基因突变与遗传标记

关于基因突变与遗传标记12一、基因突变的概念1．基因突变（genemutation）：指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）。２．摩尔根等1910年发现果蝇眼色的突变(W

w)，并进行鉴定与分析，从而明确证实基因突变的存在。

可遗传的变异，可以通过基因重组来实现，以上各章就是有关这方面的内容；还可以通过基因突变来实现，基因突变是生物进化的主要源泉。基因突变在生物中广泛存在，但是基因突变首先由摩尔根（1910年）通过果蝇的实验中得到肯定的。突变可以自然发生，也可以利用理化因素人工诱导，是创造育种材料的重要手段。第一节、基因突变的概念及其一般特征第2页,共32页，2024年2月25日，星期天3３．突变体：指由于基因突变而表现突变性状的细胞或个体。突变体也称为突变型(mutant)。４．突变的表现（１）显性突变：突变产生的新基因对原来的基因表现为显性。（２）隐性突变：突变产生的新基因对原来的基因表现为隐性。５．突变率：指每一配子发生突变的概率，即用一定数目的配子中发生突变的配子数来表示。又可分为自然突变率和人工突变率，不同基因自然突变率各不相同，一般用百万分之几来表示。６．基因突变的意义（１）基因突变形成的不同等位基因及其相对性状差异是人们发现该基因(位点)存在的前提；（２）是生物进化过程中自然选择的源泉；（３）也是生物遗传育种的重要基础。如矮秆基因的利用；植物雄性不育基因(细胞质基因突变)的利用。第3页,共32页，2024年2月25日，星期天4二、基因突变的时期１．基因突变的来源（１）自然发生：自然界的因素；（２）人工诱发：理化因素，更高突变频率。２．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。３．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。４．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)。第4页,共32页，2024年2月25日，星期天5三、基因突变的一般特征1、突变的重演性和可逆性（１）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。（２）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)。（３）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5页,共32页，2024年2月25日，星期天62、突变的多方向性与复等位基因（１）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。（２）复等位基因(multipleallele)：位于同一基因位点上的多个等位基因。

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。

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。这一特性由15个复等位基因(S1,S2,…,S15)控制。第6页,共32页，2024年2月25日，星期天73、突变的有害性和有利性

（１）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，原因如下：

a.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。

b.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。

c.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。

d.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。第7页,共32页，2024年2月25日，星期天8（2）突变的有利性

突变的有害和有利性是相对的，在某些情况下，基因突变的有害与有利性可以转化。

a.对突变性状表现当代及后代群体而言:

如抗逆性(抗生物、非生物协迫)突变是有利的。

b.对后代群体在特殊环境中生存而言：

如作物矮秆突变型在多风与高肥环境下是有利的；又如果蝇残翅突变型在多风海鸟环境下是有利的。

c.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。B.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。第8页,共32页，2024年2月25日，星期天94、突变的平行性

指亲缘关系相近的物种因为遗传基础比较接近，往往会发生相似的基因突变。根据这一学说，如果一个物种或更大的生物分类单位中存在某种类型的变异，与其同类的生物中也可以预期得到这些变异类型。如：禾本科植物籽粒性状变异、矮秆突变。第9页,共32页，2024年2月25日，星期天10四、基因突变的性状表现1、显性突变和隐性突变（1）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。（2）一般用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。（3）显性突变与隐性突变的性状表现也有所不同：

a.显性突变表现早，纯合慢；

b.隐性突变显性突变表现晚，纯合快。2、大突变与微突变

（1）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。

（2）微突变：突变基因的表型变异微小，较难识别，主要是控制数量性状的微效应基因发生的突变。已有研究表明：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10页,共32页，2024年2月25日，星期天11五、基因突变发现后的主要研究内容

当基因突变表现出来之后，就要对其进行深入的研究与利用，相关的研究内容可能包括：

1、突变的产生：如何产生、提高突变率、控制突变方向；

2、突变的真实性鉴定：是否能稳定遗传；

3、突变基因的性质：显性/隐性；

4、突变频率的测定；

5、其它深入研究：如基因定位(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)等。第11页,共32页，2024年2月25日，星期天12第二节、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；而将基因在染色体上的位置则称为位点(locus)。1、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。2、根据基因结构的改变方式分为：分子结构改变（碱基替换；倒位）、移码（插入与缺失）突变。第12页,共32页，2024年2月25日，星期天133、根据突变所引起的遗传信息意义的改变分为：（1）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。（2）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。（3）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，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13页,共32页，2024年2月25日，星期天14二、突变的防护机制1、密码简并性：

密码的简并性可以使突变的机会减少到最小程度。2、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。3、抑制：存在基因间抑制和基因内抑制现象。前者指控制翻译机制的抑制基因，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。4、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，这样的突变在后代群体中不表现出来而淘汰。5、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。6、突变的修复：光修复、暗修复、重组修复和SOS修复。第14页,共32页，2024年2月25日，星期天15三、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。

1、DNA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。

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）。第15页,共32页，2024年2月25日，星期天16

（1）在某些生物的基因组内存在可移动DNA序列，称为转座因子（transposon）或插入序（insertionsequence）。它们通过在基因组内的移动而经常引起基因功能的失活或改变。

（2）现已知道，在玉米、果蝇等生物中发现一些典型的突变就是由于这类可移动DNA序列的插入或移动而引起的。

转座子或插入序列引起基因突变的机制

3、转座因子引起基因突变第16页,共32页，2024年2月25日，星期天17一、物理因素诱变1、辐射诱变的种类和方法（1）种类

a.粒子辐射：α射线、β射线（32P、35S）、中子（60钴、

137铯）；b.电磁波辐射：X射线、γ射线、紫外线。

c.电离辐射:由α射线、β射线、X射线、γ射线、中子引起的辐射。

d.非电离辐射：专指由紫外线引起的辐射。（2）方法外照射：中子、X射线、γ射线；辐射源与物体间保持一定的距离。b.内照射：α射线、β射线穿透力弱，常为β射线，如用32P、

35S浸种或让植物吸收后而引起的辐射。第三节、基因突变的诱发第17页,共32页，2024年2月25日，星期天18

2、电离辐射（1）电离辐射的原理

a.直接作用：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

b.间接作用：引起其它物质电离而发生化学变化，从而对遗传物质发生作用。第18页,共32页，2024年2月25日，星期天19a.辐射剂量：指单位质量被照射的物质所吸收的能量数值。剂量越大，基因突变率越高。辐射剂量的表示方法：X射线、γ射线用伦琴(R)表示、中子用积分流量(n/cm2)、β射线用微居里(μcu/g)。

b.辐射强度：指单位时间内照射的剂量数，即剂量率。总剂量不变，突变率也不变，不管辐射强度如何。

c.

突变率与辐射剂量和强度的关系：突变率与辐射总剂量成正比；突变率与剂量率（辐射强度的影响）无关。（2）电离辐射的剂量和强度第19页,共32页，2024年2月25日，星期天203、非电离辐射诱变

总之，不管是电离辐射还是非电离辐射，物理诱变是非特异性的：因其对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。

非电离辐射就是指紫外线（15-380nm）辐射。（1）紫外线的直接作用机制：只能产生激发作用，不能使原子电离。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析。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。（2）紫外线的间接作用：产生H2O2，而起化学诱发作用。第20页,共32页，2024年2月25日，星期天21二、化学因素诱变

1、化学诱变剂及其种类：（1）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；（2）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；（3）抗生素：阻碍碱基合成或破坏DNA分子结构。2、化学诱变剂的作用机理（1）妨碍DNA某一成分合成这类诱变物质有5–氨基尿嘧啶、8—乙氧基咖啡碱、6–疏基嘌呤等。前二种碱基妨碍嘧啶的合成，6–疏基膘呤妨碍嘌呤的合成，从而导致被处理生物的突变。

第21页,共32页，2024年2月25日，星期天22（２）碱基类似物替换

碱基类似物，有5–溴尿嘧啶(5-BU)，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22页,共32页，2024年2月25日，星期天23（３）直接改变DNA某些特定的结构

a.

凡是能和DNA起化学反应并能改变碱基氢键特性的物质，叫做DNA诱变剂。属于这类诱变剂的有亚硝酸、烷化剂和羟胺等。

b.

亚硝酸可以在pH5的缓冲溶液中通过氧化作用，以氧代替腺膘玲和胞嘧啶C6位置上的氨基，使腺嘌呤（A）变成次黄嘌呤(H)、胞嘧啶（C）变成尿嘧啶（U）

c.

改变了的碱基，它的氢键特性也改变了。H的配对特性象G，容易和C配对成H–C；U的配对特性象T，和A配对成A–U。在下一次DNA复制时完成AT→GC，GC→AT的转换。第23页,共32页，2024年2月25日，星期天24

d.烷化剂是目前应用最广泛而有效的诱变剂。最常用的有甲基磺酸乙酯(EMS)，甲基磺酸甲酯(MMS)、亚硝酸胍等。它们都带有一个或多个活泼烷基，这些烷基能够移到其它电子密度较高的分子中去，从而改变氢键的结合能力。

烷化作用最容易发生在G的N7位置上，形成7–烷基鸟嘌呤。7–烷基鸟嘌呤可与胸腺嘧啶配对，使GC→AT转换。

烷化作用使DNA的碱基容易受到水解而从DNA链上裂解下来，造成碱基的缺失。

烷化剂的另一个作用是与磷酸结成不稳定磷酸酯，磷酸酯水解成磷酸和脱氧核糖，使DNA链断裂，而引起突变。总之，化学诱变具有一定的特异性和专一性，可引起定向诱变。第24页,共32页，2024年2月25日，星期天25第四节遗传标记

一、遗传标记的概念遗传多样性是遗传信息的总和，一般指种内的可遗传的变异，即种内不同种群之间或一个种群内不同个体的遗传变异的总和。遗传标记是表示遗传多样性有效手段，但在科学发展的不同时期所用的遗传标记手段是不同的。遗传标记是指可遗传的、特殊的、易于识别的表现形式；具体包括形态标记、细胞学标记、生化标记和分子标记等四种类型。二、遗传标记具有的两个基本特征

可遗传性和可识别性。三、可利用的遗传标记应具备以下四个条件（1）多态性高；（2）表现共显性，能够识别出纯合基因型和杂合基因型；（3）对主要农艺性状影响小；（4）经济方便，容易观察记载。第25页,共32页，2024年2月25日，星期天26四、

遗传标记的主要类型

1、形态标记（1）形态标记是指植物的外部形态特征，包括肉眼可见的外部特征，如矮杆、紫鞘、叶色等；也包括色素、生理特性、生殖特性、抗病抗虫性等一些特性。（2）形态标记优缺点

a.优点是简单直观、经济方便。

b.缺点是形态标记数量有限，多态性较差，表型易受环境影响，有些标记与不良性状连锁，培育形态标记材料所需周期长。（3）形态标记的获得一般通过自然突变、理化诱变方法来获得具有特定形态特征的标记材料，通过二点、三点连锁测验法来确定标记基因与目标性状之间的关系。第26页,共32页，2024年2月25日，星期天272、细胞学标记（1）细胞学标记是指植物细胞中染色体的变异，包括染色体核型和带型的变异。（2）细胞学标记优缺点

a.优点是能进行一些重要基因的染色体或染色体区段定位，测定基因所在染色体的相对位置，也可以通过染色体置换等进行基因定位。

b.缺点是有些植物对染色体变异反应敏感，有的变异难以用细胞学方法进行检测；培育细胞标记材料需要较多的人力和较长的时间，难度也较大，到目前为止可资利用的细胞学标记仍屈指可数。（3）细胞学标记的获得主要通过诱发染色结构与数目的变异来获得，如单体、易位系、三体、缺体等。第27页,共32页，2024年2月25日，星期天283、生化标记（1）生化标记主要包括贮藏蛋白、同工酶和等位酶等标记。此法主要依据部分化学成份，尤其是有效成份进行标记和分类。（2）生化标记的方法是在提植物组织的蛋白粗提物，通过电泳和组织化学染色法将酶或蛋白质的多种形式转变成肉眼可见的谱带带型进行比较。（3）生化标记的标记优缺点

a.优点主要表现在三个方面：一是可直接采集组织、器官等少量样品进行分析，二是表现近中性，对植物经济性状一般没有不良影响；三是直接反映了基因产物的差异，受环境的影响较小。

b.缺点是有些酶的染色方法和电泳分离技术有一定的难度，使应用受到一定的限制；目前可用的生化标记还相当有限。第28页,共32页，2024年2月25日，星期天294、分子标记（1）分子标记是以生物大分子的多态性为基础的一种遗传标记，广义的分子标记是指可遗传且可检测的DNA序列或蛋