第二节基因突变和诱变育种

引起移码突 变的诱变剂：主
要是吖啶类染料，
如吖啶黄、吖啶 橙等等。
这类化合物
都是平面型的三
环分子，它们的
结构与一个嘌 呤—嘧啶对十分 相似。
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
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。

转座：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（transposible element）：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 （jumping gene）或可移动基因（movable gene）。
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突变。 产生原因：

由背景辐射和环境因素引起，如天然的宇宙射线等 微生物自身有害代谢产的诱变效应，如过氧化氢。
（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。）
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。

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。
基因突变的原因是多种多样的，可以是自发的或诱发 的，诱变又可分为点突变和畸变。具体类型可归纳如下：
1. 诱发突变

诱发突变（诱变）：通过人为的方法，利用物理、化 学或生物因素显著提高基因字符突变频率的手段。

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。
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
第二节 基因突变和诱变育种
一、基因突变
突变（ mutation ）：指生物体的表型突然发生的可遗 传变化。 染色体畸变——细胞学上可以看到染色体的变化 突变 基因突变——细胞学上看不到遗传物质的变化 突变体（mutant）：发生了突变的微生物细胞或菌株 野生型（wild type）：从自然界分离到的任何微生物在其发
3. 平板影印培养试验 （replica plating）
平板影印培养不仅
在微生物遗传理论
的研究中有重要应 用，而且在育种时 间和其它研究中均 有应用。
在根本未接触过任何一点链霉素的情况下，就可 以筛选到大量抗链霉素的突变株，充分说明了突变是 自发产生的，链霉素只是起到了一种检出作用。
（五）基因突变及其机制
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恢复突变株 （back mutant或reverse mutant）或抗性突变株特别是抗药性突 变株的方法来加以确定。

由DNA复制过程中碱基配对错误引起。
（六）紫外线对DNA的损伤及其修复

发现较早和研究得较深入的是紫外线（U.V.，ultraviolet ray）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
用。
（2）移码突变

frame-shift mutation 或 phase-shift mutation，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-shift mutant）。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。 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。
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：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。

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）碱基置换（substitution） 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（point mutation）。它只
涉及一对碱基被另一对碱基所置换。
分类：转换（transition；颠换（transversion 诱变剂即可同时 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
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。
5-BU引起的转换
– –
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。
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。 HNO2
胞嘧啶（C） 腺嘌呤（A）
尿嘧啶（U） 次黄嘌呤（H）
HNO2
HNO2
鸟嘌呤（G）
黄嘌呤（X）

于解决了这场纷争。
1. 变量试验fluctuation test
变量试验
又称波动试 验或彷徨试 验。
1943年，S.
E. Luria 和
M. Delbrü ck 根据统计学
原理，设计
了左方的实 验。
2.涂布试验 计 算 突 变 率 。
原 理 与 变 量 试 验 相 同 ， 方 法 更 为 简 便 ， 且 可
（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：突变可在没有人为诱变因素处理下自发地产生。 不对应性：突变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。
独立性：各种突变独立发生，不会互相影响。
可诱变性：诱变剂可提高突变率。 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（forward mutation），从突变株回到野生型的 过程则称为回复突变或回变（back mutation或 reverse mutation）。
条件致死突变型——突变后在某种条件下可正常生长繁殖， 而在另一条件下却无法生长繁殖的突变型
抗原突变型——因突变而引起的抗原结构发生改变
产量突变型——通过基因突变而产生的在代谢产物产量上明 显有别于原始菌株的突变株。
★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（selective mutant）：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-selective mutant）：无选择标记（如产
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。
亚硝酸引起的AT-GC转换细节
★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(5BU)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，
★染色体结构上的变化：
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