生物工程毕业论文 .doc
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1、学士学位论文烟色曲霉原生质体制备与紫外诱变题 目 类 别 毕业论文 系 别 生物工程系 专 业 班 级 08014101 学 生 姓 名 张尚昆 指 导 老 师 周念波 辅 导 老 师 黄 英 起 止 时 间 2011年10月至2012年5月 论文提交时间 2012年5月 二零一二年五月论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名: 年 月 日
2、目录摘 要关键词AbstractKey words前言11.1 材料41.1.1 样品41.1.2 实验试剂41.1.3 酶41.1.4 仪器与设备41.1.5 培养基41.2 实验方法51.2.1 筛选育种过程51.2.2 出发菌株烟色曲霉分解壳聚糖能力检测51.2.3 酶液的配制51.2.4 孢子悬液的制备51.2.5 制备原生质体51.2.6 原生质体的紫外诱变及再生51.2.7 高产菌株的检出52 结果和分析62.1 烟色曲霉原生质体制备培养条件优化62.1.1菌龄对原生质体产率的影响62.1.2 酶液pH对原生质体产率的影响62.1.3 酶作用温度对原生质体产率的影响72.1.4 酶
3、作用时间对原生质体产率的影响82.2 原生质体紫外照射剂量的确定92.3 紫外诱变结果93 结论10参考文献11致 谢12烟色曲霉原生质体制备与紫外诱变摘 要本实验以烟色曲霉(Monacus fulginosus)为出发菌株,用混合酶制取原生质体并对原生质体形成条件进行探讨,并进行紫外诱变选育。采用18 h菌龄的菌丝体,使用pH为5.0的蜗牛酶(5mg/ml)+纤维素酶(5 mg/ml)复合酶液,30 下酶解2.5 h,在该条件下原生质体浓度可达6.5106个/mL,再生率为6.3%。在最佳紫外线照射时间90 s下,突变株经筛选,得到一株降解壳聚糖的酶活显著提高、遗传性能稳定的诱变株。其酶活比
4、出发菌株提高了1.23倍。关键词烟色曲霉;壳聚糖酶;原生质体;紫外诱变Protoplast Preparation and Breeding of Higher Esterifying Enzyme Activit Mutants by Protoplast Mutagenesis of Ultraviolet Irradiation of Monacus fulginosus Abstract Using Monacus fulginosus as the original strain,Studied on the preparation and regeneration conditio
5、ns of protoplasts by mutagenesis of ultraviolet irradiation。The results showed that treated 18h culture of Monascus ruber with 5mg/ml snail enzyme and 5mg/ml Cellulose enzyme whose pH is 5.0, the enzymolysis time was 2.5 hours, the enzymolysis temperature was 30 , the protoplasts could reach 6.5106
6、unit/mL, and the regeneration rate reached up to 6.3%。Under UV irradiation time in the best case for the 90s, After initially sieving and duplicate sieves,the mutagenesis strain which own increasing enzyme activity and transmissibility was obtained。Its esterifying enzyme content is 1.23 times higher
7、 than the original strain。Key wordsMonacus fulginosus; Chitosan enzymes; protoplast; ultraviolet mutagenesis前言 原生质体是指细胞壁被酶水解剥离后,剩下由原生质膜包围的原生质部分原生质体通常是由对数生长期的细胞制备而来的,代谢旺盛复制频繁生活力强对诱变剂的敏感性也强,诱变后易于形成单菌落而便于筛选;同时,原生质体还具有细胞壁再生能力,保持了细胞的全能性,可以按照常规的细胞诱变方式对其进行诱变,从而提高突变株的变异幅度,诱变效果更为理想1。1研究背景与意义自Buchman和Bonner在1
8、959年首次报道利用酶解破壁方法从粗糙脉孢霉菌丝体释放原生质体以后,在其他各种真菌的原生质体制备和再生的研究陆续开展,极大丰富了人们对真菌细胞外表和其生理功能的知识,尤其对于20世纪70年代中期兴起的原生质体融合遗传育种手段在丝状真菌的应用起到了启动作用2。对于烟色曲霉的原生质体制备、再生以及原生质体诱变育种技术的研究也日益增多。但是自然筛选的烟色曲霉产酶水平一般较低,无商业开发价值,而诱变育种是一种简便易行而且快速的选育方法。由于各种诱变剂对微生物的作用位点和方式不尽相同, 因此,反复使用同一诱变因子会出现钝化现象可能引起微生物的回复突变,这就要求在烟色曲霉进行诱变育种时要尽量选用新的诱变因
9、子,才会有较大可能性取得成功。原生质体由于去除外壁障碍,对各种诱变剂敏感性较强,往往正突变率高,因而利用原生质体直接诱变经过多种诱变剂处理过的钝化株,是较有意义的诱变方法。 基于上述原因,人们采取各种手段以获得稳定性产酶菌株。潘力等人2006年对酱油曲霉孢子原生质体的制备条件进行优化,得到酱油曲霉BI孢子原生质体的制备条件为:选取培养5 d、绿色孢子开始旺盛生长的新鲜斜面培养物制备孢子悬浮液,采用25 mmol/ L-巯基乙醇 + 5 mmol/L Na2 EDTA 体系预处理20 min,酶解条件是1%溶菌酶 + 1%蜗牛酶 + 1%纤维素酶,山梨醇渗透压稳定剂(0.6 mol/ L,pH
10、6.88),酶解温度33 ,酶解5 h,再生培养基为0.6 mol/L NaCl 高渗透压豆汁培养基,涂布法再生。选用致死率为99.95%以上的诱变剂量对制备的原生质体进行紫外诱变处理,最终从230余株突变株中筛选得到7株酶活有较大提高的菌株系列U,遗传稳定性试验证明它们均具有高水平且稳定的中性蛋白酶酶活3。王燕2007年对双亲灭活米曲霉原生质体融合中原生质体制备的研究得出原生质体制备最佳条件为:最佳破壁酶为纤维素酶、溶壁酶、蜗牛酶3种酶混合,混合浓度比为5:3:1;菌丝培养15 h,酶解时加入DTT 3 mmol/L;酶解2.5 h,0.8 mol/L NaCl作为渗稳剂,制备所得原生质体融
11、合后融合率达到3.31%4。 李萍等于2000年对黑曲霉原生质体进行紫外、LiCl复合诱变,获得了1株产-葡萄糖甘酶活较高的菌株,其酶活有出发菌株的10 U/mL提高到14.7 U/mL2。郭鲁宏等2000年以黑曲霉(Aspergillus niger)No.13为出发菌株,经紫外线处理,获得1株制备原生质体的起始菌,该菌株单宁酶活性比No.13提高55%;并对制备原生质体的条件进行了研究,在优化方案基础上,紫外诱变原生质体,诱变菌株经筛选,得到1株产单宁酶活是出发菌株的2倍的菌株2。彭益强等2002年将2株黑曲霉菌株(I、II)在诱导产植酸酶的条件下分别制备成原生质体,并考察其原生质形成及再
12、生,经紫外诱变后,发现涂平板的黑曲霉(II)原生质体在再生过程中菌落形态发生明显变化。考查突变菌种的植酸酶酶活,筛选到其中1个变异株比原始黑曲霉(II)亲本株的植酸酶酶活提高了2.2倍2。2曲霉原生质体的性质2.1 烟色曲霉原生质体Weibull13等于1953年首先提出原生质体概念。用水解酶将细胞壁水解剥离,剩下由原生质体膜包围着的原生质体部分称为原生质体(protoplast)。其形状随不同菌类而异。原生体基本保持原细胞结构、活性和功能,只是因为去掉了细胞壁,对渗透压和外界环境特别敏感。为制备原生质体,必须有效地除去细胞外的细胞壁。去壁的方法有机械法、非酶分离法和酶法。实际工作中绝大多数采
13、用酶法,时间短,效果好2。2.2 原生质体的生物学特性原生质体与完整细胞相比,细胞结构和功能是相类似的;来自不同菌丝部位的原生质体,生理生化特性不同,对诱变剂的敏感也不同,从菌丝顶端分离出的原生质体代谢活动要强;去壁后的原生质体对外界条件敏感,并且外界大分子如外源DNA等容易进入细胞内;原生质体在一定条件下容易再生成细胞壁而复原为完整细胞形态;原生质体由于剥去了细胞壁,等于失去了屏障,外界的因素本身对它就有影响,再加上用诱变剂诱变,对原生质体的变异作用更强。可以提高诱变强度,增加诱变的力度,提高高频诱变的机率,使菌株变异的幅度大大加强,有可能从中筛选出变异特性更强、性状改变更大的菌株2。2.3
14、 曲霉原生质体的释放过程 曲霉原生质体和其他许多常见丝状真菌一样,可以从菌丝顶端和其他部位释放,同时出现菌丝膨大变形,这是由于细胞壁已被水解掉,细胞膜凸出将要成为原生质体。原生质体释放时,通常是在菌丝体的释放部位先膨大形成一个小球体,然后该球体逐渐增大,最后脱离菌丝,有的还可以在原有的释放部位紧接着又形成一个或几个原生质体,这可能是由于菌丝体有关泡囊形成与细胞膜融合的机制所导致的。有报道认为,在菌丝上缓慢膨大脱落的原生质体较为稳定,很快形成的原生质体则很脆弱。释放的原生质体多呈球形,大小不一,直径为1 m20 m,但以直径为5 m10 m 的中等大小的原生质体最多,其原生质体中一般含一个巨大的
15、液泡,其余的内含物呈月牙形,透明性较液泡差。郝勃等在相差显微镜下详细地观察了2 株黑曲霉在最适条件下形成原生质体的过程。结果表明,曲霉的原生质体均能从菌丝体的顶端及其他部位释放出来,释放的原生质体呈球形,大小不一,大多数原生质体内均能清晰地看见含有一个巨大的液泡2。2.4 曲霉原生质体的制备制备原生质体是原生质体技术的前提和基础,但是不同微生物的细胞壁组成各不相同,所以制备其原生质体的最佳条件也存在着很大差异。早期人们曾探索使用研磨等机械方法和超声波等物理方法来制备原生质体,制备效果都不理想,目前人们主要运用酶法来制备原生质体。对于曲霉,由于其细胞壁组成较为复杂,人们多倾向于使用复合酶进行处理
16、,常用的酶有纤维素酶、蜗牛酶和几丁酶等。不同黑曲霉菌种在制备原生质体时所需酶和种类不同,而且所需酶浓度、酶解液配比、菌丝的菌龄、酶处理的温度和时间、培养方法及其他因素也存在着差异2。2.5 烟色曲霉酶解壳聚糖的催化特性大部分壳聚糖酶属于内切酶,降解壳聚糖生成壳二糖、壳三糖等寡聚体的混合物,壳聚糖酶在酶解过程中的活性是随着一乙酰化度、一取代基团及其不同取代位置以及均相和非均相反应体系而变化的。研究显示,壳聚糖酶在降解壳聚糖时,需要有一定的乙酰基协助催化降解,在乙酰度不高的情况下,随着壳聚糖的乙酰度降低,酶的活性增高,低聚壳聚糖的收率增大,而且降解时间是控制产物聚合度的关键因素。一些研究表明,不同
17、来源的壳聚糖酶由于其氨基酸排列顺序及分子量不同,其催化作用模式也不同。Yoon等5对Bacillus sp.CK 4产的壳聚糖酶进行了定点突变研究,发现当Asp-66改为Asp或Glu时酶活力显著下降,推测Asp-66是该酶催化活性中心所必需的氨基酸残基。来源于不同微生物的壳聚糖酶对不同脱乙酰化程度的壳聚糖和壳聚糖衍生物(乙二醇壳聚糖、羧甲基纤维素和羟乙基壳聚糖)有不同的特异性,但是一般不能降解胶体几丁质和纤维素,这也是判断壳聚糖酶和几丁质酶的一个重要标准。Hutadilok等6研究发现Bacillus pumilus产的壳聚糖酶在均相体系反应中,随着N-乙酰化程度的提高,米氏常数( Km)升
18、高,最大反应速率( Vmax)降低。在非均相反应中,具有一定取代度的N一乙酰化壳聚糖比壳聚糖更容易被水解,但当脱乙酰化度小于36 时,壳聚糖不溶于水,因而难以被水解。3原生质体紫外诱变微生物在一定酶的作用下,脱去细胞壁,只有在高渗压培养基中存活, 并在合适的培养基中恢复细胞壁而再生7。由于原生质体失去细胞壁的屏障,故对环境、诱变剂等更为敏感,因此用原生质体作为诱变材料,诱变效果较传统方法理想。酶法制备原生质体的方法:首先选择原始亲株,用培养皿玻璃纸法或摇瓶振荡法培养,取年轻的菌体转入高渗溶液中,加入有关水解酶,在一定条件下(温度、pH值等)酶解细胞壁。酶解后混合液用玻璃漏斗过滤,滤液进一步离心
19、洗涤弃上清液,沉淀悬浮同一种高渗液中,即可得纯化原生质体8。原生质体失去了细胞壁的屏障,外界的因素本身对它就有影响,再加上用诱变剂诱变,对原生质体的变异作用更强。可以提高诱变强度,增加诱变的力度,提高高频诱变的机率, 使菌株变异的幅度大大加强,有可能从中筛选出变异特性更强,性状改变更大的菌株。原生质体诱变经常会引起较多菌株形态变异,如孢子颜色、菌落形态不同等,因此,在进行原生质体诱变再生育种时,结合分离形态突变株,可以在短期内获得超敏高产菌株。4本实验研究意义烟色曲霉是发酵工业和食品加工业的重要菌种9。现代工业常利用烟色曲霉生产各种酶制剂。壳聚糖酶属于其中的一种,壳聚糖酶属于O-糖苷水解酶,能
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