离子注入在微生物育种中的应用
专业：生化制药
姓名：王芳芳
学号：07
指导教师：魏转
日期：2011.10.26
概述
当真空中有一束离子束射向一块固体材料时，离子束把固体材料的原子或分子撞出固体材料表面，这个现象叫做溅射；而当离子束射到固体材料时，从固体材料表面弹了回来，或者穿出固体材料而去，这些现象叫做散射；另外有一种现象是，离子束射到固体材料以后，受到固体材料的抵抗而速度慢慢减低下来，并最终停留在固体材料中，这一现象就叫做离子注入。
离子注入技术[1]又是近30年来在国际上蓬勃发展和广泛应用的一种材料表面改性高
等离子体基离子注入PBⅡ装置示意图
新技术。
摘要
论文题目：离子注入在微生物育种应用中的应用
摘要：当真空中有一束离子束射向一块固体材料时，离子束射到固体材料以后，受到固体材料的抵抗而速度慢慢减低下来，并最终停留在固体材料中，这一现象就叫做离子注入。
并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。
该文章讲述了离子注入对于微生物育种产生的而各种影响和应用。
关键词：诱变育种微生物低能离子注入法
正文：
引言
中文名称：离子注入英文名称：ion implantation
定义1：以高能离子束注入基材内的近表面区，以改变表面性能的过程。
其基本原理是：用能量为100keV量级的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。
此项高新技术由于其独特而突出的优点，已经在半导体材料掺杂，金属、陶瓷、高分子聚合物等的表面改性上获得了极为广泛的应用，取得了巨大的经济效益和社会效益。
其优点是作为一种材料表面工程技术，离子注入技术具有以下一些其它常规表面处理技术难以达到的独特优点：
（1）它是一种纯净的无公害的表面处理技术；
（2）无需热激活，无需在高温环境下进行，因而不会改变工件的外形尺寸和表面光洁度；
（3）离子注入层由离子束与基体表面发生一系列物理和化学相互作用而形成的一个新表面层，它与基体之间不存在剥落问题；
（4）离子注入后无需再进行机械加工和热处理。
综述：1. 正突变菌体的高效性变
,物理诱变为一体的综合诱变方法.它能够引起染色体的畸变,导致DNA链碱基的损伤,断裂[ 2 ],从而使遗传物质在基因水平或分子水平上发生改变或缺失,大幅提高变异的频率.特别是在工业微生物育种方面,为筛选高效的正突变菌株提供了更广阔的空间.龚加顺等[ 6 ]在研究单宁酸酶生产菌(黑曲霉Aspergillusniger9701)诱变过程中,发现N+注入黑曲霉可获得较UV诱变更高的正突变率和更大的变异幅度.UV诱变的菌株负突变率高,子代孢子生长缓慢,发酵单位普遍低于N+注入诱变结果.这充分验证了,离子注入诱变谱广,变异幅度大的特点.而离子注入VC二步发酵混合菌育种,选育出了高产菌株,已经进入工业化生
产[ 2 ].也充分说明了离子注入能克服传统诱变方法正突变率低的特点,减弱菌种多次诱变产生的饱和性,抗性,提高工业微生物的发酵水平.许安等[ 2 ,7 ]采取分别诱变和筛选VC混合发酵体系,进行优-优组合,获得高产菌系,糖酸转化率较出发菌株提高15 %～20 % ,4代传种平均转化率达95 %.摇瓶培养具有产酸能力高,发酵周期短的特点.虞龙等[ 8 ]利用低能离子注入VC生产菌株,筛选到四株高产菌株,将出发菌株80 %的糖酸转化率提高到94136 %.证明了离子注入诱变育种的高效性,表明了离子注入具有质量沉积和能量沉积的双重效应,二者正是正突变率高效性的理论基础.另外,离子注入能使利福霉素生产菌株提高18 %的效价,工业化的生产试验平均提高率为10 %[ 9 ];使花生四烯酸生产菌株小试发酵达415gPL ,比国外专利(96P920025)的2128gPL 高出近一倍[ 10 ],而白腐真菌F4经离子注入后选育的多酚氧化酶高产菌株POPD5 ,漆酶的活性提高16倍[ 11 ].近几年利用离子注入育种获得高产菌株,成果显著(表1),正突变率高,生产水平提高幅度大.可见,离子注入微生物育种,正突变率高效性明显,是工业微生物进一步获得优良菌株的有效育种途径.
2. 菌体细胞表面刻蚀性
离子注入生物体的动量传递,可以根据直观的表面现象进行观察,研究,注入的离子就像"手术刀"对细胞表面进行刻蚀,留下非常整齐的创面.动量传递的结果引起生物组织或细胞的表面溅射,造成细胞形态的变异.具体表现到植物细胞为细胞壁减薄,细胞膜损伤,甚至大剂量时细胞破裂,死亡[ 1 ,5 ].这实际上是注入的离子在进入细胞过程中,对细胞造成的物理损伤.最近的研究也表明,离子注入微生物细胞的动量转移,同样导致细胞表面的刻蚀;且菌体刻蚀程度及修复能力随注入剂量的不同而有差别.宋道军等[ 4 ]研究了N+和γ-射线对两种微生物膜损伤的比较,电镜扫描结果表明,离子束的溅射可以引起细胞表面形态的变化,随着剂量的增大细胞由表及里刻蚀损伤逐渐增大;刻蚀面积及深度逐渐增加.小剂量的刻蚀却看不到,归于细胞表面产生许多可修复的微孔或小洞,并深入细胞内部.这为离子束转移外源基因创造了条件,而离子束转导基因的成功也证明了这一点.γ-射线辐射却未见这种直观的刻蚀现象.龚加顺等[ 6 ]利用离子束辐照黑曲霉孢子进行诱变,也验证了离子注入后,离子剂量与孢子细胞表面刻蚀程度呈正相关增加.注入离子后的孢子有明显破壁现象,孢子上有明显的凹陷区.他们都认为离子先破细胞壁,膜,后到达细胞表面或内部,进行动量交换,影响胞内物质的运动,导致染色体结构的重排和其它的变化,从而产生了稳定的遗传变化.笔者认为,离子注入的刻蚀损伤菌体细胞表面,也是离子注入微生物育种正突变高效性的一个基础.细胞膜或壁的损伤,无论程度大小,对细胞壁,膜的通透性及结构都有影响;而壁,膜通透性的大小,结构组分的变化又是
微生物酶,特别是胞外酶等次级代谢物分泌相关的条件.当然,这方面的推测还需要进一步研究.另外,离子注入的刻蚀损伤也充分说明,离子注入法育种对注入的离子种类,剂量的选择非常重要.
总结：离子注入法诱变育种研究起步晚(始于1986),作用机理, 离子种类和诱变规律需要进一步论证.但无可置否,离子注入微生物育种具有更多的优点和发展潜力.当然,离子注入的种类需要拓宽应用的范围,而不能只局限于几种离子(H+,N+, Ar+).菌体细胞的前期处理,以菌膜法或干孢法为主进入真空的靶室诱变,此环境对孢子活性影响不大,但对细菌的菌体细胞活性就难以评价,何况无菌体保护剂,温度小于50℃,脉冲注入次数多少不一,注入时间长短因种而异.故很难保证菌体的高活性,所以注入方法需进一步探索.目的基因的定位转移是一种高效的育种方法,我们应该充分的借助离子注入,进行微
生物的DNA重组定位诱变育种,以期获得高附加值,高科技含量的发酵代谢产物. 离子注入育种技术作为一种新兴的交叉学科,显现了巨大的优势.离子注入集化学诱变和物理诱变于一身,突变率高, 操作简单.加之离子束介导转基因的可能性,使其在微生物育种中更具有目的性和针对性.随着研究程度的深入,研究范围的拓宽,相信离子注入法在微生物育种中挥巨大的作用
参考文献：。