟了一条新途径。
原生质体融合的方法主要有化学融合法、电融合法与激光诱导融合法。
最常用的是PEG(聚乙二醇)助融法。将两亲本的原生质体等量混合在高渗液中,加入PEG助融,轻轻振荡促使原生质体融合。PEG作为促融剂,因其单体聚合程度不同而分子量差异很大,所以不同种的原生质体采用不同分子量的PEG。细菌一般采用30%~50%(w/v)的PEG,同时加入Ca2+与DMSO进一步促融,时间约为60s。真菌则采用25%~30%的高分子量PEG,pH9.0为佳,也需要加入Ca2+提高融合。而曲霉菌则采用20%PEG6000,母液为1~50mmol/L甘氨酸,pH7.5,处理时间为10~30min,融合频率可达0.1%。Kavanagh在对酿酒酵母或白色念珠菌的融合实验中,采用PEG 3350,浓度分别为40%和60%,pH7.0,结果表明,对于酿酒酵母用40%PEG加lmmol/L乙酸钙系统融合频率最高,而对于白色念珠菌,PEG浓度对实验结果没有影响,但在pH4.7的条件下,融合效果明显高于pH 7.0。
电融合法是利用直流或交流电场,使两亲本的原生质体进行融合。原生质体在电场中极化成偶极子,沿电力线排列成串珠状,在两极问的高压由脉冲击下击穿紧密接触的细胞质膜,在细胞膨压的作用下完成融合。此法具有融合频率高,对细胞无化学毒害,还具有空间定向和时间同步可调控性,在显微镜下进行电融合,还可观察到融合的过程,此法的一个缺点是电场大小不易控制,如果电场大容易使原生质体大量死亡。
利用激光束对相邻的两个原生质体接触区进行穿孔,使原生质体进行融合。原理与电融合法相同。在操作时也要注意激光束的强度。
假设用于原生质体融合的两亲本的基因型分别为A型和B型,那么经过融合后,整个群体中含有5种类型,即A型、AA型、AB型、BB型、B型。其中只有AB型才有可能形成真正的杂合细胞,而其余4种均被淘汰。但AB型融合子在整个群体中的比例是很小的。所以选用适当的方法从融合群体中选择目的融合子显得非常重要。
利用营养缺陷型作为筛选标记是最传统的有效而直接的办法,即二亲本是不同的营养缺陷型,融合后于高渗基本培养基上再生,融合子由于遗传物质的互补回复为野生型从而可以在基本培养基上生长,而亲本则不能生长。培养基中的渗透压稳定剂一般为17%的蔗糖。对于K氏酿酒酵母,在再生培养基中加入酵母细胞壁合成前体物质或者牛血清白蛋白及聚乙烯吡咯烷酮(PVP)可以明显提高融合子的再生能力。营养缺陷型筛选法可以分为两种,一种为直接法,即将融合液涂布在基本培养基上,直接从中选出融合子;另一种为间接法,即让亲本与融合子都可以得到再生,长出菌落后接种到不同的选择培养基上,从选择培养基上检出融合子。应用营养缺陷型选择存在的一个缺点就是亲本要有不同的营养缺陷,而获得不同的营养缺陷比较麻烦,涉及到用物理的或者化学的方法进行诱变。诱变的结果可能造成一些优良性状丢失。
微生物的抗药性是其菌种的特性,是由遗传物质决定的。不同微生物对某一种药物的抗性存在差异,利用这种差异或者与菌种的其他特性结合起来就可以对融合子进行筛选。
如果二亲本具有不同的优良性状,比如能代谢不同的底物,它们的融合子就同时具有亲本的优良性状。例如在筛选高温乙醇发酵的酵母的实验中就是利用二亲本的不同优良性状。酿酒酵母A001产酒率为10.2%,能发酵麦芽糖。但是在45℃的条件下不能生长;克鲁维酵母Y304为呼吸缺陷型,产酒率为3.6%,不能发酵麦芽糖,但是能在45℃的条件下生长。将这两种亲本酵母融合后,融合子既能发酵麦芽糖又能在45℃的条件下生长。这样就可以在含有麦芽糖的培养基中,在45℃的培养箱中筛选融合子。
在筛选能利用淀粉的大肠杆菌的实验中,亲本大肠杆菌是不能利用淀粉的,其为革兰阴性;枯草杆菌是可以利用淀粉的,其为革兰阳性。将二亲本的原生质体进行融合,然后在含有淀粉的培养基上进行再生。随机挑取在再生培养基上长出的菌落,于油镜下观察,选取没有芽孢的细菌制成菌悬液,在淀粉培养基上于28。C培养24h,加碘液,出现透明圈,挑取出现透明圈的细菌在油镜下观察确认没有芽孢的存在。重复一次实验以进一步确认。
在构建具有杀伤能力并可以利用淀粉的酵母实验中,利用融合子既具有杀伤性能又可以在含有以淀粉为唯一碳源的培养基生长的这一性质,就可将融合子与亲本分开。
亲本之一的原生质体经过物理方法(紫外线照射、短时加热等)处理失活而作为遗传物质的供体,然后与另一亲本的原生质体进行融合。利用该法可以省去一株亲本的原生质体制备步骤,但是融合率比较低。嗜杀啤酒酵母FP5—24的选育就是利用该法筛选的。首先用紫外线灭活含有嗜杀质粒的供体酵母的原生质体(确保灭活后不能再生),然后用该灭活的原生质体与啤酒酵母CDW-4的原生质体融合。利用受体酵母对嗜杀毒素的敏感性选出融合子FP5—24。该融合子的酿造性能与受体菌保持相同但是具有嗜杀活性。
将二亲本的原生质体用不同的理化手段进行处理,相应地使某一部位的生理结构被损伤而失去活性,但不是将原生质体彻底杀死。灭活后的原生质体不能再生,而由损伤部位不同的原生质体相结合形成的融合子,因为损伤部位可以互补则可以再生。由于双亲原生质体灭活融合减少了寻找稳定的遗传标记的繁琐的工作以及由此可能带来的亲本优良性状的丢失,而且使融合子的筛选变得直观简便,大大提高了筛选效率。但是与上述筛选方法相比,它的融合效率是较低的。周东坡等人通过将酵母亲本原生质体分别在52℃水浴中处理30min以及用紫外线照射20min,然后将处理后的原生质体融合,直接筛选融合子,得到一株啤酒酵母的新菌株,具有絮凝性比亲本好、双乙酰含量比双亲低、生长比亲本快的优良性状。
利用不同的荧光色素来标记亲本的原生质体,使其在特定波长光的激发下发出不同的荧光,融合后在荧光显微镜下挑选具有双亲两种荧光的融合子。利用该方法要考虑荧光色素对原生质体的活性影响以及两种色素的分辨度,该方法与上述方法相比在操作上比较麻烦,所以运用该方法来筛选比较少。