即采用遗传育种的方法，使野生型菌株(从自然界分离筛选而得的出发菌株)的遗传因子DNA发生突变、重组，从而从中选出产量高、成品质量好或具有新的培养特性如耐产物抑制、能利用廉价原料以及具有生产新品种能力的优良菌种。
采用的方法有诱变育种、杂交育种、细胞融合技术和重组DNA技术。
诱变育种是利用诱变因子如紫外线、钴－60、乙烯亚胺类等物理或化学诱变剂处理生产菌株的单孢子悬浮液，以获得诱发突变株。随后进行突变株的筛选，从中筛选高产菌株。由于随机的突变群体中，有益突变所占比例很低，要获得高产突变株必须进行大量筛选。近年来，随着发酵代谢控制研究的发展,可根据生物合成途径中的反应点,并通过它们的改变以提高产率或其他特性，如选育抗产物反馈抑制的突变株、增加细胞透性的突变株及营养缺陷型的突变株等。这种“理性筛选法”广泛应用于氨基酸产生菌的选育。