遗传学教材 第四章 基因突变及突变的分子基础 配套课件

第四章基因突变及突变的分子基础

基因作为遗传信息单位，位于染色体上，控制生物的性状发育。DNA是携带生物遗传信息的载体，是遗传的分子基础。基因表达就是将基因携带的生物信息释放出来，供细胞利用的过程，或将生物的遗传信息作为性状或特征表现出来的过程。通常所说的基因表达：指基因指导蛋白质合成的过程。

原核生物或真核生物为了适应外界环境条件及自身的需要，都必须不断调控各种不同基因的表达方式。一、经典遗传关于基因的概念基因具有染色体的主要特性，基因在染色体上占有一定位置(位点)是交换的最小单位，基因是一个突变单位，基因是一个功能单位。第一节基因的概念及其发展

二、分子遗传学关于基因的概念生化遗传及早期分子遗传研究在两个重要方面发展了基因的概念：基因是DNA分子上带有遗传信息的特定核苷酸序列区段，并且在染色体上位置固定、序列连续；遗传信息就存在于核苷酸(碱基)序列中。“一个基因一个酶”，基因表达为蛋白质；基因的核苷酸序列决定蛋白质氨基酸序列。基因概念：①可转录一条完整的RNA分子或编码一个多肽链；

②功能上被顺反测验或互补测验所规定。基因相当于一个顺反子，包含许多突变子和重组子。分子遗传学保留了功能单位的解释，而抛弃了最小结构单位说法。三、现代分子遗传学关于基因的概念

(一)现代基因概念基因是DNA分子上带有遗传信息的特定核苷酸序列区段。分子遗传学的大量试验证明，DNA是主要的遗传物质，基因在DNA分子上，一个基因相当于DNA分子上的一定区段，它携带有特殊的遗传信息，这类遗传信息或者被转录为RNA(mRNA、tRNA、rRNA)或者被翻译成多肽链(指mRNA)或者对其他基因的活动起调控作用(调节基因、启动基因，操纵基因)基因由重组子、突变子序列构成的。重组子是DNA重组的最小可交换单位；突变子是产生突变的最小单位；重组子和突变子都是一个核苷酸对或碱基对(bp)。基因可以包含多个功能单位(顺反子)。精密的微生物遗传分析表明，在一个基因的区域内，可以划分出有关突变、重组、功能的三个单位，即突变子，重组子和顺反子。

(1)突变子：它是性状突变时，产生突变的最小单位，一个突变子可以小到只是一个核苷酸对。(2)重组子：在发生性状的重组时，可交换的最小单位，一个交换子只包含一对核苷酸。(3)顺反子：一个作用子所包括的一段DNA与一个多肽链所合成相对应平均大小为500-1500个核苷酸。(二)基因的功能类型根据基因的原初功能可以将基因分为：1.编码蛋白质的基因，即有翻译产物的基因。如结构蛋白、酶等结构基因和产生调节蛋白的调节基因。2.没有翻译产物，不产生蛋白质的基因。转录产物RNA不翻译，如编码tRNA、rRNA。3.不转录的DNA区段。如启动基因、操纵基因。启动基因是转录时RNA多聚酶与DNA结合的部位。操纵基因是阻遏蛋白、激活蛋白与DNA结合的部位。⑴结构基因(structuralgene)指可编码RNA或蛋白质的一段DNA序列。⑵调控基因(regulatorgene)指其表达产物参与调控其它基因表达的基因。⑶重叠基因(overlappinggene)⑷隔裂基因(splitgene)

内含子：在DNA序列中，不出现在成熟mRNA中的片段；外显子：在DNA序列中，出现在成熟mRNA中的片段。指一个基因内部被一个或更多不翻译的编码顺序即内含子所隔裂。断裂基因或隔裂基因即转座因子，指染色体组上可以转移的基因。实质：能够转移位置的DNA片断。

功能：可从这条染色体整合到另一条染色体上引起插入突变、DNA结构变异(如重复、缺失、畸变)。突变的结果很容易通过表现型变异得到鉴别。遗传工程常用：转座子标签法。⑸跳跃基因(jumpinggene)

玉米转座子现象◆转座遗传因子又叫可移动因子，是指一段特定的DNA序列。它可以在染色体组内移动，从一个位点切除，插入到一个新的位点。这种切除和移动，能够引起基因的突变或染色体重组。◆它是McClintock(1956)在玉米上首先发现的。这是遗传学发展史上重要的里程碑之一。①转座因子的发现和鉴定

玉米转座子解离因子（Ds）——染色体的断裂控制因子（Ac）——可以转座，控制Ds因子转座◆在一个试验中，Ds从原来的位点转移到C基因座位。Ds插入C座位后引起：第一染色体在C位点发生断裂；第二C–c的基因突变。这种突变在Ac因子不存在时是稳定的，种子糊粉层无色，植株也不产生色素；但在Ac存在时，有些细胞可以发生由c–C的回复突变，所以种子糊粉层和植株都会出现有色斑点②转座因子的结构特性Ⅰ.原核生物的转座因子A．插入因子◆插入因子(insertionsequence，IS)是已知具有转座能力最简单的遗传因子，长度大都小于2kb，最少的如IS1只用768bp。◆它们的一个共同特征是，在它们的末端都具有一段反向的重复序列(IR)。但其长度并不一定相等。例如IS10左边IR序列是17bp，右边是22bp。◆是由几个基因组成的特定的DNA片段，而且往往带有抗菌素抗性基因，所以易于鉴定。根据结构特性的不同，分为：★复合转座子：由2个同样的IS因子连接抗菌素抗性片段的两侧构成的。★

Tnp3系转座子：长度约为5000bp。末端有一对38bp的IR序列。每个转位子都带有3个基因:一个是编码对氨苄青霉素抗性的β–内酰胺酶(β–lactamase)基因，其它二个是编码与转座作用有关的基因，TnpA和TnpRⅡ.转座子(transposons)Ⅲ.Mu噬菌体(Mu)

是大肠杆菌的温和噬菌体，溶源化后，能起到转座子的作用。和转座子一样，它也含有与转座有关的基因和反向重复序列。Mu能够整合进寄主染色体，催化一系列染色体重新排列。③真核生物的转座因子

◆

Ac因子：4563bp，带有两个与转座有关的基因，这两个酶基因从一个连接它们的共同起点开始，分别向两个方向进行转录。在两个基因未端还有两个不编码的序列，最后是由11个核苷酸组成的反向重复区。它通过由8个核苷酸组成的靶子位点重复DNA与受体基因连接起来。◆

Ds因子大小差别很大。Ds9很象Ac，只是缺失3194个核苷酸。而一个最小的Ds因子只有Ac长度的1/10，仅仅包括了Ac因子的未端反向重复区(图10-17)◆转座机制研究最清楚的是细菌的转座子。转座子的转座一方面依赖于必要的结构即两端的IR序列，另一方面依赖于基因的作用。和转座有关的蛋白质一般都由转座子本身的基因所编码。转座过程是一个非同源重组过程，通过这一重组过程转座子出现在一个新的位置上，可是原来位置上的转座子并不消失。虽然已经有一些企图说明转座过程的分子机制模型，但它们的确切机制还有待进一步研究。④转座因子的应用

作为基因的标记克隆目的基因

⑹假基因(pseudogene)指在染色体组上存在多份拷贝的基因。重复基因往往是生命活动中最基本、最重要的功能相关的基因。最典型的重复基因是rRNA、tRNA和组蛋白基因等。⑺重复基因基因突变(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)。第二节基因突变及其特征一、基因突变的概念及其类别（一）基因突变的概念◆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。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。（二）基因突变的类别1.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。2.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）

控制质量性状的基因突变属于大突变。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。（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。（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◆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。二、基因突变的时期和特征（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

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。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。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。（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1.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。◆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）。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。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。

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。突变频率表4-1

各种生物的某些座位的自发突变率2.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。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。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)：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。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。突变的多方向性与复等位基因突变的多方向性与复等位基因突变的多方向性与复等位基因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(Nicotiana

forgationa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。★其机理如下图野生烟草交配亲和性遗传机理3.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。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。小鼠(Mus

musculus)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。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。突变的有害性与有利性：突变的有害性与有利性：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：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。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。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。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4.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。突变的平行性自然界生物突变现象不同肤色的老鼠自然界生物突变现象不同肤色的蛇自然界生物突变现象不同翅膀的果蝇自然界生物突变现象不同眼色的果蝇自然界生物突变现象果蝇眼色的变异自然界生物突变现象翅膀羽毛的变化自然界生物突变现象孔雀翅膀羽色的变异自然界生物突变现象猫眼色变异蜜蜂绿眼变异自然界生物突变现象白化变异自然界生物突变现象自然界生物突变现象自然界生物突变现象自然界生物突变现象自然界生物突变现象自然界生物突变现象＊自然界生物突变现象自然界生物突变现象自然界生物突变现象自然界生物突变现象自然界生物突变现象自然界生物突变现象自然界生物突变现象自然界生物突变现象自然界生物突变现象自然界生物突变现象自然界生物突变现象自然界生物突变现象自然界生物突变现象自然界生物突变现象自然界生物突变现象自然界生物突变现象自然界生物突变现象自然界生物突变现象自然界生物突变现象自然界生物突变现象自然界生物突变现象自然界生物突变现象自然界生物突变现象自然界生物突变现象自然界生物突变现象自然界生物突变现象自然界生物突变现象自然界生物突变现象自然界生物突变现象自然界生物突变现象第三节基因突变的表现与鉴定一、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。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。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。*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)。三、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。（一）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。

（二）植物基因突变的鉴定

1.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)。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。2.突变显隐性的鉴定3.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。(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：(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

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。(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。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。

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。(三)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)。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。1.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：2.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。红色面包霉生长突变的诱发和鉴定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。(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。

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。（四）人类基因突变的鉴定人的突变的检出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。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。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Hbs

Hbs

血红蛋白（S）(SS)

正常为HbA

HbA

血红蛋白（A）（AA)

杂合体Hbs

HbA

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。第四节基因突变的分子基础◆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)。◆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、基因突变的类型碱基对替换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。基因突变——血红蛋白β链基因突变缺失、插入和重排引起的突变二突变的修复

(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。◆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(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)。◆╥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◆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◆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◆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◆

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）。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）。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

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。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

第四节基因突变的诱发及突变的分子基础自然条件下各种动、植物发生基因突变的频率不高，它可保持生物种性的相对稳定性。但不利于动、植物育种。因此，穆勒和斯特德勒于1927年用X射线开始研究人工诱变，结果证实人工诱发基因突变可以大大提高突变率。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、诱发突变的应用一、物理因素诱变物理因素各种电离辐射

+非电离辐射。基因突变需要相当大的能量辐射是很好的能量来源。能量较高的辐射，如紫外线，除产生热能外，还能使原子“激发”(activation)；能量很高的辐射如X射线、γ射线、α射线、β射线、中子等除产生热能、激发原子，还能使原子“电离”(ionization)，诱使基因发生突变。辐射诱变的作用是随机的（无特异性）性质和条件相同辐射è诱发不同的变异，性质和条件不同的辐射è诱发相同的变异。

∴当前只能期望通过辐射处理得到随机变异。（一）电离辐射诱变诱发育种中常用射线射线穿透力辐射源应用时间照射方法Xγβ中子较强强弱弱X光机60Co、137Cs

32P、35S、14C、65Zn核反应堆或加速器如钋-铍中子源早(1927)较早较迟最近外照射外照射内照射(浸泡或注射)外照射中子诱变效果好，今年来应用日益增多。内照射：

一般是用浸泡或注射法，使辐射源渗入生物体内，在体内放出射线(如β)进行诱变。外照射：

辐射源与接受照射的物体间保持一定距离，让射线从物体之外透入体内诱发基因突变。基因突变率与辐射剂量或正比提高总剂量可以提高突变率è但过高剂量会引起不育、畸形、叶绿体突变率增加、甚至植株死亡等问题。基因突变率一般不受辐射强度的影响照射总剂量不变时，不管单位时间内所照射的剂量多少，其基因突变率保持不变。（二）非电离辐射诱变主要是紫外线照射，其波长较长(380~15nm)、穿透能力弱，一般应用于微生物或高等生物配子诱变。

①紫外线诱变的最有效波长为260nm

(正是DNA所吸收的紫外线波长)

紫外线直接诱变作用在于被DNA吸收è能促使分子结发生离析、进而引起突变。

②紫外线还有间接诱变作用：紫外线照射培养基è培养微生物è提高微生物的突变率。

原因:是经紫外线照射培养基会产生过氧化氢(H2O2)è可作用于氨基酸而导致微生物突变。

∴说明辐射诱变的作用并不是靠它去直接影响基因本身，改变基因环境也能间接地起诱变作用。紫外线(UV)：

主要作用于嘧啶，使得同链上邻近的嘧啶核苷酸之间形成多价的联合。

★

使T联合成二聚体。

★

C脱氨成U；

★

将H2O加到的嘧啶C4、C5位置上成为光产物，削弱C-G之间的氢键，使DNA链发生局部分离或变性。（三）综合效应诱变

在太空中进行空间诱变是一有效的人工诱变技术。太空中大量存在着各种物理射线可诱发突变，其它诸如失重、真空、超净、无地球磁场影响以及卫星发射和返回时的剧烈震动等因素也是产生诱变的重要原因。上述诱变因素的共同作用也会影响诱变效果。

太空生物学研究不断深入。目前国外主要侧重研究突变体的生理生