遗传学 第11章 基因突变

第十章遗传物质的改变（二）

基因突变第一节基因突变概说第二节突变的检出第三节诱发突变第一节基因突变概说突变体的表型特性突变发生的时期突变率突变的可逆性突变的多方向性与复等位基因自发突变的原因突变（mutation）是指遗传物质内所发生的可遗传的变异。是自然界产生变异的主要来源，是生物进化的源泉。突变类型：基因突变和染色体畸变。基因突变(Genemutation)：一个基因内DNA序列结构的改变，包括一对或少数几对碱基的缺失、插入或置换等。这种突变是一种遗传物质的可遗传的改变，通常从一个等位基因变为另一个新的等位基因。点突变（pointmutations）：影响基因中(DNA中)的单个碱基对的那些基因突变。Involveonlyoneorafewnucleotides.突变的类型1、根据突变的起源：------自发突变（spontaneousmutaions）是在自然状况下产生的突变。------诱发突变（inducedmutations）诱变剂（mutagen）处理导致。人们有意识地应用一些物理、化学因素诱发的。●两者之间并没有性质上的差别；●突变→DNA改变→蛋白质序列和功能改变，引起各种各样的表型效应。获得突变型是遗传学研究的重要前提。

基因突变的特点1.突变率相对稳定：高等动物10-5~10-8；细菌10-4~10-102.突变的多向性：突变可以向多个方向发生3.突变的重演性：同种生物中，同一基因突变可以重复地发生，也即同种生物中相同基因的突变可以重复地出现。4.突变的可逆性：

基因突变是可逆的。基因突变的可逆性，是区别基因重组和染色体畸变的特点之一，因为畸变的类型一般是不能恢复的。5.突变的有害性与有利性：突变对生物体来说，绝大多数是不利的，但又是必需的，它提供了适应新环境的潜在因素。突变的稀有性：突变率不高突变的可逆性

突变的多方向性突变的平行性

：亲缘关系相近物种常出现相似突变突变的重演性突变的有害性和有利性突变体的表型特性P48（1）形态突变（2）生化突变（3）致死突变（4）条件致死突变突变体的表型特性

（1）形态突变（morphologicalmutation）：突变主要影响生物的形态结构，导致形状、大小、色泽等的改变.例:安康羊四肢很短。例：普通绵羊的四肢有一定的长度，但安康羊（Anconsheep）的四肢很短，这类突变可在外观上看到，称为可见突变（visiblemutations）1791年，美国新英格兰的农民SethWright在自家的羊群里发现了安康羊的公羊；其特点是：短腿长背，不能跳过篱笆，有助于管理；第二年，Wright利用这只羊与一些母羊交配，逐渐培育出短腿羊的新品种。达尔文在《物种起源》一书中最先记载了安康羊突变体的表型特性

（2）生化突变（biochemicalmutations）：突变主要影响生物的代谢过程，导致一个特定的生化功能的改变或丧失。可以对正常个体与变异个体的生化特性研究以分析基因的作用机制。●例：链孢霉的氨基酸突变型＋某种氨基酸才能生长生化突变野生型(wildtype)与原养型(prototroph)野生型是指存在于自然界中没有经过基因突变，具有正常生化代谢功能的遗传类型；原养型指具有与野生型相同营养需求与表现的遗传类型，有时特指突变型恢复为与野生型相同的个体。营养缺陷型(auxotroph)因基因突变丧失了某种生活物质合成能力，在基本培养基上不能正常生长，需加入相应营养成分的突变型。红色面包霉的生化突变型野生型红色面包霉能在基本培养基上正常生长。几种生化突变型：突变型a：精氨酸(精氨酸合成缺陷型)；突变型c：精氨酸或瓜氨酸 (瓜氨酸合成缺陷型)；突变型o：精氨酸、瓜氨酸或鸟氨酸(鸟氨酸合成缺陷型)。研究表明，精氨酸是蛋白质合成的必需氨基酸，而其合成途径为：（3）致死突变（lethalmutation）:

突变主要影响生活力，发生突变后会导

致特定基因型个体死亡的基因突变，可

发生在不同时期。显性致死：杂合态即有致死。大多数致死突变都为隐性致死，突变后代中的隐性纯合体表现为致死的效应。如：小鼠毛色遗传的隐性致死突变；植物隐性白化突变；镰刀形贫血症；植物白化基因等。少数致死突变表现为显性致死，带有突变基因的个体都会死亡。如：人的神经胶症基因。如果致死突变发生在性染色体上，将产生伴性致死现象。突变体的表型特性

在某些条件下能成活，而在另一些条件下致死。例:噬菌体T4的温度敏感突变型在25℃时能在E.coli宿主中生存,而在42℃时则不能。（4）条件致死突变（conditionallethalmutation）突变体的表型特性

突变发生的时期1.生物个体发育的任何时期均可发生：

性细胞(突变)突变配子后代个体；

体细胞(突变)突变体细胞组织器官2.性细胞的突变频率比体细胞高：性母细胞与性细胞对环境因素更为敏感。3.(等位)基因突变常常是独立发生的：某一基因位点发生并不影响其等位基因，一对等位基因同时发生的概率非常小(突变率的平方)。突变发生的时期4.突变时期不同，其表现也不相同：突变可发生在个体发育的任何时期。一般来说，突变发生的时期愈迟，生物体表现突变的部分愈少。例如：金银眼猫，一个眼睛是黄褐色，另一个眼睛是蓝色。

嵌合体(mosaic)：如果突变基因是显性的，则个体的一半显示不同的性状。枝变（芽变,budsport）：在植株中，一个芽在发育极早期发生突变，芽长成枝后，所生的叶、花、果实与其他枝条不同。突变的稀有性突变率（mutationrate）：一个世代或一段时间内发生突变的个体占总个体数目的比例。在正常的生长条件和环境下，突变率往往是很低的。●高等生物为10－5～10－10，●细菌中为1×10－4～4×10－10。突变的可逆性：基因突变的发生方向是可逆的。正突变(forwardmutation)：野生型→突变;显性基因A隐性基因a反突变(回复突变;reversemutation)：突变型→野生型隐性基因a显性基因A突变的可逆性通常认为：野生型基因是正常、有功能基因；而最初基因突变往往是野生型基因突变而丧失功能、发生功能改变，表现为隐性基因。所以反突变又称为回复突变(backmutaiton)。通常用u表示正突变频率、v表示反突变频率，则：

正突变uA===========a反突变v突变的可逆性E.colihis＋his－2×10－64×10－8突变的可逆性是区别基因的点突变和染色体缺失或重复的重要标志。

正突变与反突变发生的频率一般都不相同。多数情况下：正突变率总是高于反突变率。原因在于：正常野生型基因内部存在许多可突变部位，其中之一结构改变均会导致其功能改变；但是一旦突变发生，要回复正常野生型功能则只能由原来发生突变的部位恢复原状。因此，基因突变一般不是由于基因物质的丧失，而主要是组成基因的物质发生了化学性质变化所致。突变的多方向性与复等位基因突变的多方向性：指基因突变可以多方向发生，即基因内部多个突变部位分别改变后会产生多种等位基因形式。同一个基因可以向不同的方向突变，但在染色体上的座位不变。例如：A基因不同部位发生改变产生突变基因a1、a2、a3等对A均表现为隐性的基因。新基因可能均是无功能的，也可能各具不同功能。Aa1a2a3例如：果蝇X染色体上的基因W（白眼）We（曙红眼)Wa（杏红眼)Wbf（浅红色眼)W＋（红眼)这些基因都是等位的；果蝇眼睛的颜色突变的多方向性与复等位基因复等位基因(multipleallele)：由于基因突变多方向性而在同一基因位点上可能具有的多种等位基因形式。在二倍体与异源多倍体中，同一位点只能有一对基因，最多存在两种等位基因形式；因此复等位基因的各种形式会存在于生物群体的不同个体中。人类ABO血型的遗传●人类红细胞表面抗原的特异性由3个复等位基因IA，IB，i决定。其中IA，IB对i均为显性；IA，IB间为共显性。●这三个复等位基因可组成6种基因型和4种表现型：复等位基因广泛存在于生物界●根据ABO血型的遗传规律可以进行亲子鉴定PO×O血型iiii

配子iiF1iiO血型PAB×O血型IAIBii

配子IAIBiF1IAi

IBiA型B血型●IAIB×IAIAIAIA、IAIB●IAIB×IAiIAIA、IAi、IAIB、IBi●IAIB×IBIBIAIB、IBIB●IAIA×IBIBIAIB●IAIA×iiIAi●IBIB×iiIBi

……烟草的自交不亲和性●栽培的普通烟草为自花授粉植物，但烟草属中有两个野生种(Nicotianaforgationa与N.alata)表现出自交不亲和性。●自交不亲和性(self-incompatibility)：指自花授粉不结实，而不同基因型株间授粉可结实的现象。●已发现有15个自交不亲和的复等位基因S1、S2、……、S15控制自花授粉不结实性，称为自交不亲和基因。●研究表明：具有某一基因的花粉不能在具有相同基因的柱头上萌发、伸长，因而不能完成受精过程。也即：柱头对具有相同基因的花粉具有拮抗作用。野生烟草交配亲和性的遗传机理如图所示：株内：S1S2×S1S2→不孕株间（不同基因型）：S1S2×S2S3→S1S3、S2S3S1S2×S3S4→S1S3、S2S3S1S4、S2S4突变的平行性和重演性平行性——是指亲缘关系相近的物种因遗传基础较近似而发生相似基因突变的现象。如小麦有早熟、晚熟的变异类型，属于禾本科的其它物种如大麦、黑麦、燕麦、水稻、玉米、冰草等同样存在这些变异类型。重演性——相同的基因突变可以在同种生物的不同个体间重复发生。同一基因突变在不同的个体上均可能发生；不同群体中发生同一基因突变的频率相近。同一突变可以在生物的不同个体上多次发生。突变的平行性对人工诱变，物种亲缘关系和进化的研究有一定的参考意义。

突变的有害性和有利性1突变的有害性：

多数突变对生物的生长和发育往往是有害的。致死突变(lethalmutation)：即导致个体死亡的突变。⑴植物：最常见的为隐性白化突变。这种白化苗不能正常形成叶绿素，当子叶或胚乳中养料耗尽时，幼苗死亡。●遗传表现如右图：●白化苗现象在大麦(2n=14)中最易发现，水稻中也较多。小麦(2n=42，异源六倍体AABBDD)白化苗<大麦。

动物①纯合显性致死：小鼠毛色遗传黑色→黄色，但无黄色纯合体。●原因：突变的黄色基因AY对黑色基因a为显性，但AY具有致死的隐性效应。AYAY其胚胎在母体内即已死亡，只有AYa可存活。●黄色鼠×黑色鼠

Ayaaa1黄：1黑AYa(2378)aa(2398)

凡是用黄色毛的小鼠与黑色毛小鼠交配，其后代小鼠的黄色:黑色总是1:1，说明没有AYAY的纯合型存在。●黄色鼠×黄色鼠

AyaAYa2黄：1黑色AYAY(死亡)AYa(2396)aa(1235)

以黄色鼠与黄色鼠交配的结果发现其分离比例总是2黄:1黑，说明已缺少1/4的黄色鼠纯合体。②杂合显性致死突变：显性致死突变在杂合状态时即可死亡。不会产生纯合体。例如：人神经胶症(epiloia)突变基因，可引起皮肤畸形生长、严重智力缺陷、多发性肿瘤，具有这个杂合基因的人在年轻时死亡。③纯合隐性致死突变：人的“异染白痴脑病”由aa基因控制(隐性纯合致死)。④伴性致死突变（sexlinkedlethal）：致死突变发生在性染色体上。●致死突变一般对个体是不利的，但也有利，如用于检测基因突变和控制♀♂个体的平衡致死品系。2中性突变(neutralmutation)：

指突变型的性状变异对生物个体生活力与繁殖力没有明显的影响，在自然条件下不具有选择差异的基因突变。●生物进化过程中自然环境对生物的选择主要依据生物在竞争条件生活力与繁殖力的差异。在特定环境下生活力与繁殖力相对较高的类型(各种突变型)被保存下来；反之则淘汰。●没有生活力与繁殖力差异的类型则是随机地保留下来，因此某些性状在生物群体内多种突变型与突变基因共同存在。例如：水稻有芒è无芒水稻希望无芒。小麦红皮è白皮南方希望红粒。3有利突变：不但无害，而且有利。如抗倒、抗病、早熟等突变。4突变有害性的相对性：高秆

è

矮秆：有害性：矮秆株在高秆群体中受光不足、发育不良；有利性：矮秆株在多风或高肥地区有较强抗倒伏性、生长更茁壮。5人类需要和生物本身突变利弊的不一致性：禾谷类作物的落粒性对生物有利、对人类无益。水稻、玉米、高粱的雄性不育性对生物不利、对人类有利，可以免除杂交制种时人工去雄的麻烦。自发突变的原因（1）物理因素：太阳的辐射，自然界的射线，紫外线，电流，高温，超声波，激光等。（2）化学因素：秋水仙碱，芥子油，咖啡碱，甲醛，脱氨剂，烷化剂，亚硝酸等。（3）生物因素：在生物的新陈代谢过程中，排放的生物毒素等。（例：植物种子贮存久了可引起突变率增加；从陈种子可提取出一些诱变物质；番茄种在很干燥的条件下，提高番茄细胞的渗透压，以后从它的F2、F3可以分离出多数突变体。）第二节突变的检出果蝇突变的检出链孢霉突变的检出人的突变的检出一、果蝇突变的检出1果蝇性连锁突变的检出⑴ClB方法⑵Muller-5技术2果蝇常染色体上突变的检出平衡致死品系InducedmutationsFatherofmutagenesisNobelPrize1946HermannJ.Muller1927年，H.J.Muller用X-ray处理果蝇精子，处理果蝇的后代与未处理的比较，突变率可以成百上千倍地增加。证明X-ray可以诱发突变，同一时期，Stadler用X-ray和γ-ray处理大麦和玉米种子，也得到了相似结果。1945年第一颗原子弹爆炸，人们才开始认识到Muller发现的重要意义。1946年Muller获诺贝尔医学和生理学奖。TheClBtestforidentifyingmutagens●ClB:Crossoversuppressor-lethal-Bartechnique●ClB品系：一条X染色体上为ClB，另一条正常。C：在X染色体上有一个大的倒位（inversion），抑制同源染色体之间的交换。l：lethalrecessiveX-Linkedgene，在倒位区内B：Bareye显性棒眼基因，为16A区段重复，在倒位区段范围之外。l和B的交换被抑制。●X射线果蝇倒位杂合体的雌蝇（XClBX+）Muller-5test检出果蝇X染色体上的隐性突变，特别是致死突变，这与ClB原理一样。Muller-5品系：X染色体上有：B(Bar棒眼)，Wa(apricot杏色眼)，Sc(Scute,小盾片少刚毛)；(“Basc”).倒位：可抑制X染色体上的交换实验时，把野外采集的，或经诱变处理的雄蝇，与Muller-5雌蝇交配，得到子一代后，做单对交配，看子二代的分离情况。如有致死突变，F2中没有野生型雄蝇，如有隐性的可见突变，则除Muller-5雄蝇外，出现具有可见突变的雄蝇。

TheMuller-5testforidentifyingmutagensBaExposuretoX-rayscausesmutations(MullerandStadler1927)F2：（1）若无隐性致死基因，则F2为：1：1：1：1（2）若有隐性致死基因，则F2中无野生型（3）若有隐性可见突变，则F2雄蝇可看到突变体链孢霉突变的检出1945年，美国遗传学家Beadle和生物化学家Tatum研究出检测链孢霉营养缺陷型突变的方法。

基本原理：野生型菌株：基本培养基营养缺陷型菌株：完全培养基营养缺陷型菌株：基本培养基＋它所不能合成的物质突变型(a)：基本培养基＋精氨酸1.突变的真实性：在基本培养基上培养—— 能够生长未发生营养缺陷型突变； 不能生长可能发生营养缺陷型突变。2.突变的类型(哪类型营养缺陷型突变？)： 氨基酸？(加入各种氨基酸)不能生长。 维生素？(加入各种维生素)能够生长。3.进一步鉴定具体类型： 硫胺素(VB1)、吡醇素(VB6)、泛酸、肌醇。1234511109867121314158＋维生素9＋氨基酸12＋硫胺素13＋吡醇素14＋泛酸15＋肌醇人的突变的检出方法：家系分析，出生调查。常染色体的隐性突变较难检出，而显性则较为容易。X连锁的隐性突变也较易检出。血友病的遗传QueenVictoriaCzarNicholas人类中某