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微生物由于长期暴露于外界影响,不可避免地会发生一定的遗传变异。正是这些变异的存在使得生物进化得以进行。然而,由于突变的存在,菌株在培养或保存过程中可能会出现优良生产特性的退化、遗传标记的丧失以及典型特征的改变,这种现象被称为菌株衰退。例如,由于菌株衰退,苏云金杆菌在新一代细菌体中可能会产生较小的孢子和寄生晶体;保存的沙门氏菌菌株失去鞭毛抗原导致H多价血清不凝集等。
株の減衰の根本的な原因は、関連する遺伝子の負の突然変異です。収量を制御する遺伝子が負の突然変異を受けると、収量の減少として現れます。胞子生産を制御する遺伝子が負の突然変異を受けると、胞子の生産能力が低下します。株のサブカルチャリングと増殖過程で自発的な突然変異が発生します。自発的な突然変異の確率は非常に低いです(一般的に10^-10から10^-6程度)、特定の遺伝子に対しては、突然変異の頻度はさらに低くなります。しかし、微生物の高い代謝能力と繁殖能力のため、世代数が増えるにつれて、減衰細胞の数は増加し続け、数量的に優位になり、最終的には減衰した株になります。
さらに、ストレスの減少にはいくつかの他の理由もあります。
- 表現型の遅れは、品種の減衰も引き起こすことがあります。例えば、突然変異育種の過程で、ある品種の収量が初期の選抜時には高いことがよくありますが、二次選抜時には収量が減少することがよくあります。
- プラスミドの喪失による菌株の衰退は、多くの抗生物質の合成がプラスミドによって制御されているため、抗生物質の生産においてより一般的です。細菌細胞が自発的な突然変異や外部条件(高温など)によって、収量を制御するプラスミドが脱落したり、核DNAとプラスミドの複製が一貫性を欠いたりすると、つまり、DNA複製速度がプラスミドを上回ると、数世代後には、収量に決定的な役割を果たすプラスミドを持たない細胞がいくつか存在しなくなります。このような細胞の数が増え続け、優勢になるにつれて、菌株は衰退の兆候を示します。
- 連続培養は、菌株の衰退を加速させる重要な要因です。一方で、連続培養が行われる回数が増えるほど、自発的な突然変異(特に負の突然変異)の可能性が高まります。また、連続培養が行われる回数が増えるほど、個体数の減少が速くなり、優勢な個体が増えるため、集団の表現型が低下します。
- 不利な栽培および保存条件は、株の衰退を加速させるもう一つの重要な要因です。栄養組成、温度、湿度、pH値、換気量などのような不適切な栽培条件や、栄養、水分含有量、温度、酸素などの保存条件は、衰退細胞の出現を誘発するだけでなく、衰退細胞の急速な増殖を促進し、通常の細胞の数を大幅に上回る量で衰退を引き起こします。