基因突变及突变的分子基础

基因突变及突变的分子基础第一页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五基因突变(genemutation)：染色体上某一基因位点内部发生了化学性质(结构)的变化，与原来基因形成对性关系。例如：植物高秆基因D突变为矮秆基因d。经典遗传学(基因论)认为：基因就是一个“点”，在染色体上具有一定的位置和相互排列关系，而基因突变就是一个点的改变，是以一个整体进行突变。因此从经典遗传学水平看，基因突变又称为“点突变”(pointmutation)。摩尔根等1910年发现果蝇眼色的突变(Ww)，并进行鉴定与分析，从而明确证实基因突变的存在。第二页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五◆基因突变的发生：在自然条件下广泛、大量存在；★自然发生：自然界的因素；★人工诱发：理化因素，更高突变频率。◆基因突变形成的不同等位基因及相对性状差异是人们发现该基因(位点)存在的前提；◆是生物进化过程中自然选择的最根本基础；◆也是生物遗传育种的重要基础。★矮秆基因的利用；★植物雄性不育基因(细胞质基因突变)的利用。第三页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五基因突变的类型根据诱发的原因，基因突变可分为以下两个类型：1.自发突变（spontaneousmutation），所谓的自发突变，是指在没有人工特设的诱发条件下，由于外界环境的自然作用或生物体内生理或生化变化而诱发的突变。根据这个定义，我们知道所谓的自发突变并不是没原因的突变，而是指人工特设诱变因素以外的其它因素引起的突变。2.诱发诱变：这是指由人工特设诱发因素而引起的突变。

第四页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五根据突变引起的表型特征，可将突变分为：１.形态突变（morphologicalmutation），是泛指能造成外形改变的突变。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）

第五页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五控制质量性状的基因突变属于大突变。第六页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五控制数量性状的基因突变大都属于微突变。例如：玉米的长果穗和短果穗为了鉴别微突变的遗传效应，常需要借助统计方法加以研究分析。第七页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五根据突变引起的表型特征，可将突变分为：２.致死突变（lethalmutation）：是指能造成个体死亡的突变，致死突变型又可分为全致死突变型（90％以上死亡），亚致死突变（50%～90%死亡）；半致死突变（10%～50%死亡）和弱致死突变（10%以下死亡）。显性致死：杂合态即有致死。隐性致死：纯合态才有致死镰刀形贫血症、植物白化基因等。第八页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五根据突变引起的表型特征，可将突变分为：3．条件致死突变（conditionallethalmutation)：指在一定条件下表现致死效应，而在其它条件下可以存活的突变。

例如：噬菌体T4的温度敏感突变型在25℃时能在E.coli宿主中正常生长，形成噬菌斑，但在42℃时就不能这样。

4．生化突变（biochemicalmutation)：指没有形态效应，但导致某种特定生化功能改变的突变。例：链孢霉的氨基酸突变型＋某种氨基酸才能生长第九页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五◆由基因突变而表现突变性状的细胞或个体，称为突变体或突变型(mutant)。◆显性突变：突变产生的新基因对原来的基因表现为显性。◆隐性突变：

突变产生的新基因对原来的基因表现为隐性。第一节基因突变的时期和特征第十页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五一、基因突变的时期◆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。体细胞突变的保留与芽变选择。◆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。◆(等位)基因突变常常是独立发生的：★在体细胞中如果隐性基因发生显性突变，当代就会表现出来，同原来性状并存，形成镶嵌现象或称嵌合体(chimaera)◆突变时期不同，其表现也不相同

嵌合体

第十一页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五从理论上讲，突变可以发生在生物个体发育的任何时期，在体细胞或性细胞中都可发生，但性细胞发生的频率要比体细胞高些。性细胞发生的突变可以通过受精直接传递给后代。第十二页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五体细胞如果发生突变，突变的体细胞在生长过程中，往往竞争不过周围的正常细胞，受到抑制或最终消失。保留体细胞的突变，需将它从母体上及时分割下来加以无性繁殖，许多植物的突变就是体细胞的突变结果。如果果树上一旦发生优良突变，即可直接采用无性繁殖方法育成新品种。第十三页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五基因突变通常是独立发生的，即某一基因位点的这一等位基因发生突变时，不影响其它等位基因。例如AA突变为Aa或aa突变为Aa。在体细胞中如果隐性基因发生显性突变，当代就能表现出来，同原来性状并存，形成镶嵌现象，形成嵌合体。突变发生的越早，镶嵌范围越大。第十四页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五二、基因突变的一般特征基因突变表现出以下几个方面的普遍特征：(一)突变的重演性和可逆性(二)突变的多方向性与复等位基因(三)突变的有害性和有利性(四)突变的平行性(五)突变的独立性和随机性第十五页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五(一)突变的重演性和可逆性◆突变的重演性：

同一突变可以在生物的不同个体上多次发生。★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。例如果蝇的白眼突变，在多次试验中都出现过类似的突变，且它们的突变的频率也极相近似。第十六页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五第十七页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五◆突变的可逆性：基因突变的发生方向是可逆的。★正突变(forwardmutation)：显性基因A隐性基因a；★反突变(reversemutation)：隐性基因a显性基因A。★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u

野生型===========突变型

反突变v第十八页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五需要指出的是，由于缺失而引起的突变不能发生回复突变。显性基因Ａ可以突变为隐性基因ａ，而隐性基因ａ也可以突变为显性基因Ａ，前者称为正向突变（forwardmutation）。后者称为反向突变或回复突变（backmutation）。第十九页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五正突变与反突变的频率◆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。第二十页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五突变频率突变频率是指生物体在每一世代中（单细胞生物以每一细胞）发生突变的频率，也就是一定时间内突变可能发生的次数。突变频率一般是很低的，不同的生物，不同的基因其突变率相差较大。如果在人工诱变条件下，突变频率可以大大提高，有时可达几千倍。

第二十一页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五在高等生物中基因突变率为1×10-5至1×10-8，即在一万至一亿个配子中只有一个发生突变。突变率通常是用每一个配子发生突变的概率，即用一定数目的配子中的突变配子数表示，例如玉米粒7个基因的自然突变率彼此各不相同。在低等生物中，如细菌，基因突变率为1×10-4至1×10-10，变异幅度更大，即在一万至一百亿个细菌中可以看到一个突变体。在细菌中突变率是同每一细胞世代中每一细菌发生突变的概率，即用一定数目的细菌在分裂一次过程中发生突变次数表示。第二十二页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五突变频率第二十三页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五表4-1

各种生物的某些座位的自发突变率第二十四页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五(二)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。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。第二十五页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五复等位基因(multipleallele)：位于同一基因位点上的多个等位基因。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。第二十六页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五人类ABO血型的复等位基因◆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。★

3种基因两两组合可能形成6种基因型、4种红细胞表面抗原反应类型，如下表所示(其中用I0表示i)：第二十七页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五基因的突变可以向多个方向进行，一个基因Ａ可以突变为a1、a2、a3……an等而构成所谓的复等位基因（multiplealleles）。这些复等位基因可以从野生型基因突变产生，也可以从其它任何一个突变基因突变产生。它们对A来说都是隐性基因。第二十八页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五具有对性关系的基因是位于同一基因位点上的。位于同一基因位点的各个等位基因，在遗传上称为复等位基因。复等位基因不存在于同一个体，而是存在于同一生物类型的不同个体里。复等位基因广泛存在于生物界。第二十九页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五突变的多方向性与复等位基因第三十页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五突变的多方向性与复等位基因第三十一页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五突变的多方向性与复等位基因第三十二页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五烟草的自交不亲和性基因◆自交不亲和性(self-incompatibility)：植物自花授粉不结实，而株间授粉可能结实的现象。◆烟草属有两个野生种(Nicotianaforgationa与N.alata)表现自交不亲和性。★这一特性由15个复等位基因(S1,S2,…,S15)控制，称为自交不亲和基因。★研究表明：其原因是具有某一基因的花粉粒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粒具有拮抗作用。★其机理如下图第三十三页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五野生烟草交配亲和性遗传机理第三十四页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五(三)突变的有害性和有利性突变的有害性：大多数基因的突变，对生物的生长与发育往往是有害的。★生物的野生型基因都是正常有功能的；★生物细胞内现有的基因是通过长期自然选择进化而来，并且基因间达到某种相对平衡与协调状态。★因此，基因突变可能会导致：基因间及相关代谢过程的协调关系被破坏。★基因突变与表现往往会导致当代生物个体：性状变异、个体发育异常、生存竞争与生殖能力下降，甚至死亡——致死突变。第三十五页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五致死突变◆致死突变：指发生突变后会导致特定基因型个体死亡的基因突变。★大多数致死突变都为隐性致死(recessivelethal)，只有突变后代中的隐性纯合体才表现为致死的效应。★少数致死突变表现为显性致死(dominantlethal)，带有突变基因的个体都会死亡。如：人的神经胶症(epiloia)基因。★如果致死突变发生在性染色体上，将产生伴性致死(sexlinkedlethal)现象。第三十六页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五小鼠(Musmusculus)毛色遗传隐性致死突变◆在正常黑色鼠中发现一种黄色突变型，杂合体(黄色)自群交配、杂合体与黑色鼠交配结果如下图所示。◆研究表明：黄色基因(AY)在毛色上表现为显性，但是同时具有显性纯合致死效应；AYAY个体胚胎阶段即死亡，所以杂合体自群交配毛色会表现2:1。第三十七页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五第三十八页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五突变的有害性与有利性：突变大多数是有害的。现存的生物由于经过长期自然选择进化而来，它们的遗传物质及其控制下的代谢过程，都已达到相对平衡和协调状态。如果某一基因一旦发生突变，原有的协调关系不可避免地要遭到破坏或削弱，生物赖以正常生活的代谢关系就会被打乱，从而引起不同程度的有害结果，一般表现为生育反常，极端的会导致死亡，这种导致个体死亡的突变称为致死突变。第三十九页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五突变的有害性与有利性：第四十页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五突变的有害性与有利性：第四十一页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五植物隐性白化突变◆与叶绿体形成有关的基因多达50多对，其中不少基因突变(丧失功能)均可能导致叶绿素不能形成，产生白化苗。◆白化苗不能进行光合作用，子叶或胚乳中养料耗尽时，幼苗就死亡。如下图所示：第四十二页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五2.突变的有利性◆突变的有害与有利性是相对的：★主要针对突变性状表现当代个体而言；★同时也主要是对生物本身的生长发育、繁殖而言。◆在某些情况下，基因突变的有害与有利性可以转化：★对突变性状表现当代及后代群体而言：例如：抗逆性(抗生物、非生物协迫)；★对后代群体在特殊环境中生存而言：例如：作物矮秆突变型在多风与高肥环境下；又如：果蝇残翅突变型在多风海鸟环境下。★对人类需求与利用而言：如：作物矮秆突变型的利用；又如：作物雄性不育突变型的利用。第四十三页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五突变的有害性与有利性：少数的突变能促进和加强某些生命活力，所以是有利的突变。例如作物抗病性，微生物的抗药性等，这些突变为生物进化提供了最有利的条件。抗药性突变与药物：微生物产生抗药性突变与药物的存在与否没有关系。药物的存在只是起筛选作用。第四十四页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五3.中性突变◆中性突变：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。第四十五页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五突变的有害性与有利性：有些基因仅仅控制一些次要性状，它们即使发生突变，也不会影响生物的正常生理活动，因而能保持其正常的生活力和繁殖力，为自然选择保留下来，这类突变，一般称为中性突变。如：小麦粒色的变化第四十六页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五第四十七页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五（四）突变的平行性突变的平行性是指亲缘关系相近的物种因遗传基础比较近似，往往发生相似的基因突变。根据突变的平行性，当了解到一个物种有哪些突变就能预见到近缘的其他物种也同样存在相似的变异类型。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。第四十八页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五突变的平行性第四十九页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象不同肤色的老鼠第五十页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象不同肤色的蛇第五十一页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象不同翅膀的果蝇第五十二页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象不同眼色的果蝇第五十三页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象果蝇眼色的变异第五十四页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象翅膀羽毛的变化第五十五页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象孔雀翅膀羽色的变异第五十六页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象猫眼色变异蜜蜂绿眼变异第五十七页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象白化变异第五十八页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象第五十九页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象第六十页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象第六十一页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象第六十二页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象第六十三页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象第六十四页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五＊自然界生物突变现象第六十五页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象第六十六页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象第六十七页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象第六十八页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象第六十九页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象第七十页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象第七十一页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象第七十二页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象第七十三页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象第七十四页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象第七十五页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象第七十六页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象第七十七页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象第七十八页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象第七十九页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象第八十页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象第八十一页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象第八十二页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象第八十三页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象第八十四页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象第八十五页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象第八十六页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象第八十七页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象第八十八页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象第八十九页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象第九十页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象第九十一页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象第九十二页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象第九十三页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五自然界生物突变现象第九十四页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五第二节基因突变与性状表现一、显性突变和隐性突变的表现◆一对等位基因同时突变的概率非常低，所以突变发生当代一般都是杂合体，显性突变与隐性突变的性状表现也有所不同；◆显性突变和隐性突变自交后代中检测到突变型的早晚、获得纯合体的快慢也有所不同：◆天然突变也因生物繁殖方式不同而异：★自花授粉/异花授粉。第九十五页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五显性突变与隐性突变的检出与纯合M表示突变世代，M1为突变发生当代，其自交后代分别用M2(M3,…)表示，显隐性突变的检出与纯合情况。第九十六页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五二、大突变与微突变的表现◆细胞内基因所控制的性状各有不同，因此不同基因突变引起的表型变异程度也不相同。★大突变：突变基因的效应表现明显，容易识别。

一般是控制质量性状的主效基因的突变。★微突变：突变基因的表型变异微小，较难识别。

主要是控制质量性状的微效应基因发生的突变。◆微突变所产生的变异也就是数量性状变异，因此应采用数量遗传的方法进行研究。◆研究表明：微突变中有利突变率更高，而且可以通过多基因的累加效应产生显著效应，因而在育种中也具有非常高的应用价值。第九十七页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五*基因突变的相关研究内容◆基因突变表现后，要对其进行深入研究与利用，相关研究内容包括：★突变的产生：如何产生、提高突变率、控制突变方向；★突变的真实性鉴定：是否能稳定遗传；★突变基因的性质：显性/隐性；★突变频率的测定；★其它深入研究：

基因定位(染色体定位与连锁分析)；

基因克隆、测序(分子水平)；

遗传与表达机制(生理生化)；

育种应用(杂交育种、转基因)。第九十八页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五第三节基因突变的鉴定

诱变产生的变异是否属于真实的基因突变，是显性突变还是隐性突变，突变发生频率的高低等，都要进行鉴定。第九十九页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五基因突变的鉴定举例某高秆植物经诱变处理，后代中发现个别矮秆植株，矮秆产生的原因：①基因突变，②土壤肥力造成。需要进行鉴定。

把矮秆的变异体同原始亲本种植在土壤和栽培条件一致的条件下，仔细观察比较两者的表现，如果变异体跟原始亲本一样，都是高秆，说明它是不遗传变异，反之，如果变异体与原始亲本不同，仍然表现为矮秆，说明它是可遗传的，是基因发生了突变。

第一百页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五一、植物基因突变的鉴定

（一）突变真实性的鉴定◆原始材料与变异体在一致的环境条件下种植(培育)；◆对两类个体进行性状考察与比较分析(进行方差分析)；◆根据试验结果进行判定：★两类个体间没有差异不可遗传变异(环境变异)；★差异仍然存在存在真实差异为突变体。◆分子水平鉴定方法：★蛋白质产物的差异分析；★

DNA(RFLP、RAPD等方法)。第一百零一页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五P矮秆×高秆(原始亲本)

↓

F1

高秆

↓

F2¾高秆∶¼矮秆通过杂交确定突变体是显性突变，还是隐性突变。让矮秆植株与原始亲本杂交，如果F1表现高秆，F2既有高秆，又有矮秆，说明矮秆突变是隐性突变，而不是显性突变。如属显性突变，也可用同样方法加以鉴定。（二）突变显隐性的鉴定第一百零二页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五（三）突变率的测定1.基因突变的频率★突变率(mutationmate)指生物在一个世代中在特定条件下发生某一突变的概率。

也就是突变体占该世代个体的比例。★有性生殖生物：

用突变配子占总配子比例(配子发生突变的概率)表示；★(单细胞)无性繁殖生物：

每一世代中细胞发生突变的频率。第一百零三页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五2.自然突变频率自然条件下基因突变率一般较低，并随生物种类、基因而异：◆不同生物种类的基因突变率：★高等植物： ∽1×10-5－

1×10-8;★低等生物，如细菌： ∽1×10-4－

1×10-10;★人： ∽1×10-4－

1×10-6.◆同一物种的不同基因的天然突变率也明显不同：第一百零四页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五3.花粉直感法测定突变(诱变)率玉米籽粒胚乳：非甜(Su)甜(su)P: 甜粒亲本(susu)×非甜粒亲本(SuSu)G: su SusuF1: Susu(非甜)

susu(甜粒)

正常花粉粒后代 突变花粉粒后代诱变处理第一百零五页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五基因突变的鉴定测定突变率，最简便的方法是用花粉直感现象，估算配子的突变率。例如，为测定玉米子粒由非甜粒变甜粒(Su→su)的突变率，用甜粒玉米纯种(susu)作母本，由诱变非甜粒玉米纯种(SuSu)的花粉作父本进行杂交：

susu甜粒×SuSu非甜粒配子：su

Su

su

(诱变处理的花粉)F1：susu甜粒Susu非甜粒第一百零六页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五已知非甜粒(Su)对甜粒(su)为显性，如果在2万子粒中出现2粒甜粒玉米，说明在2万粒花粉中有2粒花粉的基因已由Su突变为su，这样可测知Su基因的突变率为万分之一。测定突变率的方法一般是根据M2出现的突变体占观察总个体数的比例来估算的。例如，在M2群体中的5万个观察个体数中出现2个突变体，这就表明突变率为十万分之四。第一百零七页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五4.体细胞诱变频率测定◆对种子(胚)进行诱变处理，突变可能发生于：★叶原基 叶片；★叶腋原基分蘖(有效分蘖/无效分蘖)；★茎尖生长点主穗及后发生分蘖。◆发生显性突变：★突变当代M1相应器官表现突变性状。◆发生隐性突变：★突变当代M1并不表现突变性状；★其自交后代M2将有部分个体表现突变性状。◆这时往往用M2中突变体比例来表示突变率。第一百零八页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五基因突变的鉴定

稻麦等谷类作物有分蘖存在，经过种子处理而长成的植株其体细胞突变往往只发生于一个分蘖的幼芽或幼穗原始体。因而只影响一个穗子，甚至其中少数子粒。如果是隐性突变必须分株，分穗收获，然后分别播种几代才能发现突变性状。现以大麦为例，说明诱发隐性突变表现的过程，假定某一大麦植株的主茎发生隐性突变(A→a)，而两个侧蘖仍保持原状(AA)，成熟时要按单穗分别收获，以便穗行播种。在第二代(M2)发现由主茎穗播种的幼苗大约四分之一表现突变，其余都表现正常。

第一百零九页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五

把表现隐性突变和尚未表现突变的单穗统统按单行播种为第三代(M3)，结果在由原来主茎穗播种的后代中发现有四分之一幼苗表现突变，说明它在第二代(M2)的遗传组成为Aa，一行仍未表现突变，说明它在第二代(M2)仍为AA，如果第二代(M2)全部表现突变，说明它已成为纯合的突变系(aa)，原来未发生突变的两个侧蘖，经过第二代，第三代仍未表现突变，说明它们的遗传组成，仍然是AA。第一百一十页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五第一百一十一页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五二生化突变的鉴定◆

Beadle,G.W.(1941)通过红色面包霉突变研究发现：基因是通过酶的作用控制性状表现，提出“一个基因一个酶”假说(如图所示)。第一百一十二页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五生化突变及相关概念◆生化突变：由于诱变因素影响导致生物代谢功能的变异。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。◆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。第一百一十三页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五（一）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。水、无机盐、糖类、微量生物素(酶促合成)必需的复杂有机物◆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：第一百一十四页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五（二）红色面包霉生化突变的鉴定方法◆突变的诱发：X射线或UV照射分生孢子，再与野生型交配，产生分离的子囊孢子◆突变的鉴定：★

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。★

突变的类型(哪种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。★进一步鉴定具体类型：

硫胺素(VB1)、吡醇素(VB6)、泛酸、肌醇。第一百一十五页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五生化突变及相关概念◆生化突变：由于诱变因素影响导致生物代谢功能的变异。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。◆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。第一百一十六页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五（一）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。水、无机盐、糖类、微量生物素(酶促合成)必需的复杂有机物◆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：第一百一十七页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五（二）红色面包霉生化突变的鉴定方法◆突变的诱发：X射线或UV照射分生孢子，再与野生型交配，产生分离的子囊孢子◆突变的鉴定：★

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。★

突变的类型(哪种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。★进一步鉴定具体类型：

硫胺素(VB1)、吡醇素(VB6)、泛酸、肌醇。第一百一十八页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五红色面包霉生长突变的诱发和鉴定第一百一十九页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五链孢霉营养缺陷型突变的检出1.菌丝过滤法（可将野生型与突变型分离）链孢霉不受青霉素的影响，但是可以用菌丝过滤法把野生型和突变型分离。野生型的孢子能在基本培养基中萌发并长成菌丝，缺陷型一般不萌发或不能长成菌丝。这些萌发的分生孢子就可以用棉花过滤掉，未萌发的分生孢子继续留在液体培养基中。第一百二十页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五2.营养缺陷型突变的检出与鉴定1945年，美国遗传学家Beadle和生物化学家Tatium研究出检测链孢霉营养缺陷型突变的方法。基本根据：野生型菌株能合成一系列化合物--基本培养基上生长；缺陷型菌株不能在基本培养基上生长；能在完全培养基上生长；能在基本培养基＋它所不能合成的物质－-生长。第一百二十一页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五

这样依次分析下去，就可知道是哪种AA或哪种维生素不能合成。为了进一步确定发生的变异是由那一个基因控制的，还要将经过上述方法检出的突变型，跟不同交配型的野生型交配。看产生的子囊孢子的发育，表现出来什么样的分离现象，如果表现为1:1的分离，即4个是野生型，4个是突变型，那就表明是一个基因突变。第一百二十二页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五第一百二十三页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五第一百二十四页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五三人类基因突变的鉴定第一百二十五页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五人的突变的检出1、家系分析（pedigreeanalysis）和出生调查常染色体隐性突变难以检出。很可能是由于两个杂合个体的婚配，而不是由于隐性突变。显性突变的起源比较容易检出。在人类方面，突变率的估计方法之一是根据家系中有显性性状的患儿的出现。在这些家系中，祖先各代是没有这些性状的；如双亲一方也有同一遗传病，则这名患儿应除去不计。第一百二十六页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五

例如：软骨发育不全（achondroplasia）由常染色体显性基因引起，患者四肢粗短。MΦrch(1941)调查，在94075活产儿中，发现10例为本病患者，其中2例的一方亲本也是本病患者，所以应该除去不计，其余8例的双亲正常，可以认为是新突变的结果。则每个基因的突变率是（10－2）/2（94072－2）＝4.2×10-5第一百二十七页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五下面是一个上眼睑下垂的家系，先证者的父母表型正常，说明是新产生的突变。第一百二十八页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五2．目前用的较多的检出人类突变的另一方法，是筛选各种蛋白质或酶的微小变异：例如：镰型细胞贫血症患者基因型HbsHbs

血红蛋白（S）(SS)

正常为HbAHbA血红蛋白（A）（AA)

杂合体HbsHbA具两种血红蛋白的A和S(AS)A与S两种血红蛋白电泳的迁移率不同，通过电泳可以分辩第一百二十九页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五第一百三十页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五现已知Hbs是β6Glu→val该方法的局限是并不是所有氨基酸的代换都能引起蛋白质分子电荷的变化，因此，不是所有氨基酸的改变都能用电泳检出。分子水平：RFLP、AFLP等、基因组序列分析等。第一百三十一页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五第四节基因突变的分子基础一、基因突变的类型◆经典遗传学认为：★基因是染色体上的一个点。◆现代基因概念认为：★基因是DNA分子带有遗传信息的碱基序列区段；★基因是由众多碱基对构成，此时将一个碱基对称为基因的一个座位(site)；★而将基因在染色体上的位置则称为位点(locus)。第一百三十二页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五◆根据突变所引起的表型改变分为：★形态突变型★生化突变型★致死突变型★条件致死突变型◆根据基因结构的改变方式：★分子结构改变（碱基替换；倒位）★移码(插入与缺失)突变一、基因突变的类型第一百三十三页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五碱基对替换第一百三十四页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五根据突变所引起的遗传信息意义的改变：错义突变（missensemutation）:是指DNA分子中碱基改变后引起密码子变化，导致所编码的氨基酸发生替代，从而影响蛋白质功能，以至影响到突变体的表型（图a）。无义突变（nonsensemutation）:是指由于DNA的碱基改变导致编码氨基酸的密码子突变成终止密码子。这种突变引起mRNA翻译提前终止，产生一条短的不完整的多肽链。无义突变通常对所编码的蛋白活性有严重影响，产生突变的表型（图b）。同义突变(沉默突变silentmutation）:是指DNA分子中的碱基改变后，突变的密码子仍然编码原来的氨基酸，并没有引起多肽链中氨基酸的变化。沉默突变对蛋白质的功能无影响，不会引起表型突变（图c），它们以多态的形式在生物体DNA中积累，引起同种生物不同个体间DNA序列的变化。第一百三十五页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五第一百三十六页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五基因突变——血红蛋白β链基因突变第一百三十七页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五缺失、插入和重排引起的突变第一百三十八页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五第一百三十九页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五第一百四十页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五二突变的修复

(一)DNA的防护机制◆密码简并性密码的结构可以使突变的机会减少到最小程度◆回复突变某个座位遗传密码的回复突变可使突变型恢复成原来的野生型，尽管回复突变的频率比正突变频率低得多。◆抑制有基因间抑制和基因内抑制。前者指控制翻译机制的抑制者基因，通常是tRNA基因发生突变，而使原来的无义突变、误义突变或移码突变恢复成野生型。后者指突变基因另一座位上的突变掩盖了原来座位的突变(但未恢复原来的密码顺序)，使突变型恢复成野生型。第一百四十一页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五◆致死和选择如果防护机制未起作用，一个突变可能是致死的◆二倍体和多倍体高等生物的多倍体具有几套染色体组，每个基因都有几份，故能比二倍体和低等生物表现强烈的保护作用第一百四十二页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五(二)DNA的修复

1.光修复

UV是一种有效的杀菌剂。如果使照射后的细菌处于黑暗的条件下，杀死细菌的量与UV的照射剂量成正比。如果照射后让细菌暴露于可见光的条件下，存活细菌较多。★

UV照射能引起很多变异，最明显的变异是引起胸腺嘧啶二聚体(╥)。其次是产生水合胞嘧啶(图10－6)。第一百四十三页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五◆╥结构在DNA螺旋结构上形成一个巨大的凸起或扭曲，这对DNA分子好象是个“赘瘤”。这个“瘤”被一种特殊的巡回酶(patrolingenzyme)，例如光激活酶(photoreactingenzyme)所辨认，在有蓝色光波的条件下，二聚体被切开，DNA回复正常。这种经过解聚作用使突变回复正常的过程叫做光修复(lightrepair)光修复过程第一百四十四页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五◆某些DNA的修复工作可不需光也能进行，例如，大肠杆菌中的UVrA突变体的修复过程由四种酶来完成(图10-8):首先由核酸内切酶在╥一边切开，然后由核酸外切酶在另一边切开，把╥和邻近的一些核苷酸切除；第三种酶(DNA聚合酶)把新合成的正常的核苷酸片段补上；最后由连接酶把切口缝好，使DNA的结构恢复正常。这类修复系统称为暗修复(darkrepair)，或切除修复(excisionrepair)。2.暗修复第一百四十五页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五◆重组修复(recombinationrepair)必须在DNA复制后进行，因此又称为复制后修复。这种修复并不切除胸腺嘧啶二聚体。☆含╥结构的DNA仍可进行复制，但子DNA链在损伤部位出现缺口☆完整的母链与有缺口的子链重组，缺口通过DNA聚合酶的作用，以对侧子链为模板由母链合成的DNA片段弥补。☆连接酶作用下以磷酸二酸键连接新旧链而完成重组修复。3.重组修复第一百四十六页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五◆在切割和修补过程中，特别是新补上的核苷酸片段，有时会造成差错，差错的核苷酸会引起突变(图10－9)。实际上由UV照射引起的这类突变，并不是╥二聚体本身引起，常常是上述修补过程中的差错形成的第一百四十七页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五◆

SOS修复(SOSrepair)属于后复制修复(post-replicationrepair)体系。SOS反应是DNA受到损伤或脱氧核糖核酸的复制受阻时的一种诱导反应。在E.coli

细胞的DNA合成过程中，这种反应由recA-lexA系统调控。SOS反应发生时，可造成损伤修复功能的增强。如uvrA、uvrB、uvrC、uvrD、ssb、recA、recN和ruv基因发达从而增强切除修复、复制后修复和链断裂修复。SOS修复允许新生的DNA链越过损害部分而生长，但可在该区段甚至其它区段产生错配碱基，于是很容易产生新的突变4.SOS修复第一百四十八页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五三自发突变的机理自发突变（spontaneousmutation）是指在自然状态下未经诱变剂处理而出现的突变。自发突变可能是由于DNA复制错误、碱基的异构互变效应、自发的化学变化和转座因子等多种原因引起的。1DNA复制错误在DNA复制过程中，可能产生碱基的错配，带有错配碱基的DNA在下一次复制时，则会引起碱基的替代，从而引起DNA分子的错误。由于DNA分子中的碱基本身存在着交替的化学结构，称为互变异构体（tautomer），当碱基以它稀有的形式出现时就可能与错误的碱基配对，这种碱基化学结构的改变过程称为互变异构移位（tautomericshift）。第一百四十九页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五第一百五十页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五碱基互变异构可以在DNA复制过程中自发发生。它导致的碱基替代如果是发生在同类碱基之间，即一种嘌呤被另一种嘌呤替代，或一种嘧啶被另一种嘧啶替代，这称为转换（transition）；若碱基的替代发生在异类碱基之间，即一种嘌呤被一种嘧啶替代，或反之，则称为颠换（transversion）。第一百五十一页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五在DNA复制时有时新合成链或模板链会发生错误的环出或跳格（slippage），从而导致移码突变（frameshiftmutation）、缺失或重复。图:DNA复制中的错误环出产生的碱基插入和缺失

第一百五十二页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五2自发的化学变化引起自发突变的最常见化学变化是碱基的脱嘌呤（depurination）和脱氨基（deamination）。脱嘌呤是自发化学变化中最常见的一种，它是由于碱基和脱氧核糖间的糖苷键断裂，从而引起一个鸟嘌呤或一个腺嘌呤从DNA分子上脱落下来。研究发现，在37℃条件下培养一个哺乳动物细胞20小时，会有数以千计的嘌呤通过脱嘌呤作用自发地脱落。如果这种损伤得不到修复，就会引起很大的遗传损伤，因为在DNA复制过程中，无嘌呤位点将没有特异碱基与之互补，而可能随机地选择一个碱基插进去，结果导致突变。第一百五十三页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五脱氨基作用是指在一个碱基上去掉氨基，常见的是胞嘧啶（C）和5-甲基胞嘧啶（5mC），它们脱氨基后分别变成尿嘧啶（U）和胸腺嘧啶（T），从而使DNA分子受到损伤。由于在DNA中U不是一个正常碱基，因此如果它不被除去修复，在DNA复制中它将与腺嘌呤（A）配对，导致原来的GC碱基对转变为AT碱基对。图:脱氨基造成的碱基转换第一百五十四页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五生物基因组内存在的可移动DNA序列转座因子（transposon）或插入序列（insertionsequence），它们在基因组内的移动经常引起基因功能的失活或改变。现已知道，在玉米、果蝇等生物中发生的一些典型突变就是由于这类可移动DNA序列的插入所引起。图:转座子或插入序列引起基因突变的机制

第一百五十五页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五第五节基因突变的诱发第一百五十六页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五第一百五十七页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五一、物理因素诱变

(一)电离辐射诱变

(二)非电离辐射诱变

(三)综合效应诱变二、化学因素诱变三、诱发突变的应用第一百五十八页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五一、物理因素诱变第一百五十九页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五

原理：基因的化学物质(DNA)发生电离作用◆当电离辐射的射线碰撞基因任何分子时，射线的能量使基因任何分子的某些原子外围的电子脱离轨道，于是这些原子就从中性变为带正电荷的离子，这叫做“原发电离”。在射线经过的通路上，在形成大量离子对的过程中所产生的电子，多数尚有较大的能量，能引起第二次电离。这叫做“次级电离”。由于从一个原子外层脱离轨道的电子必然被另一个原子所捕获，所以离子是成对出现的，称为离子对。次级电离的结果，轻则造成基因分子结构的改组，产生突变了的新基因，重则造成染色体的断裂，引起染色体结构的畸变

◆间接作用第一百六十页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五◆辐射剂量的表示方法：★X射线、γ射线：伦琴(R)；★中子：积分流量(n/cm2)；★β射线：微居里(μcu/g)。

电离辐射诱变的作用规律第一百六十一页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五(一)电离辐射诱变1.种类：粒子辐射：α射线、β射线(32P、35S)、中子(60钴、137铯)；电磁波辐射：X射线、γ射线。2.方法：外照射：中子、X射线、γ射线；内照射：α射线、β射线。3.原理：基因的化学物质(DNA)发生电离作用。原发电离与次级电离。碱基对、碱基结构破坏、改变基因突变；磷酸二酯键断裂、染色体断裂重接染色体结构变异。第一百六十二页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五第一百六十三页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五第一百六十四页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五(二)非电离辐射诱变◆物理诱变的非特异性：对DNA分子及其核苷酸残基无选择性，所以没有专化性和特异性可言。◆主要是紫外线(380-15nm)：◆紫外线的作用机制：激发作用使原子外围的电子活跃起来，造成基因分子链的离新。这些分子链已经离析的基因在重新组合的时候，不免要发生差错，于是出现基因突变。紫外线(UV)特别作用于嘧啶，使得同链上邻近的嘧啶核苷酸之间形成多价的联合。最通常的结果是促使胸腺嘧啶联合成二聚体；或是将胞嘧啶脱氨成尿嘧啶，或是将水加到嘧啶的C4、C5位置上成为光产物。它可以削弱C—G之间的氢键，使DNA链发生局部分离或变性。第一百六十五页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五主要是紫外线(380-15nm)：紫外线的作用机制：激发作用穿透能力与处理方法最有效波长260nm(嘌呤、嘧啶的共轭环)间接诱变作用物理诱变的非专性：对DNA分子及其核苷酸残基无选择性，所以没有专化性和特异性。第一百六十六页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五第一百六十七页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五第一百六十八页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五(三)综合效应诱变第一百六十九页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五二、化学因素诱变第一百七十页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五1.诱变剂及其种类与作用机制：烷化剂：使碱基烷基化、改变碱基形成氢键的能力，从而改变碱基配对关系；碱基类似物：在复制过程中取代碱基渗入DNA分子，但形成氢键的类型不同，改变碱基配对关系；抗生素：阻碍碱基合成或破坏DNA分子结构。2.作用特点：具有一定的碱基特异性。（一）诱变剂种类与作用第一百七十一页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五第一百七十二页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五(二)碱基类似物替换◆碱基类似物，有5–溴尿嘧啶(5BU)，5—溴去氧尿核苷、2—氨基嘌呤等。这类与DNA碱基类似的化合物，常常能参入到DNA分子中去，好像是它的正常组成成分。它们对DNA的复制影响不大，而是在DNA复制时引起碱基配对上的差错，最终导致碱基对的替换，引起突变。☆转换(transition)

：嘌呤被嘌呤、嘧啶被嘧啶替换的现象☆颠换(transversion：指嘌呤被嘧啶或嘧啶被嘌呤的替换第一百七十三页，共一百九十页，编辑于2023年，星期五◆

5–溴尿嘧啶的分子结构与胸腺嘧啶