第七章微生物的遗传变异和育种2课件

第二节基因突变和诱变育种第二节基因突变和诱变育种1一、基因突变基因突变简称突变，是指细胞的遗传物质DNA在分子结构发生了改变，从而引起细胞表型发生可遗传的改变，可自发或诱导产生。狭义突变专指基因突变（点突变）：DNA分子上少数碱基对的缺失、插入或置换，结果仅影响少数基因的功能，有重要的生物学意义；广义的突变包括两种类型：

染色体畸变：大段核苷酸序列的缺失、重复、倒位，往往造成细胞死亡。

基因突变(点突变)突变的几率一般在10–6~10–9范围内。一、基因突变狭义突变专指基因突变（点突变）：DNA分子上少数2基因突变的表型效应—突变株相对于野生型菌株，基因突变使细胞不仅在遗传型上发生改变，同时在表型上也发生改变，产生突变型菌株；

野生型菌株：从自然环境中分离得到的菌株，以及它所具有的遗传型；

突变型菌株：相对于野生型菌株，由于基因突变而导致遗传型发生改变，所形成的具有新的表型的菌株；基因突变的表型效应—突变株相对于野生型菌株，基因突变使3★按是否比较容易、迅速地分离到发生突变的细胞来分：选择性突变株（selectivemutant）：具有选择标记（如营养缺陷性、抗性突变型、条件致死突变型），只要选择适当的环境条件，如培养基、温度、pH值等，就比较容易检出和分离到。非选择性突变株（non-selectivemutant）：无选择标记（如产量突变型、抗原突变型、形态突变型），能鉴别这种突变体的惟一方法是检查大量菌落并找出差异。（一）基因突变的类型★按是否比较容易、迅速地分离到发生突变的细胞来分：（一）基因41、营养缺陷型（auxotroph）由于基因突变，使某种酶失去了正常的功能，导致该酶催化的生化反应不能进行，影响了某种代谢物的合成；细胞需从外界摄取这种代谢物才能正常生长；营养缺陷型是野生型菌株的变异株，营养缺陷型不能象野生型一样在基本培养基上生长，需要补加生长因子才能正常生长；表型判断的标准：在基本培养基上能否生长特点：在选择培养基（一般为基本培养基）上不生长负选择标记突变株不能通过选择平板直接获得1、营养缺陷型（auxotroph）由于基因突变，使某种酶失5营养缺陷型的表示方法：基因型：所需营养物的前三个英文小写斜体字母表示：hisC、trpA（其中的大写字母C和A表示同一表型中不同基因的突变）表型：同上，但第一个字母大写，且不用斜体：HisC在具体使用时多用hisC-和hisC+，分别表示缺陷型和野生型。营养缺陷型是微生物遗传学研究中重要的选择标记和育种的重要手段营养缺陷型的表示方法：基因型：所需营养物的前三个英文小写斜体62、抗药性突变型（resistantmutant）由于基因突变，导致细胞结构或代谢途径发生改变，对某种药物或抗生素产生抗性或不敏感；它们可在加有相应药物或用相应物理因子处理的培养基平板上选出。正选择标记（突变株可直接从抗性平板上获得-----在加有相应抗生素的平板上，只有抗性突变能生长。所以很容易分离得到。）所抗药物的前三个小写斜体英文字母加上“r”表示strr和strs

分别表示对链霉素的抗性和敏感性2、抗药性突变型（resistantmutant）由于基因7

3、条件致死突变型（conditionallethalmutant）某菌株或病毒经基因突变后，在某种条件下可正常地生长、繁殖并实现其表型，而在另一种条件下却无法生长、繁殖的突变类型，称为条件致死突变型。常见的条件致死突变型是温度敏感突变型，用Ts（temperaturesensitive）表示；如：E.coli的某些野生型在37℃时能够正常生长，在42℃时死亡；但可以在低温下正常生长；原因是突变使某些重要的蛋白质的结构和功能发生改变，在某特定温度下具有功能，在另一温度（一般为较高温度）下没有功能。负选择标记3、条件致死突变型（conditional84、形态突变型（morphologicalmutant）因基因突变产生相对于野生型的细胞形态改变；突变株和野生型菌株均可生长，但可从形态特征上进行区分。如可影响孢子有无、孢子颜色、鞭毛有无等以及菌落表面光滑、粗糙、噬菌斑的大小或清晰度等的突变。细胞水平上的形态突变，突变株的检出更加困难。4、形态突变型（morphologicalmutant）因95、抗原突变型（antigenicmutant)由于基因突变而引起的细胞抗原结构的变化。如细胞壁缺陷型（L型细菌等）、荚膜变异或鞭毛变异等。5、抗原突变型（antigenicmutant)由于基因突106、产量突变型由于基因突变细胞积累某种代谢产物的能力发生变化，可分为“正变株”和“负变株”。正变株是基因突变后获得的有用代谢产物高于原始菌株的突变株，又称高产突变株。反之称负变株。这在实际应用中具有重要意义；6、产量突变型由于基因突变细胞积累某种代谢产物的能力发生变化11定义：某一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率。突变率为10–8是指该细胞在一亿次细胞分裂中，会发生一次突变。突变率也可以用每一单位群体在每一世代中产生突变株（mutant，即突变型）的数目来表示。如一个含108个细胞的群体，当其分裂为2×108个细胞时，即可平均发生一次突变的突变率也是10–8。突变是独立的。某一基因发生突变不会影响其它基因的突变率。在同一个细胞中同时发生两个基因突变的几率是极低的，因为双重突变型的几率只是各个突变几率的乘积。由于突变的几率一般都极低，因此，必须采用检出选择性突变株的手段，尤其是采用检出营养缺陷型的回复突变株（backmutant或reversemutant）或抗性突变株特别是抗药性突变株的方法来加以确定。（二）突变率定义：某一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率。（二）突变12若干细菌某一性状的自发突变率菌名 突变性状 突变率E.coli 抗T1噬菌体 3×10–8E.coli 抗T3噬菌体 1×10–7

E.coli 不发酵乳糖 1×10–10E.coli 抗紫外线 1×10–5Staphylococcusaureus 抗青霉素 1×10–7S.aureus 抗链霉素 1×10–9

Salmonellatyphi 抗25g/L链霉素 1×10–6

Bacillusmegaterium 抗异烟肼 5×10–5

若干细菌某一性状的自发突变率菌名 突变性状 突变13（三）突变的特点适用于整个生物界，以细菌的抗药性为例。自发性：突变可以在没有人为诱变因素处理下自发地产生。不对应性：突变的性状与突变原因之间无直接的对应关系。稀有性：突变率低且稳定。微生物的自发突变率为10-6～10-9独立性：各种突变独立发生，不会互相影响。可诱发性：诱变剂可提高突变率（10~105倍）。稳定性：变异性状稳定可遗传。可逆性：从原始的野生型基因到变异株的突变称为正向突 变（forwardmutation），从突变株回到野生型的 过程则称为回复突变或回变（backmutation或 reversemutation）。（三）突变的特点适用于整个生物界，以细菌的抗药性为例。14（四）基因突变的自发性和不对应性的证明在各种基因突变中，抗性突变最为常见。但在过去相当长时间内对这种抗性产生的原因争论十分激烈。一种观点认为，突变是通过适应而发生的，即各种抗性是由其环境（指其中所含的抵抗对象）诱发出来的，突变的原因和突变的性状间是相对应的，并认为这就是“定向变异”，也有人称它为“驯化”或“驯养”。另一种看法则认为，基因突变是自发的，且与环境是不相对的。由于其中有自发突变、诱发突变、诱变剂与选择条件等多种因素错综在一起，所以难以探究问题的实质。从1943年起，经过几个严密而巧妙的实验设计，主要攻克了检出在接触抗性因子前已产生的自发突变株的难题，终于解决了这场纷争。（四）基因突变的自发性和不对应性的证明在各种基因突变中，抗性15变量试验又称波动试验或彷徨试验。1943年，S.E.Luria和M.Delbrück根据统计学原理设计。1.Luria等的变量试验fluctuationtestSalvadorLuriaMaxDelbruck变量试验又称波动试验或彷徨试验。1.Luria等的变量试验16说明抗噬菌体突变体是在接触噬菌体前在一次细胞分裂过程中随机自发产生的。这一自发突变发生得越早，则抗噬菌体菌落出现得越多，反之越少。抗噬菌体突变体的出现与是否接触噬菌体无关。说明抗噬菌体突变体是在接触噬菌体前在一次细胞分裂过程中随机自172.Newcombe的涂布试验（1949）原理与变量试验相同，方法更为简便，且可计算突变率。2.Newcombe的涂布试验（1949）原理与变量试验相同18涂布试验中突变率的计算初始接种量：5×104个/皿培养5小时，繁殖了12.3代，每个微菌落约含5100个细菌这时，每个平皿上的细胞数为：5100×5×104≈2.6×108个/皿在6个平板上，比接种时增加的细胞数为： 6×（2.6×108

5×104）=15.6×108在未涂布的平板上共发现28个突变，故突变率=28/15.6×108=1.8×108涂布试验中突变率的计算初始接种量：5×104个/皿193.Lederberg等的平板影印培养试验（replicaplating）1952年，J.Lederberg夫妇的论文《平板影印培养法和细菌突变株的间接选择》，更好地证明了微生物的抗药性是在未接触药物前自发地产生的，这一突变与相应药物环境毫不相干。JoshuaLederberg平板影印培养法，是一种能达到在一系列培养皿的相同位置上出现相同遗传型菌落的接种培养方法。把长有许多菌落的母种培养皿倒置于包有灭菌丝绒布的木质圆柱上，使其上沾满来自培养皿平板上的菌落，然后可把这一“印章“上的菌落一一接种到不同的选择性培养基平板上，待这些平板培养后，对平板相同位置上的菌落对比后，就可选出适当的突变型菌株。3.Lederberg等的平板影印培养试验（replica20第七章微生物的遗传变异和育种2课件21说明在根本未接触过任何一点链霉素的条件下，就可筛选到大量抗链霉素的突变株。影印平板培养法在遗传学基础理论研究、育种实践和其他研究中发挥重要作用。说明在根本未接触过任何一点链霉素的条件下，就可筛选到22（五）基因突变及其机制基因突变的原因是多种多样的，可以是自发的或诱发的自发突变：由细胞内部环境因素，或DNA自身结构特点而引起的偶然突变；一般发生频率为10-6～10-9；诱发突变：物理、化学或生物因素作用于DNA，直接改变DNA的结构，或增加DNA分子结构的不稳定，或增加DNA复制时发生错误的几率而产生的基因突变；（五）基因突变及其机制基因突变的原因是多种多样的，可以是自发23具体类型可归纳如下：具体类型可归纳如下：241.诱变机制定义：简称诱变，是指通过人为地方法，利用物理、化学或生物因素显著提高基因自发突变的频率。诱变剂（mutagen）：凡能提高突变率的任何理化因子，就称为诱变剂。种类：诱变剂的种类很多，作用方式多样。即使是同一种诱变剂，也常有几种作用方式。按照遗传物质结构变化的特点讨论几种有代表性的诱变剂的作用机制。1.诱变机制定义：简称诱变，是指通过人为地方法，利用物理、25（1）碱基置换（substitution）定义：对DNA来说，碱基的置换属于一种染色体的微小损伤（microlesion），一般也称点突变（pointmutation）。它只涉及一对碱基被另一对碱基所置换。分类：转换（transition），即DNA链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所置换；

颠换（transversion），即一个嘌呤被一个嘧啶,或是一个嘧啶被一个嘌呤所置换。（1）碱基置换（substitution）定义：对DNA来说26碱基的置换引起的突变错义突变；某个碱基的置换改变了三联体密码子的含义；无义突变：某个碱基的置换产生终止密码子UAA、UAG或UGA；同义突变：某个碱基的置换没有改变三联体密码子的含义；碱基的置换引起的突变错义突变；某个碱基的置换改变了三联体密码27对某一具体诱变剂来说，即可同时引起转换与颠换，也可只具其中的一种功能。根据化学诱变剂是直接还是间接地引起置换，可把置换的机制分成以下两类来讨论。★直接引起置换的诱变剂定义：一类可直接与核酸的碱基发生化学反应的诱变剂，不论在机体内或是在离体条件下均有作用。种类：很多。例如亚硝酸、羟胺和各种烷化剂（硫酸二乙酯，甲基磺酸乙酯，N-甲基-N’硝基-N-亚硝基胍，N-甲基-N-亚硝基脲，乙烯亚胺，环氧乙酸，氮芥等）。作用：它们可与一个或几个核苷酸发生化学反应，从而引起DNA复制时碱基配对的转换，并进一步使微生物发生变异。羟胺只引起G┇C→A:T，其余都是可使G┇C=A:T发生互变的。能引起颠换的诱变剂很少，只是部分烷化剂才有（参见下表）。对某一具体诱变剂来说，即可同时引起转换与颠换，也可只具其中的28若干诱变剂的作用机制及诱变功能若干诱变剂的作用机制及诱变功能29亚硝酸可以使碱基发生氧化脱氨作用。

HNO2胞嘧啶（C）尿嘧啶（U）HNO2腺嘌呤（A）次黄嘌呤（H）HNO2鸟嘌呤（G）黄嘌呤（X）这些反应及形成物均可在DNA复制中产生影响，主要是使碱基对发生转换。碱基转换的分子机制——以亚硝酸为例亚硝酸可以使碱基发生氧化脱氨作用。碱基转换的分子机制——以亚30腺嘌呤（A）变成次黄嘌呤（H）后引起的转换过程：①腺嘌呤氧化脱氨后形成烯醇式次黄嘌呤（He）②He通过互变异构效应形成酮式次黄嘌呤（HK）③DNA复制时，HK与胞嘧啶（C）配对④DNA第二次复制时，C与G正常配对，实现了转换。腺嘌呤（A）变成次黄嘌呤（H）后引起的转换过程：①腺嘌31这类诱变剂主要是一些碱基类似物,如：5-溴尿嘧啶(5-BU)和5-氨基尿嘧啶（5—AU）、叠氮胸腺嘧啶（AIT）等等；作用方式：通过活细胞的代谢活动参入到DNA分子中，主要是在DNA复制时碱基类似物插入DNA中，引起碱基对配对错误，造成碱基置换。以5-溴尿嘧啶(5-BU)为例：5-BU是胸腺嘧啶（T）的的类似物，酮式的5-BU可以和A配对，烯醇式的5-BU可以和G配对，在DNA分子复制的过程中，由于5-BU的插入和互变异构导致碱基置换。★间接引起置换的诱变剂这类诱变剂主要是一些碱基类似物,如：5-溴尿嘧啶(5-BU325-BU引起的转换从上图中，还可以看到5-BU的掺入引起的G┇C回复到A׃T的过程。通过这两个图示，就很容易理解为什么同一种诱变剂既可造成正向突变，又可使它产生回复突变的原因了。也可以知道，为什么像5-BU这类代谢类似物只有对正在进行新陈代谢和繁殖着的微生物才起作用，而对休止细胞、游离的噬菌体粒子或离体的DNA分子却不起作用。5-BU引起的转换从上图中，还可以看到5-BU的掺入引起的G33（2）移码突变frame-shiftmutation或phase-shiftmutation，指诱变剂使DNA分子中增加（插入）或缺失一个或少数几个核苷酸，从而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和转译错误的一类突变。由移码突变所产生的突变株，称为移码突变株（frame-shiftmutant）。与染色体畸变相比，移码突变也只能算是DNA分子的微小损伤,也是一种点突变，结果只涉及有关基因中突变点后面的遗传密码阅读框发生错误，并不影响突变点后其他基因的正常阅读。丫啶类染料，包括原黄素、丫啶黄、丫啶橙和α-氨基丫啶等，以及一系列称为ICR类的化合物，都是移码突变的有效诱变剂。（2）移码突变frame-shiftmutation或34第七章微生物的遗传变异和育种2课件35能诱发移码突变的几种代表性化合物丫啶类化合物的诱变机制：至今还不很清楚。有人认为，由于它们是一种平面型三环分子，结构与一个嘌呤–嘧啶对十分相似，故能嵌入两个相邻DNA碱基对之间，造成双螺旋的部分解开（两个碱基对原来相距0.34nm，当嵌入一个丫啶分子时，就变成0.68nm），从而在DNA复制过程中，会使链上增添或缺失一个碱基，结果就引起了移码突变。能诱发移码突变的几种代表性化合物丫啶类化合物的诱变机制：至今36（3）染色体畸变（chromosomalaberration）某些强烈理化因子，如X射线等的辐射及烷化剂、亚硝酸等，除了能引起点突变外，还会引起DNA的大损伤（macrolesion）——染色体畸变，它包括：★染色体结构上的变化：缺失（deletion）重复（duplication）易位（translocation）倒位（inversion）★染色体数目的变化（3）染色体畸变（chromosomalaberratio37★染色体结构上的变化分为染色体内畸变和染色体间畸变两类。染色体内畸变：只涉及一条染色体上的变化，如发生染色体的部分缺失或重复时，其结果可造成基因的减少或增加；如发生倒位或易位时，则可造成基因排列顺序的改变，但数目却不改变。倒位--------是指断裂下来的一段染色体旋转180后，重新插入到原来染色体的原位置上，从而使其基因顺序与其它的基因顺序相反；易位--------是指断裂下来的一小段染色体再顺向或逆向地插入到同一条染色体的其它部位上。染色体间畸变：指非同源染色体间的易位。★染色体结构上的变化分为染色体内畸变和染色体间畸变两类。38染色体畸变染色体畸变在高等真核生物中一般很容易观察，但在微生物中，尤其在原核生物中，还是近年来才证实的。许多理化诱变剂的诱变作用都不是单一功能的。染色体畸变染色体畸变在高等真核生物中一般很容易观察，但在微生39转座因子（transposibleelement）由40年代B.McClintock对玉米粒色素斑点变异的遗传研究而发现染色体易位，自1967年以来，已在微生物和其它生物中得到普遍证实，并已成为分子遗传学研究中的一个热点。旧概念：基因是固定在染色体DNA上的一些不可移动的核苷酸片段。新发现：有些DNA片段不但可在染色体上移动，还可从一个染色体跳到另一个染色体，从一个质粒跳到另一个质粒或染色体，甚至还从一个细胞转移到另一个细胞。在这些DNA顺序的跳跃过程中，往往导致DNA链的断裂或重接，从而产生重组交换或使某些基因启动或关闭，结果导致突变的发生。转座因子（transposibleelement）：在染色体组中或染色体组间能改变自身位置的一段DNA顺序。也称作跳跃基因（jumpinggene）或可移动基因（movablegene）。转座因子（transposibleelement）由40年40转座因子的种类（1）插入序列（IS，insertionsequence）：特点是分子量最小（仅0.7~1.4kb），只能引起转座（transposition）效应而不含其它基因。可以在染色体、F因子等质粒上发现它们。已知的IS有5种，即IS1、IS2、IS3、IS4和IS5。E.coli的F因子和核染色体组上有一些相同的IS（如IS2，IS3等），通过这些同源序列间的重组，就可使F因子插入到E.coli的核染色体组上，从而使后者成为Hfr菌株。因IS在染色体组上插入的位置和方向的不同，其引起的突变效应也不同。IS引起的突变可以回复，其原因可能是IS被切离，如果因切离部位有误而带走IS以外的一部分DNA序列，就会在插入部位造成缺失，从而发生新的突变。转座因子的种类（1）插入序列（IS，insertionse41转座因子的种类（2）转座子（Tn，transposon，又称转位子，易位子）：IS和Mu噬菌体相比，Tn的分子量是居中的（一般为2~25kb）。它含有几个至十几个基因，其中除了与转座作用有关的基因外，还含有抗药基因或乳糖发酵基因等其它基因。Tn虽能插到受体DNA分子的许多位点上，但这些位点似乎也不完全是随机的，其中某些区域更易插入。转座因子的种类（2）转座子（Tn，transposon，又称42转座因子的种类（3）Mu噬菌体（即mutatorphage，诱变噬菌体）：它是E.coli的一种温和噬菌体。与必须整合到宿主染色体特定位置上的一般温和噬菌体不同，Mu噬菌体并没有一定的整合位置。与以上的IS和Tn两种转座因子相比，Mu噬菌体的分子量最大（37kb），它含有20多个基因。Mu噬菌体引起的转座可以引起插入突变，其中约有2%是营养缺陷型突变。转座因子的种类（3）Mu噬菌体（即mutatorphag432.自发突变机制自发突变是指在没有人工参与下生物体自然发生的突变。几种自发突变的可能机制★微生物自身有害代谢产物的诱变效应：过氧化氢是普遍存在于微生物体内的一种代谢产物。它对Neurospora（脉孢菌）有诱变作用，这种作用可因同时加入过氧化氢酶而降低，如果在加入该酶的同时又加入酶抑制剂KCN，则又可提高突变率。这就说明，过氧化氢很可能是“自发突变”中一种内源性诱变剂。在许多微生物的陈旧培养物中易出现自发突变株，可能也是同样的原因。★背景辐射和环境因素的影响：由于一些原因不详的低剂量诱变因素的长期总和诱变效应。如各种短波辐射或高温诱变效应，以及自然界中普遍存在的一些低浓度的诱变物质（在微环境中有时也可能是高浓度）的作用等。2.自发突变机制自发突变是指在没有人工参与下生物体自然发生的44★互变异构效应：碱基T、G的第六位上是酮基，会以酮式或烯醇式两种互变异构的状态出现C、A的第六位上是氨基，会以氨基式或亚氨基式两种互变异构的状态出现平衡一般趋向于酮式或氨基式，在DNA双链结构中一般总是以A︰T和G┇C碱基配对的形式出现在偶然情况下，在DNA复制到达这一位置的瞬间，在T以稀有的烯醇式出现时，其相对位置上就出现G同样，如果C以稀有的亚氨基形式出现在DNA复制到达这一位置的瞬间，则在新合成DNA单链中与C相对应的位置上就将是A。这可能就是发生相应的自发突变的原因。要预言在某一时间、某一基因发生自发突变是不可能的。在运用数学方法对这些偶然事件做大量统计分析后，可以发现并掌握其中的规律。例如，据统计，碱基对发生自发突变的几率约为10–8~10–9。★互变异构效应：碱基T、G的第六位上是酮基，会以酮式或烯醇式45★环出效应：即环状突出效应。有人提出，在DNA的复制过程中，如果其中某一单链上偶然产生一个小环，则会因其上的基因越过复制而发生遗传缺失，从而造成自发突变。下图就是环出效应的设想机制。在上链中，标记B处发生“环出”，故只有A及C能获得复制，从而发生自发突变。而在下链中，复制仍正常进行★环出效应：即环状突出效应。有人提出，在DNA的复制过程中，46（六）紫外线对DNA的损伤及其修复已知的DNA损伤类型很多，机体对其修复的方式也各异。发现较早和研究得较深入的是紫外线（U.V.，ultravioletray）的作用。嘧啶对紫外线的敏感性要比嘌呤强得多。嘧啶的光化产物主要是二聚体和水合物。其中了解较清楚的是胸腺嘧啶二聚体的形成和消除。紫外线的主要作用是使同链DNA的相邻嘧啶间形成共价结合的胸腺嘧啶二聚体。二聚体的出现会减弱双链间氢键的作用，并引起双链结构扭曲变形，阻碍碱基间的正常配对，从而有可能引起突变或死亡。在互补双链间形成嘧啶二聚体的机会较少。但一旦形成，就会妨碍双链的解开，因而影响DNA的复制和转录，并使细胞死亡。（六）紫外线对DNA的损伤及其修复已知的DNA损伤类型很多，47第七章微生物的遗传变异和育种2课件48光复活作用（photoreactivation）定义：经紫外线照射后的微生物立即暴露于可见光下时，可明显降低其死亡率的现象，称为光复活作用。这一现象最早是A.Kelner（1949）在Strepotomycesgriseus（灰色链霉菌）中发现的。后来，在许多微生物中都得到了证实。最明显的是在E.coli的实验中：对照：8×106个/mlE.coli

U.V. 100个/mlE.coli试验：8×106个/mlE.coli

U.V.360~490nm2×106个/mlE.coli

可见光，30分经紫外线照射后形成的带有胸腺嘧啶二聚体的DNA分子，在黑暗下会被一种光激活酶（photoreactivatingenzyme）即光裂合酶（photolyase）结合，当形成的复合物暴露在可见光（300~500nm）下时，此酶会因获得光能而发生解离，从而使二聚体重新分解成单体。与此同时，光激活酶也从复合物中释放出来，以便重新执行功能。每一E.coli细胞中约含有25个光激活酶分子。由于一般的微生物中都存在着光复活作用，所以进行紫外线诱变育种时，只能在红光下照射及处理照射后的菌液。光复活作用（photoreactivation）定义：经紫外49图:光复活作用图:光复活作用501、由核酸内切酶切开二聚体的5’末端，形成3’-OH和5’-P的单链缺口2、核酸外切酶从5’-P到3’-OH方向切除二聚体，并扩大缺口。3、DNA聚合酶以另一条互补链为模板，从原有链上暴露的3’-OH端起合成缺失片段。4、连接酶将新合成的3’-OH与原有的5’-P相连接。又称切除修复（excisionrepair）。是活细胞内一种用于修复被紫外线等诱变剂（包括烷化剂、X射线和γ射线等）损伤后的DNA的机制。这种修复作用与光无关。暗修复作用（darkrepair）1、由核酸内切酶切开二聚体的5’末端，形成3’-OH和5’-51设备：紫外灯、磁力搅拌器、暗室等紫外灯：波长为253.7nm,功率是15W处理时的照射距离：20cm~30cm样品：要直接暴露在紫外灯下，厚度不能超过3mm照射时，要用磁力搅拌器搅拌。处理剂量：常用照射时间或死亡率作为相对剂量。紫外诱变方法设备：紫外灯、磁力搅拌器、暗室等紫外诱变方法52由于微生物接受的照射剂量与灯的功率、照射距离、照射时间、菌液浓度、菌液厚度、细胞本身特性等因素有关，所以单纯用时间表示照射剂量并不完全可靠。一定的死亡率必定对应一定的照射剂量，所以，在实际应用中，用死亡率表示照射剂量更可靠。通常先绘制照射时间与死亡率的关系曲线，然后选择合适的剂量。生产上经常采用的剂量：死亡率为70%~80%左右。由于微生物接受的照射剂量与灯的功率、照射距离53二、突变与育种（一）自发突变与育种生产过程中，微生物会以一定频率发生自发突变。富于实际经验的人们就可以及时抓住这类良机来选育优良的生产菌种。育种工作者都希望自己能在最短的时间内培育出比较理想的变异株，因此，定向培育是微生物工作者长期来的一种理想。定向培育一般指用某一特定因素长期处理某微生物的群体，以达到累积并选择相应的自发突变株的目的。这是一种古老的育种方法，与诱变育种、杂交育种尤其是与基因工程等现代育种技术相比，定向培育带有守株待兔式的被动状态。二、突变与育种（一）自发突变与育种生产过程中，微生物会以一定54（二）诱变育种诱变育种：是用物理或化学的诱变剂使诱变对象内的遗传物质（DNA）的分子结构发生改变，引起性状变异并通过筛选获得符合要求的变异菌株的一种育种方法。

诱变育种具有极其重要的实践意义。当前发酵工业和其他微生物生产部门所使用的高产菌株，几乎毫无例外地都是通过诱变育种而明显提高其生产性能的。（二）诱变育种诱变育种：是用物理或化学的诱变剂使诱变对象内的551、诱变育种的基本环节1、诱变育种的基本环节562、诱变育种的原则（1）使用简便有效的诱变剂诱变剂物理因素化学因素紫外线激光离子束X射线γ射线快中子烷化剂碱基类似物吖啶化合物2、诱变育种的原则诱变剂物理因素化学因素紫外线烷化剂57Ames试验：利用细菌模型了解潜在化学致癌物的诱变作用“生物化学统一性”法则：人和细菌在DNA的结构及特性方面是一致的，能使微生物发生突变的诱变剂必然也会作用于人的DNA，使其发生突变，最后造成癌变或其他不良的后果。诱变剂的共性原则：化学药剂对细菌的诱变率与其对动物的致癌性成正比超过95%的致癌物质对微生物有诱变作用90%以上的非致癌物质对微生物没有诱变作用

Ames试验：利用细菌模型了解潜在化学致癌物的诱变作用“生物58美国加利福尼亚大学的BruceAmes教授于1966年发明，因此称为Ames试验具体操作：检测鼠伤寒沙门氏菌(Salmonellatyphmurium)组氨酸营养缺陷型菌株(his-)的回复突变率回复突变：突变体失去的野生型性状，可以通过第二次突变得到恢复，这种第二次突变称为回复突变美国加利福尼亚大学的BruceAmes教授于1966年发明59第七章微生物的遗传变异和育种2课件60第七章微生物的遗传变异和育种2课件61目前，艾姆斯试验法已广泛用于检测食品、饮料、药物和饮用水等试样中的致癌物。它具有快速（仅3天左右）、准确（检测致癌物的符合率＞85%）和费用省等优点。证明Ames试验重要性的应用实例：“反应停”在选择理化因素作诱变剂事，在同样效果下，应选用最简便的因素，在同样简便的条件下，选择最高效的因素。在物理诱变剂中，尤以紫外线为最方便，而在化学诱变剂中，选用诱变效果最为显著的“超诱变剂”，如NTG。目前，艾姆斯试验法已广泛用于检测食品、饮料、药物62（2）挑选优良的出发菌株出发菌株———用来育种处理的起始菌株

出发菌株的来源；

①自然界直接分离到的野生型菌株：

②历经生产考验的菌株：

③已经历多次育种处理的菌株：（2）挑选优良的出发菌株出发菌株———用来育种处理的起始菌株63选用出发菌株的一般原则：①最好是经过生产中选育过的自发变异菌株；②采用具有有利于进一步研究或应用性状的菌株，如生长速度快、营养要求低以及产孢子早而多的菌株③选择已发生其他变异的菌株作为出发菌株；④在细菌中发现一类称为增变菌株的变异菌株，更适宜作出发菌株；⑤在选择产核苷酸或氨基酸的出发菌株时，最好考虑至少能累积少量所需产物或其他前体的菌株，而在选择产抗生素的出发菌株时，最好选择已通过几次诱变并发现每次的效价都有一定程度提高的菌株作为出发菌株。选用出发菌株的一般原则：64（3）处理单细胞或单孢子悬浮液要求：

①菌体处于对数生长期，并使细胞处于同步生长；

②细胞分散且为单细胞，以避免表型迟延现象（phenotypiclag）;

对单细胞微生物必须处理单细胞、均匀悬液的原因：分散状态的细胞可以均匀接触诱变剂，避免长出不纯菌落。产生不纯菌落的原因的原因：有的微生物细胞有多个核质体，故某一突变无法反映在当代的表型上。只有当经过DNA的复制和细胞分裂后，这一变异才会在表型上表达出来，于是出现了不纯菌落，这就叫表型延迟（phenotypiclag）（或由于诱变剂一般只作用于DNA双链中的某一条单链，也会出现表型延迟）。这也是诱变育种工作中初分离的菌株经传代后很快出现生产性状“衰退”的主要原因。（3）处理单细胞或单孢子悬浮液要求：

①菌体处于对65获得均匀分散的细胞悬液的方法：用无菌的玻璃珠打碎成团的细胞，然后再用脱脂棉过滤。诱变后出现的不纯菌落，则可用适当的分离纯化方法加以纯化。方法：三角瓶内加玻璃珠打散10-15min;加０.3%吐温80（表面活性剂）用无菌脱脂棉过滤。获得均匀分散的细胞悬液的方法：用无菌的玻璃珠打碎成团的细胞，66（4）选用最适的诱变剂量诱变剂剂量一般指强度与作用时间的乘积。各种诱变剂有不同的剂量表示方式，如化学诱变剂以一定温度下诱变剂的浓度和处理时间来表示。在育种实践中，常以杀菌率来作诱变剂的相对剂量。诱变剂的合适剂量：凡在提高诱变率的基础上，能扩大变异幅度，促使变异移向正变范围的剂量，就是合适的剂量。要确定一个合适的剂量，常常要经过多次试验，两条重要的实验曲线：剂量存活率曲线；剂量—诱变率曲线找到剂量-存活率-诱变率最佳结合点。（4）选用最适的诱变剂量诱变剂剂量一般指强度与作用时间的乘积67就一般微生物而言，在一定的剂量范围内，突变率往往随剂量的增高而提高，但正变较多出现在偏低的剂量中，而负变则较多出现在偏高的剂量中；还发现经多次诱变而提高产量的菌株中，更容易出现负变。因此，在诱变育种工作中，目前大家比较倾向于采用较低的剂量。如用UV作诱变剂中，常采用杀菌率为70~75%甚至30~70%的剂量。就一般微生物而言，在一定的剂量范围内，突变率往68（5）充分利用复合处理的协同效应诱变剂的复合处理常常呈现一定的协同效应，这对育种工作是很有参考价值的。复合处理有几类：①两种或多种诱变剂的先后使用；②同一种诱变剂的重复使用；③两种或多种诱变剂的同时使用。（5）充分利用复合处理的协同效应诱变剂的复合处理常常呈现一定69（6）利用和创造形态、生理与产量间的相关指标为了确切某一突变株产量性状的提高程度，必须进行大量的分析测定和统计工作，而一些形态变异虽能直接和迅速地加以观察，但又不一定与产量变异相关。如果能找到这两者间的相关性，则育种时初筛的效率就可大大提高。利用鉴别性培养基的原理或其它方法就可有效地把原来肉眼所观察不到的生理性状或产量性状转化为可见的“形态”性状。变色圈法、透明圈法、生长圈法、抑菌圈法、梯度平板法等都可用于初筛工作中估计某菌产生相应代谢产物能力的“形态”指标。（6）利用和创造形态、生理与产量间的相关指标70（7）设计高效筛选方案可见，设计和采用效率高的筛选方案和方法极其重要。（7）设计高效筛选方案可见，设计和采用效率高的筛选方案和方法71实际工作中，为了提高筛选效率，往往将筛选工作分为初筛和复筛两步进行。初筛的目的：删去明确不符合要求的大部分菌株，把生产性状类似的菌株尽量保留下来，使优良性状的菌株不至于漏网；——因此，初筛工作以量为主，测定的精确性还在其次；初筛手段应尽可能快速、简单。既可在培养皿平板上进行，也可在摇瓶中进行，两者各有利弊。复筛的目的：确认符合要求的菌株；——复筛以质为主，应精确测定每个菌株的生产指标。一般是将微生物摇瓶培养，然后再对培养液进行分析测定。不仅需要设计效率更高的筛选方法，还应努力推广筛选操作的自动化和电子计算机化。

实际工作中，为了提高筛选效率，往往将筛选工作72第一轮：一个出发菌株→→→选出200个菌株→→→选出50株→→→选出5株诱变处理初筛（每瓶一株）复筛（每瓶四株）第二轮：5个出发菌株→→→→→→选出50株→→→选出5株40株40株40株40株40株诱变处理初筛复筛（每瓶一株）（每瓶四株）第一轮：诱变处理初筛（每瓶一株）复筛（每瓶四株）第二轮：40733、3类突变株的筛选方法（1）、产量突变株的筛选（琼脂块培养法）各琼脂块所含养料和接触空气面积基本相同，且产生的抗生素等代谢产物不致扩散出琼脂块外，因此测得的数据与摇瓶试验结果十分相似，工作效率大为提高。3、3类突变株的筛选方法（1）、产量突变株的筛选（琼脂块培养74抗药性突变株的应用：作为菌株的遗传标记作为生产菌种（结构类似物抗性变异株）（2）、抗药性突变株的筛选（梯度平板法）酵母菌抗异烟阱突变株筛选抗药性突变株的应用：（2）、抗药性突变株的筛选（梯度平板法）75★与营养缺陷突变有关的三类遗传型个体：野生型：自然界分离到的任何微生物，在其发生营养缺陷突变前的原始菌株，为该微生物的野生型。能在相应的基本培养基上生长。如：[A+B+]营养缺陷型：经诱变产生的一些合成能力出现缺陷，而必须在培养基内加入相应有机养分才能正常生长的变异菌株。不能在基本培养基上生长，只能在完全培养基或相应的补充培养基上生长，如：[A-B+]；[A+B-]原养型：指营养缺陷型突变菌株回复突变或重组后产生的菌株，与野生型的表型相同。如：[A+B+]（3）、营养缺陷型突变株(auxotrophmutant)筛选★与营养缺陷突变有关的三类遗传型个体：（3）、营养缺陷76★与筛选营养缺陷型突变株有关的三类培养基基本培养基（MM）[-]：凡是能满足野生型菌株营养要求的最低成分的合成培养基。完全培养基（CM）[+]：满足一切营养缺陷型菌株生长的天然或半合成培养基。

补充培养基（SM）[X]：在MM中有针对性地加入一或几种营养成分以满足相应营养缺陷型菌株生长的合成培养基。★与筛选营养缺陷型突变株有关的三类培养基77★营养缺陷型筛选方法筛选营养缺陷型突变株一般要经过诱变、淘汰野生型、检出和鉴定营养缺陷型四个环节。现分述如下：

诱变剂处理与上述一般诱变处理相同。

★营养缺陷型筛选方法78①抗生素法原理：青霉素、制霉菌素等抗生素作用于生长着的微生物细胞，对休止态细胞无作用。方法：将菌培养在含抗生素的MM基中淘汰野生型①抗生素法淘汰野生型79②菌丝过滤法适用于：丝状（放线菌、霉菌）原理：基本培养基上只有野生型菌株的孢子发育成菌丝；auxo孢子不能，可通过滤膜，野生型菌丝不能通过。②菌丝过滤法适用于：丝状（放线菌、霉菌）80①逐个检出法缺陷型的检出①逐个检出法缺陷型的检出81

②影印平板培养法②影印平板培养法82③夹层培养法③夹层培养法83④限量补充培养法把诱变处理后的细胞接种在含有微量（＜0.01%）蛋白胨的基本培养基平板上，野生型细胞就迅速长成较大的菌落，而营养缺陷型则缓慢生长成小菌落。若需获得某一特定营养缺陷型，可再在基本培养基中加入微量的相应物质。

④限量补充培养法把诱变处理后的细胞接种在含有微量（＜0.0184缺陷型的鉴定生长谱法方法简便；回变和污染不影响结果测定物质可为粉末或纸片测定一般应分两阶段：第一阶段：测定是哪类物质的缺陷型；第二节段：根据第一阶段确定的范围，进一步确定是哪种具体化合物的缺陷型；缺陷型的鉴定生长谱法测定一般应分两阶段：85缺陷型的应用作为菌株的遗传标记：进行基因工程、诱变育种、研究代谢过程时用作亲本标记；作为生产菌种：aa、核苷酸等生产菌种；作为aa、维生素、碱基的测定菌株。缺陷型的应用作为菌株的遗传标记：进行基因工程、诱变育种、研究86第二节基因突变和诱变育种第二节基因突变和诱变育种87一、基因突变基因突变简称突变，是指细胞的遗传物质DNA在分子结构发生了改变，从而引起细胞表型发生可遗传的改变，可自发或诱导产生。狭义突变专指基因突变（点突变）：DNA分子上少数碱基对的缺失、插入或置换，结果仅影响少数基因的功能，有重要的生物学意义；广义的突变包括两种类型：

染色体畸变：大段核苷酸序列的缺失、重复、倒位，往往造成细胞死亡。

基因突变(点突变)突变的几率一般在10–6~10–9范围内。一、基因突变狭义突变专指基因突变（点突变）：DNA分子上少数88基因突变的表型效应—突变株相对于野生型菌株，基因突变使细胞不仅在遗传型上发生改变，同时在表型上也发生改变，产生突变型菌株；

野生型菌株：从自然环境中分离得到的菌株，以及它所具有的遗传型；

突变型菌株：相对于野生型菌株，由于基因突变而导致遗传型发生改变，所形成的具有新的表型的菌株；基因突变的表型效应—突变株相对于野生型菌株，基因突变使89★按是否比较容易、迅速地分离到发生突变的细胞来分：选择性突变株（selectivemutant）：具有选择标记（如营养缺陷性、抗性突变型、条件致死突变型），只要选择适当的环境条件，如培养基、温度、pH值等，就比较容易检出和分离到。非选择性突变株（non-selectivemutant）：无选择标记（如产量突变型、抗原突变型、形态突变型），能鉴别这种突变体的惟一方法是检查大量菌落并找出差异。（一）基因突变的类型★按是否比较容易、迅速地分离到发生突变的细胞来分：（一）基因901、营养缺陷型（auxotroph）由于基因突变，使某种酶失去了正常的功能，导致该酶催化的生化反应不能进行，影响了某种代谢物的合成；细胞需从外界摄取这种代谢物才能正常生长；营养缺陷型是野生型菌株的变异株，营养缺陷型不能象野生型一样在基本培养基上生长，需要补加生长因子才能正常生长；表型判断的标准：在基本培养基上能否生长特点：在选择培养基（一般为基本培养基）上不生长负选择标记突变株不能通过选择平板直接获得1、营养缺陷型（auxotroph）由于基因突变，使某种酶失91营养缺陷型的表示方法：基因型：所需营养物的前三个英文小写斜体字母表示：hisC、trpA（其中的大写字母C和A表示同一表型中不同基因的突变）表型：同上，但第一个字母大写，且不用斜体：HisC在具体使用时多用hisC-和hisC+，分别表示缺陷型和野生型。营养缺陷型是微生物遗传学研究中重要的选择标记和育种的重要手段营养缺陷型的表示方法：基因型：所需营养物的前三个英文小写斜体922、抗药性突变型（resistantmutant）由于基因突变，导致细胞结构或代谢途径发生改变，对某种药物或抗生素产生抗性或不敏感；它们可在加有相应药物或用相应物理因子处理的培养基平板上选出。正选择标记（突变株可直接从抗性平板上获得-----在加有相应抗生素的平板上，只有抗性突变能生长。所以很容易分离得到。）所抗药物的前三个小写斜体英文字母加上“r”表示strr和strs

分别表示对链霉素的抗性和敏感性2、抗药性突变型（resistantmutant）由于基因93

3、条件致死突变型（conditionallethalmutant）某菌株或病毒经基因突变后，在某种条件下可正常地生长、繁殖并实现其表型，而在另一种条件下却无法生长、繁殖的突变类型，称为条件致死突变型。常见的条件致死突变型是温度敏感突变型，用Ts（temperaturesensitive）表示；如：E.coli的某些野生型在37℃时能够正常生长，在42℃时死亡；但可以在低温下正常生长；原因是突变使某些重要的蛋白质的结构和功能发生改变，在某特定温度下具有功能，在另一温度（一般为较高温度）下没有功能。负选择标记3、条件致死突变型（conditional944、形态突变型（morphologicalmutant）因基因突变产生相对于野生型的细胞形态改变；突变株和野生型菌株均可生长，但可从形态特征上进行区分。如可影响孢子有无、孢子颜色、鞭毛有无等以及菌落表面光滑、粗糙、噬菌斑的大小或清晰度等的突变。细胞水平上的形态突变，突变株的检出更加困难。4、形态突变型（morphologicalmutant）因955、抗原突变型（antigenicmutant)由于基因突变而引起的细胞抗原结构的变化。如细胞壁缺陷型（L型细菌等）、荚膜变异或鞭毛变异等。5、抗原突变型（antigenicmutant)由于基因突966、产量突变型由于基因突变细胞积累某种代谢产物的能力发生变化，可分为“正变株”和“负变株”。正变株是基因突变后获得的有用代谢产物高于原始菌株的突变株，又称高产突变株。反之称负变株。这在实际应用中具有重要意义；6、产量突变型由于基因突变细胞积累某种代谢产物的能力发生变化97定义：某一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率。突变率为10–8是指该细胞在一亿次细胞分裂中，会发生一次突变。突变率也可以用每一单位群体在每一世代中产生突变株（mutant，即突变型）的数目来表示。如一个含108个细胞的群体，当其分裂为2×108个细胞时，即可平均发生一次突变的突变率也是10–8。突变是独立的。某一基因发生突变不会影响其它基因的突变率。在同一个细胞中同时发生两个基因突变的几率是极低的，因为双重突变型的几率只是各个突变几率的乘积。由于突变的几率一般都极低，因此，必须采用检出选择性突变株的手段，尤其是采用检出营养缺陷型的回复突变株（backmutant或reversemutant）或抗性突变株特别是抗药性突变株的方法来加以确定。（二）突变率定义：某一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率。（二）突变98若干细菌某一性状的自发突变率菌名 突变性状 突变率E.coli 抗T1噬菌体 3×10–8E.coli 抗T3噬菌体 1×10–7

E.coli 不发酵乳糖 1×10–10E.coli 抗紫外线 1×10–5Staphylococcusaureus 抗青霉素 1×10–7S.aureus 抗链霉素 1×10–9

Salmonellatyphi 抗25g/L链霉素 1×10–6

Bacillusmegaterium 抗异烟肼 5×10–5

若干细菌某一性状的自发突变率菌名 突变性状 突变99（三）突变的特点适用于整个生物界，以细菌的抗药性为例。自发性：突变可以在没有人为诱变因素处理下自发地产生。不对应性：突变的性状与突变原因之间无直接的对应关系。稀有性：突变率低且稳定。微生物的自发突变率为10-6～10-9独立性：各种突变独立发生，不会互相影响。可诱发性：诱变剂可提高突变率（10~105倍）。稳定性：变异性状稳定可遗传。可逆性：从原始的野生型基因到变异株的突变称为正向突 变（forwardmutation），从突变株回到野生型的 过程则称为回复突变或回变（backmutation或 reversemutation）。（三）突变的特点适用于整个生物界，以细菌的抗药性为例。100（四）基因突变的自发性和不对应性的证明在各种基因突变中，抗性突变最为常见。但在过去相当长时间内对这种抗性产生的原因争论十分激烈。一种观点认为，突变是通过适应而发生的，即各种抗性是由其环境（指其中所含的抵抗对象）诱发出来的，突变的原因和突变的性状间是相对应的，并认为这就是“定向变异”，也有人称它为“驯化”或“驯养”。另一种看法则认为，基因突变是自发的，且与环境是不相对的。由于其中有自发突变、诱发突变、诱变剂与选择条件等多种因素错综在一起，所以难以探究问题的实质。从1943年起，经过几个严密而巧妙的实验设计，主要攻克了检出在接触抗性因子前已产生的自发突变株的难题，终于解决了这场纷争。（四）基因突变的自发性和不对应性的证明在各种基因突变中，抗性101变量试验又称波动试验或彷徨试验。1943年，S.E.Luria和M.Delbrück根据统计学原理设计。1.Luria等的变量试验fluctuationtestSalvadorLuriaMaxDelbruck变量试验又称波动试验或彷徨试验。1.Luria等的变量试验102说明抗噬菌体突变体是在接触噬菌体前在一次细胞分裂过程中随机自发产生的。这一自发突变发生得越早，则抗噬菌体菌落出现得越多，反之越少。抗噬菌体突变体的出现与是否接触噬菌体无关。说明抗噬菌体突变体是在接触噬菌体前在一次细胞分裂过程中随机自1032.Newcombe的涂布试验（1949）原理与变量试验相同，方法更为简便，且可计算突变率。2.Newcombe的涂布试验（1949）原理与变量试验相同104涂布试验中突变率的计算初始接种量：5×104个/皿培养5小时，繁殖了12.3代，每个微菌落约含5100个细菌这时，每个平皿上的细胞数为：5100×5×104≈2.6×108个/皿在6个平板上，比接种时增加的细胞数为： 6×（2.6×108

5×104）=15.6×108在未涂布的平板上共发现28个突变，故突变率=28/15.6×108=1.8×108涂布试验中突变率的计算初始接种量：5×104个/皿1053.Lederberg等的平板影印培养试验（replicaplating）1952年，J.Lederberg夫妇的论文《平板影印培养法和细菌突变株的间接选择》，更好地证明了微生物的抗药性是在未接触药物前自发地产生的，这一突变与相应药物环境毫不相干。JoshuaLederberg平板影印培养法，是一种能达到在一系列培养皿的相同位置上出现相同遗传型菌落的接种培养方法。把长有许多菌落的母种培养皿倒置于包有灭菌丝绒布的木质圆柱上，使其上沾满来自培养皿平板上的菌落，然后可把这一“印章“上的菌落一一接种到不同的选择性培养基平板上，待这些平板培养后，对平板相同位置上的菌落对比后，就可选出适当的突变型菌株。3.Lederberg等的平板影印培养试验（replica106第七章微生物的遗传变异和育种2课件107说明在根本未接触过任何一点链霉素的条件下，就可筛选到大量抗链霉素的突变株。影印平板培养法在遗传学基础理论研究、育种实践和其他研究中发挥重要作用。说明在根本未接触过任何一点链霉素的条件下，就可筛选到108（五）基因突变及其机制基因突变的原因是多种多样的，可以是自发的或诱发的自发突变：由细胞内部环境因素，或DNA自身结构特点而引起的偶然突变；一般发生频率为10-6～10-9；诱发突变：物理、化学或生物因素作用于DNA，直接改变DNA的结构，或增加DNA分子结构的不稳定，或增加DNA复制时发生错误的几率而产生的基因突变；（五）基因突变及其机制基因突变的原因是多种多样的，可以是自发109具体类型可归纳如下：具体类型可归纳如下：1101.诱变机制定义：简称诱变，是指通过人为地方法，利用物理、化学或生物因素显著提高基因自发突变的频率。诱变剂（mutagen）：凡能提高突变率的任何理化因子，就称为诱变剂。种类：诱变剂的种类很多，作用方式多样。即使是同一种诱变剂，也常有几种作用方式。按照遗传物质结构变化的特点讨论几种有代表性的诱变剂的作用机制。1.诱变机制定义：简称诱变，是指通过人为地方法，利用物理、111（1）碱基置换（substitution）定义：对DNA来说，碱基的置换属于一种染色体的微小损伤（microlesion），一般也称点突变（pointmutation）。它只涉及一对碱基被另一对碱基所置换。分类：转换（transition），即DNA链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所置换；

颠换（transversion），即一个嘌呤被一个嘧啶,或是一个嘧啶被一个嘌呤所置换。（1）碱基置换（substitution）定义：对DNA来说112碱基的置换引起的突变错义突变；某个碱基的置换改变了三联体密码子的含义；无义突变：某个碱基的置换产生终止密码子UAA、UAG或UGA；同义突变：某个碱基的置换没有改变三联体密码子的含义；碱基的置换引起的突变错义突变；某个碱基的置换改变了三联体密码113对某一具体诱变剂来说，即可同时引起转换与颠换，也可只具其中的一种功能。根据化学诱变剂是直接还是间接地引起置换，可把置换的机制分成以下两类来讨论。★直接引起置换的诱变剂定义：一类可直接与核酸的碱基发生化学反应的诱变剂，不论在机体内或是在离体条件下均有作用。种类：很多。例如亚硝酸、羟胺和各种烷化剂（硫酸二乙酯，甲基磺酸乙酯，N-甲基-N’硝基-N-亚硝基胍，N-甲基-N-亚硝基脲，乙烯亚胺，环氧乙酸，氮芥等）。作用：它们可与一个或几个核苷酸发生化学反应，从而引起DNA复制时碱基配对的转换，并进一步使微生物发生变异。羟胺只引起G┇C→A:T，其余都是可使G┇C=A:T发生互变的。能引起颠换的诱变剂很少，只是部分烷化剂才有（参见下表）。对某一具体诱变剂来说，即可同时引起转换与颠换，也可只具其中的114若干诱变剂的作用机制及诱变功能若干诱变剂的作用机制及诱变功能115亚硝酸可以使碱基发生氧化脱氨作用。

HNO2胞嘧啶（C）尿嘧啶（U）HNO2腺嘌呤（A）次黄嘌呤（H）HNO2鸟嘌呤（G）黄嘌呤（X）这些反应及形成物均可在DNA复制中产生影响，主要是使碱基对发生转换。碱基转换的分子机制——以亚硝酸为例亚硝酸可以使碱基发生氧化脱氨作用。碱基转换的分子机制——以亚116腺嘌呤（A）变成次黄嘌呤（H）后引起的转换过程：①腺嘌呤氧化脱氨后形成烯醇式次黄嘌呤（He）②He通过互变异构效应形成酮式次黄嘌呤（HK）③DNA复制时，HK与胞嘧啶（C）配对④DNA第二次复制时，C与G正常配对，实现了转换。腺嘌呤（A）变成次黄嘌呤（H）后引起的转换过程：①腺嘌117这类诱变剂主要是一些碱基类似物,如：5-溴尿嘧啶(5-BU)和5-氨基尿嘧啶（5—AU）、叠氮胸腺嘧啶（AIT）等等；作用方式：通过活细胞的代谢活动参入到DNA分子中，主要是在DNA复制时碱基类似物插入DNA中，引起碱基对配对错误，造成碱基置换。以5-溴尿嘧啶(5-BU)为例：5-BU是胸腺嘧啶（T）的的类似物，酮式的5-BU可以和A配对，烯醇式的5-BU可以和G配对，在DNA分子复制的过程中，由于5-BU的插入和互变异构导致碱基置换。★间接引起置换的诱变剂这类诱变剂主要是一些碱基类似物,如：5-溴尿嘧啶(5-BU1185-BU引起的转换从上图中，还可以看到5-BU的掺入引起的G┇C回复到A׃T的过程。通过这两个图示，就很容易理解为什么同一种诱变剂既可造成正向突变，又可使它产生回复突变的原因了。也可以知道，为什么像5-BU这类代谢类似物只有对正在进行新陈代谢和繁殖着的微生物才起作用，而对休止细胞、游离的噬菌体粒子或离体的DNA分子却不起作用。5-BU引起的转换从上图中，还可以看到5-BU的掺入引起的G119（2）移码突变frame-shiftmutation或phase-shiftmutation，指诱变剂使DNA分子中增加（插入）或缺失一个或少数几个核苷酸，从而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和转译错误的一类突变。由移码突变所产生的突变株，称为移码突变株（frame-shiftmutant）。与染色体畸变相比，移码突变也只能算是DNA分子的微小损伤,也是一种点突变，结果只涉及有关基因中突变点后面的遗传密码阅读框发生错误，并不影响突变点后其他基因的正常阅读。丫啶类染料，包括原黄素、丫啶黄、丫啶橙和α-氨基丫啶等，以及一系列称为ICR类的化合物，都是移码突变的有效诱变剂。（2）移码突变frame-shiftmutation或120第七章微生物的遗传变异和育种2课件121能诱发移码突变的几种代表性化合物丫啶类化合物的诱变机制：至今还不很清楚。有人认为，由于它们是一种平面型三环分子，结构与一个嘌呤–嘧啶对十分相似，故能嵌入两个相邻DNA碱基对之间，造成双螺旋的部分解开（两个碱基对原来相距0.34nm，当嵌入一个丫啶分子时，就变成0.68nm），从而在DNA复制过程中，会使链上增添或缺失一个碱基，结果就引起了移码突变。能诱发移码突变的几种代表性化合物丫啶类化合物的诱变机制：至今122（3）染色体畸变（chromosomalaberration）某些强烈理化因子，如X射线等的辐射及烷化剂、亚硝酸等，除了能引起点突变外，还会引起DNA的大损伤（macrolesion）——染色体畸变，它包括：★染色体结构上的变化：缺失（deletion）重复（duplication）易位（translocation）倒位（inversion）★染色体数目的变化（3）染色体畸变（chromosomalaberratio123★染色体结构上的变化分为染色体内畸变和染色体间畸变两类。染色体内畸变：只涉及一条染色体上的变化，如发生染色体的部分缺失或重复时，其结果可造成基因的减少或增加；如发生倒位或易位时，则可造成基因排列顺序的改变，但数目却不改变。倒位--------是指断裂下来的一段染色体旋转180后，重新插入到原来染色体的原位置上，从而使其基因顺序与其它的基因顺序相反；易位--------是指断裂下来的一小段染色体再顺向或逆向地插入到同一条染色体的其它部位上。染色体间畸变：指非同源染色体间的易位。★染色体结构上的变化分为染色体内畸变和染色体间畸变两类。124染色体畸变染色体畸变在高等真核生物中一般很容易观察，但在微生物中，尤其在原核生物中，还是近年来才证实的。许多理化诱变剂的诱变作用都不是单一功能的。染色体畸变染色体畸变在高等真核生物中一般很容易观察，但在微生125转座因子（transposibleelement）由40年代B.McClintock对玉米粒色素斑点变异的遗传研究而发现染色体易位，自1967年以来，已在微生物和其它生物中得到普遍证实，并已成为分子遗传学研究中的一个热点。旧概念：基因是固定在染色体DNA上的一些不可移动的核苷酸片段。新发现：有些DNA片段不但可在染色体上移动，还可从一个染色体跳到另一个染色体，从一个质粒跳到另一个质粒或染色体，甚至还从一个细胞转移到另一个细胞。在这些DNA顺序的跳跃过程中，往往导致DNA链的断裂或重接，从而产生重组交换或使某些基因启动或关闭，结果导致突变的发生。转座因子（transposibleelement）：在染色体组中或染色体组间能改变自身位置的一段DNA顺序。也称作跳跃基因（jumpinggene）或可移动基因（movablegene）。转座因子（transposibleelement）由40年126转座因子的种类（1）插入序列（IS，insertionsequence）：特点是分子量最小（仅0.7~1.4kb），只能引起转座（transposition）效应而不含其它基因。可以在染色体、F因子等质粒上发现它们。已知的IS有5种，即IS1、IS2、IS3、IS4和IS5。E.coli的F因子和核染色体组上有一些相同的IS（如IS2，IS3等），通过这些同源序列间的重组，就可使F因子插入到E.coli的核染色体组上，从而使后者成为Hfr菌株。因IS在染色体组上插入的位置和方向的不同，其引起的突变效应也不同。IS引起的突变可以回复，其原因可能是IS被切离，如果因切离部位有误而带走IS以外的一部分DNA序列，就会在插入部位造成缺失，从而发生新的突变。转座因子的种类（1）插入序列（IS，insertionse127转座因子的种类（2）转座子（Tn，transposon，又称转位子，易位子）：IS和Mu噬菌体相比，Tn的分子量是居中的（一般为2~25kb）。它含有几个至十几个基因，其中除了与转座作用有关的基因外，还含有抗药基因或乳糖发酵基因等其它基因。Tn虽能插到受体DNA分子的许多位点上，但这些位点似乎也不完全是随机的，其中某些区域更易插入。转座因子的种类（2）转座子（Tn，transposon，又称128转座因子的种类（3）Mu噬菌体（即mutatorphage，诱变噬菌体）：它是E.coli的一种温和噬菌体。与必须整合到宿主染色体特定位置上的一般温和噬菌体不同，Mu噬菌体并没有一定的整合位置。与以上的IS和Tn两种转座因子相比，Mu噬菌体的分子量最大（37kb），它含有20多个基因。Mu噬菌体引起的转座可以引起插入突变，其中约有2%是营养缺陷型突变。转座因子的种类（3）Mu噬菌体（即mutatorphag1292.自发突变机制自发突变是指在没有人工参与下生物体自然发生的突变。几种自发突变的可能机制★微生物自身有害代谢产物的诱变效应：过氧化氢是普遍存在于微生物体内的一种代谢产物。它对Neurospora（脉孢菌）有诱变作用，这种作用可因同时加入过氧化氢酶而降低，如果在加入该酶的同时又加入酶抑制剂KCN，则又可提高突变率。这就说明，过氧化氢很可能是“自发突变”中一种内源性诱变剂。在许多微生物的陈旧培养物