微生物菌種退化與復壯的原因、檢測與復壯方法及預防措施！
小楊 / 2025-11-21 11:19:32
百歐博偉生物：在微生物發(fā)酵、科研及工業(yè)生產(chǎn)中，菌種的穩(wěn)定性直接決定產(chǎn)品質(zhì)量與效率。菌種退化是普遍存在的現(xiàn)象，而菌種復壯則是維持菌種優(yōu)良性狀的關鍵技術手段。以下從概念、原因、檢測、復壯方法及預防措施五個維度，系統(tǒng)解析菌種的退化與復壯。
一、核心概念：什么是菌種退化與復壯？
1、菌種退化（Strain Degeneration）
指微生物菌種在長期傳代、保藏或培養(yǎng)過程中，其原有優(yōu)良性狀逐漸減弱或消失，甚至出現(xiàn)有害性狀的現(xiàn)象。退化并非突然發(fā)生，而是一個漸進的、可累積的過程，初期可能僅表現(xiàn)為性狀波動，后期則會嚴重影響應用價值。常見退化表現(xiàn)：
生產(chǎn)性能下降：如抗生素產(chǎn)量降低、酒精發(fā)酵轉化率下降；
形態(tài)結構改變：如細菌芽孢率降低、真菌菌絲體畸形、菌落顏色/大小變異；
生理特性異常：如生長速度變慢、耐溫/耐酸能力減弱、營養(yǎng)需求改變。
2、菌種復壯（Strain Rejuvenation）
指通過人工干預手段，恢復或強化退化菌種原有優(yōu)良性狀，使菌種回到穩(wěn)定、高效狀態(tài)的技術過程。復壯的核心是“篩選優(yōu)良個體 + 排除退化細胞”，并非簡單“恢復”，有時還能通過篩選獲得比原始菌種更優(yōu)的突變株。
二、菌種退化的根本原因：遺傳變異與環(huán)境誘導
菌種退化的本質(zhì)是遺傳物質(zhì)的改變（基因突變、基因重組） 與環(huán)境因素的選擇壓力共同作用的結果，具體可分為兩大類：
（一）遺傳因素：退化的內(nèi)在根源
基因突變（最主要原因）微生物在繁殖過程中（尤其是無性繁殖，如細菌二分裂、真菌孢子繁殖），DNA 復制可能發(fā)生隨機錯誤，導致基因突變。
若突變發(fā)生在控制“優(yōu)良性狀”的關鍵基因，可能直接導致性狀減弱；
例如：產(chǎn)青霉素的青霉菌，若控制青霉素合成的關鍵酶基因發(fā)生突變，會導致青霉素產(chǎn)量顯著下降。
基因重組與質(zhì)粒丟失部分細菌的優(yōu)良性狀由質(zhì)粒（獨立于染色體的環(huán)狀 DNA）控制。長期傳代中，質(zhì)?？赡芤驈椭撇环€(wěn)定而丟失，導致性狀退化。
異核體或多核細胞的分離某些真菌（如
曲霉、
青霉）的菌絲體為多核細胞，或不同基因型的菌絲融合形成“異核體”。傳代時，若含優(yōu)良基因型的細胞核比例降低，或僅分離出劣性基因型的單核孢子，會導致群體性狀退化。
（二）環(huán)境因素：退化的外在誘因
環(huán)境因素不會直接導致基因突變，但會加速突變積累或篩選出退化菌株，具體包括：
培養(yǎng)條件不適：如溫度過高/過低（誘導 DNA 損傷）、營養(yǎng)缺乏（如氮源不足導致產(chǎn)蛋白菌株退化）、pH 波動（影響酶活性及基因表達）；
傳代次數(shù)過多：每次傳代都會增加基因突變概率，且“退化菌株可能因生長速度快而在群體中逐漸占據(jù)優(yōu)勢”；
保藏條件不當：如低溫保藏時冷凍保護劑失效、干燥保藏時水分回升，導致菌種代謝紊亂，加速性狀變異；
污染影響：若培養(yǎng)過程中混入雜菌，雜菌可能與目標菌種競爭營養(yǎng)，或分泌有害物質(zhì)抑制目標菌種，間接導致其性狀退化。
三、菌種退化的早期檢測：如何及時發(fā)現(xiàn)退化？
菌種退化初期癥狀不明顯，需通過定期、多維度檢測才能及時發(fā)現(xiàn)，避免造成生產(chǎn)損失。常用檢測方法如下：
檢測維度 檢測指標與方法
形態(tài)學檢測 觀察菌落形態(tài)（顏色、大小、邊緣、透明度）、細胞形態(tài)（是否畸形、芽孢率、孢子數(shù)量），與原始菌種對比；例：
枯草芽孢桿菌若芽孢率從 90% 降至 50%，可能已退化。
生理生化檢測 測定生長速度、營養(yǎng)利用能力、抗逆性（耐溫、耐鹽、pH 耐受范圍）；例：
釀酒酵母若發(fā)酵液中酒精濃度下降 5%，需警惕退化。
生產(chǎn)性能檢測 直接測定核心生產(chǎn)性狀：如抗生素產(chǎn)量、酶活、產(chǎn)物純度；這是判斷退化的“金標準”，需與原始菌種的生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比。
分子生物學檢測 通過 PCR 擴增關鍵基因、測序驗證基因序列是否突變，或用實時熒光定量 PCR（qPCR）檢測關鍵基因的表達量；可從分子水平早期發(fā)現(xiàn)遺傳變異，靈敏度最高。
四、菌種復壯的關鍵方法：從“篩選”到“優(yōu)化”
復壯需根據(jù)菌種類型（細菌、真菌、放線菌）及退化程度選擇合適方法，核心思路是“分離優(yōu)良單菌落 + 強化優(yōu)良性狀”，常見方法分為以下四類：
1、純種分離法：排除退化菌株，篩選優(yōu)良個體
這是最基礎、最常用的復壯方法，適用于“群體中仍存在少量優(yōu)良菌株”的情況。
步驟：
取退化菌種的培養(yǎng)物，用無菌水梯度稀釋；
將稀釋液涂布在固體培養(yǎng)基上，培養(yǎng)后挑取形態(tài)、大小與原始菌種一致的單菌落（排除形態(tài)變異的退化菌落）；
對挑取的單菌落進行“生產(chǎn)性能檢測”，篩選出性能最優(yōu)的菌株，作為復壯后的菌種。
適用場景：細菌（如
大腸桿菌）、酵母菌、放線菌的輕度退化。
2、誘發(fā)突變法：誘導基因突變，篩選超級菌株
若退化嚴重（優(yōu)良菌株極少），可通過人工誘導突變，增加“優(yōu)良突變株”的概率，再結合篩選獲得復壯菌種。
常用誘變劑：
物理誘變：紫外線（UV）、X 射線、γ 射線（誘導 DNA 鏈斷裂或堿基替換）；
化學誘變：亞硝酸（修飾堿基）、乙基甲磺酸（EMS，烷化劑，誘導點突變）；
生物誘變：噬菌體（介導基因轉移）、轉座子（插入基因導致突變）。
示例：產(chǎn)糖化酶的黑曲霉退化后，用紫外線誘變處理孢子，再篩選糖化酶活性比退化菌株高 30% 以上的突變株，實現(xiàn)復壯。
3、原生質(zhì)體融合法：結合優(yōu)良基因型
適用于“兩種近緣菌株分別保留不同優(yōu)良性狀”的情況，通過融合兩者的原生質(zhì)體（去除細胞壁的細胞），獲得兼具兩種優(yōu)良性狀的重組菌株。
步驟：
用溶菌酶（細菌）或纖維素酶（真菌）去除兩菌株的細胞壁，獲得原生質(zhì)體；
用 PEG（聚乙二醇）誘導原生質(zhì)體融合，培養(yǎng)后篩選融合子；
檢測融合子的生產(chǎn)性能，選擇最優(yōu)菌株作為復壯菌種。
優(yōu)勢：可突破物種界限，快速整合優(yōu)良性狀。
4、宿主體內(nèi)復壯法：利用宿主環(huán)境篩選毒力/活性菌株
主要適用于寄生性微生物（如病原細菌、真菌，或與宿主共生的微生物），其優(yōu)良性狀需在宿主體內(nèi)才能表達，體外培養(yǎng)易退化。
示例：
蘇云金桿菌體外傳代后毒力下降，可將其注射到敏感昆蟲體內(nèi)，存活下來的 Bt 菌株毒力會顯著恢復，再從昆蟲尸體中分離純化，實現(xiàn)復壯；
根瘤菌（與豆科植物共生固氮）退化后，可接種到豆科植物根部，篩選固氮能力強的根瘤菌菌株。
五、菌種退化的預防措施：比復壯更重要的“源頭控制”
復壯是“事后補救”，而預防退化才是維持菌種穩(wěn)定性的核心，可從以下 5 個環(huán)節(jié)入手：
減少傳代次數(shù)
生產(chǎn)中采用“一次傳代多批次使用”的策略，避免反復傳代；
建立“菌種三級保藏體系”：原始菌種（長期保藏，不用于生產(chǎn)）→ 一級種子（短期保藏，用于擴繁）→ 二級種子（生產(chǎn)用），嚴格控制各級種子的傳代次數(shù)（通常≤5 代）。
優(yōu)化保藏條件根據(jù)菌種特性選擇合適的保藏方法，降低代謝活性，減少基因突變：
長期保藏：液氮超低溫保藏（-196℃，適用于所有微生物）、冷凍干燥保藏（適用于細菌、酵母菌）；
短期保藏：4℃斜面保藏（不超過 1 個月）、-20℃甘油管保藏（不超過 6 個月）；
保藏時添加保護劑（如甘油、蔗糖），避免細胞損傷。
控制培養(yǎng)條件嚴格模擬菌種的“最適生長環(huán)境”：
固定培養(yǎng)基配方（如產(chǎn)酶菌種需添加特定誘導物，如淀粉誘導淀粉酶產(chǎn)生）；
穩(wěn)定培養(yǎng)參數(shù)（溫度、pH、溶氧量、通氣量），避免劇烈波動；
定期檢測培養(yǎng)基無菌性，防止雜菌污染。
定期純化與篩選即使未發(fā)現(xiàn)明顯退化，也需每 3~6 個月對菌種進行一次“純種分離 + 性能檢測”，及時淘汰潛在的退化菌株，保留優(yōu)良個體。
基因水平穩(wěn)定化對工業(yè)生產(chǎn)用菌種，可通過基因工程手段，從遺傳層面提高菌種的穩(wěn)定性。
六、總結
菌種的“退化 - 復壯”是微生物應用中的核心矛盾：退化的本質(zhì)是遺傳變異與環(huán)境選擇的共同結果，復壯的核心是篩選優(yōu)良個體與強化性狀，而預防則是避免退化的根本策略。在實際應用中，需結合菌種特性建立“檢測 - 復壯 - 預防”的完整體系，才能長期維持菌種的優(yōu)良性能，保障工業(yè)生產(chǎn)與科研的穩(wěn)定性。
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