ARTP（Atmospheric and Room Temperature Plasma）是一种由射频电源驱动、采用水冷裸露金属电极的新型等离子体发生系统。目前广泛用于工业微生物的诱变育种（如细菌、真菌和微藻）。大气压室温等离子体（ARTP）诱发的微生物基因损伤模式与传统理化诱变存在显著差异：其主要通过氦气放电产生25–40°C的等离子体射流，等离子体射流区形成的化学活性物质（如氦原子谱线、氧原子谱线、氮分子谱线、羟基分子带等）导致细胞壁和细胞膜的通透性发生改变，进而诱导DNA/RNA突变并影响胞内蛋白质活性。
ARTP，一种高效的菌株诱变方法
创建时间：2025-12-10
ARTP，一种高效的菌株诱变方法
什么是ARTP诱变？
图1. 第三代ARTP育种系统的前视图（Zhang X，et al）
ARTP诱变的优点
与传统诱变育种方法（Box1）相比，ARTP技术采用非侵入性方式对菌株进行诱变，不需要基因改造及使用化学诱变剂，安全系数高。此外，ARTP能诱导更强的DNA损伤，获得更高的突变率，得到的突变菌株遗传稳定性也更高。
ARTP 技术在微生物育种领域具有重大意义。通过 ARTP 技术，我们可以创建具有特定遗传特性和改良性能的突变株，从而提高产量、改善品质并满足市场需求。
图2. 第三代ARTP育种系统的操作舱（Zhang X，et al）
Box1 传统诱变育种的方法
传统的诱变育种方法主要有物理诱变和化学诱变。
物理诱变
物理诱变是指用物理学的方法处理微生物、细胞，诱导遗传物质（DNA/RNA）发生损伤或变异，进而获得新的遗传多样性的技术。
传统的物理诱变方法包括紫外线、高能辐射（如伽马射线、X射线、紫外线、中子、离子束、β粒子、α粒子及等离子体）等。
化学诱变
化学诱变则是利用多种化学物质诱导基因改变的技术。
常见的化学诱变剂包括烷化剂、天然碱类似物、氯化锂、亚硝基化合物、叠氮化物、碱类似物、抗生素、羟胺及吖啶。
ARTP诱变的操作流程
ARTP诱变实验主要包括以下4个步骤：
- 收集生长至对数生长期的菌液或孢子悬液
- 将菌液或孢子悬液稀释至适合ARTP诱变的浓度，需多次实验探索最佳稀释倍数
- 将适当浓度的菌液或孢子悬液滴加至诱变育种装置的金属载片上，依据前一步确定的最佳处理时间进行诱变处理（Box2）
- 需对经ARTP诱变的菌液或孢子悬液进行稀释或涂布，并依据不同实验需求开展筛选工作
- 注：完成目标突变株的随机诱变与筛选后，需要及时检查诱变菌株的稳定性。
图3. 第三代ARTP育种系统操作界面（Zhang X，et al）
Box2 诱变效率决定的因素
不同菌株的诱变参数存在显著差异，其中4个参数影响了ARTP诱变的实验效果（射频功率、气体流速、作用距离、诱变时间）
射频功率
建议射频功率为100 -120 W。
增加射频功率可以提高活性物质浓度，但也会导致温度上升，甚至可能超过目标菌株的耐受温度。
气体流速
建议气体流速≥10 SLPM（标准L/min）。
流速过低，等离子体射流会不稳定或受周围空气影响；流速过高可能导致等离子体射流中的活性物质逸出诱变区域，这两种情况都会降低活性物质浓度。
作用距离
建议作用距离为2 mm。
距离越远，周围空气的反向扩散效应越显著，可能降低诱变效率。
诱变时间
在确定作用距离、射频功率和气体流速后，选择使菌株致死率达到90%的诱变时间作为最佳诱变时间，通常能获得最高的正突变率。
ARTP诱变案例
三孢布拉霉（Blakeslea trispora）生产番茄红素（图4）
4.1实验步骤
- 取20 µL孢子液置于无菌金属片上， 在超净工作台中晾干
- 用ARTP对干燥孢子进行等离子体诱变
- 用蒸馏水洗涤处理后的孢子并涂布在固体筛选平板上培养
- B. trispora (＋）与经过诱变的 B. trispora (-）菌株在固体平板上共培养
- 筛选出的突变株进行固体培养基上的交配测试，随后接入种子培养基，最终进行发酵培养基中的发酵验证
- 注：两种菌株交界处形成“交界区”，是评估番茄红素产量的关键区域（颜色越深通常产量越高）
4.2结果与结论
本研究采用基于氦气的ARTP 改变了三孢霉（－）亲本型菌株的某些生化特性。通过诱变分离出了产生更多番茄红素的阳性突变体。突变体A5的最大番茄红素浓度达到26.4±0.2mg/g干生物量，比亲本菌株高出近55%。
图4. 基于 ARTP 生物育种系统的突变筛选B. trispora示意图
蓝华贴士：
在上述ARTP诱变三孢布拉霉（Blakeslea trispora）生产番茄红素的案例当中，采用了传统“手工”的方法对突变菌株进行筛选，耗时耗力，通量较低。现阶段，随着自动化、智能化、数字化技术的发展，高通量菌株构建和筛选成为时代所趋，解放了双手的同时提高了实验效率。蓝华生物自主研发的从孔板到平行生物反应器的二级高通量菌种筛选平台具有小体积、高通量、全自动、多功能、数据驱动等优点。公司产品和技术方案已经在国内知名合成生物学企业和 985 高校应用落地超过两年，帮助客户提高实验通量两个数量级、缩短研发周期 70%，取得了良好的用户反馈和经济效益。
参考文献
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Zhu Z, Ding X, Rang J, Xia L. Application and research progress of ARTP mutagenesis in actinomycetes breeding. Gene. 2024 Dec 15;929:148837.
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Zhang X, Zhang XF, Li HP, Wang LY, Zhang C, Xing XH, Bao CY. Atmospheric and room temperature plasma (ARTP) as a new powerful mutagenesis tool. Appl Microbiol Biotechnol. 2014 Jun;98(12):5387-96.
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Qiang W, Ling-ran F, Luo W, Han-guang L, Lin W, Ya Z, Xiao-bin Y. Mutation breeding of lycopene-producing strain Blakeslea trispora by a novel atmospheric and room temperature plasma (ARTP).Appl Biochem Biotechnol. 2014 Sep;174(1): 452-60
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