第七章基因突变

本章主要内容一、基因突变的时期和特征二、基因突变的性质和表现三、基因突变的分子基础及鉴定四、转座因子基因突变：是摩尔根于1910年首先肯定的，他在大量的红眼果蝇中发现了一支白眼突变果蝇。大量研究表明，在动、植物以及细菌、病毒中广泛存在基因突变的现象。基因突变(Gene Mutation)： 指染色体上某一基因位点内部，由于DNA碱基对的置换、增添或缺失而引起的基因化学性质的变化，亦称点突变(Point Mutation)；与原来基因形成对性关系。如：高秆基因D突变为矮秆基因d突变 基因突变(点突变)点突变染色体结构变异染色体数目变异狭义广义孟德尔遗传以及连锁遗传中论述的可遗传变异均是由于基因重组的结果，不是基因本身发生了质的变化。如：黄子叶、园粒 绿子叶、皱粒 黄、园， 黄、皱， 绿、园， 绿、皱本章讨论染色体上基因发生改变。 第一节 基因突变的现象、时期和特征一、生物性状突变的现象二、基因突变的时期三、基因突变的一般特征、突变的重演性和可逆性 、突变的多方向性和复等位基因、突变的有害性和有利性、突变的平行性一、生物性状突变的现象1. 基因突变广泛存在： 如：黑眼老鼠 红眼老鼠；小麦红粒白粒； 水稻矮生性、棉花短果枝、玉米的糯性胚乳等性状。 由于基因突变而表现突变性状的细胞或个体，称为 突变体(mutant)，或称突变型。不同皮色的老鼠 不同肤色的蛇 不同眼色的果蝇 月季的红花和白花 花柱外露突变体 红麻正常花 红麻长花柱突变体 苹果熟色变异 玉米籽粒颜色突变 二、基因突变的时期：1. 生物个体发育的任何时期中均可发生突变， 即，体细胞 和 性细胞 均能发生突变。2. 性细胞的突变率高于体细胞： 性细胞在减数分裂末期对外界环境条件的敏感性较大； 性细胞发生的突变可以通过受精过程直接传递给后代，而体细胞则不能。3. 突变后的体细胞常竞争不过正常细胞，会受到抑制或最终消失；需及时与母体分离无性繁殖或经有性繁殖传递给后代。许多植物的“芽变”就是体细胞突变的结果： 发现性状优良的芽变及时扦插、压条、嫁接或组织培养繁殖和保留。如：温州密桔 温州早桔。4. 基因突变通常独立发生： 某一基因位点的一个等位基因发生突变时，不影响另一个等位基因，即等位基因中两个基因不会同时发生突变(AA，aa)。.性细胞：AAAa 为隐性突变，当代不表现，F2表现。 aaAa 为显性突变，当代即能表现。.体细胞： aaAa，当代即能表现，与原性状并存，形成镶嵌现象或嵌合体。如：蕃茄果肉、苹果的半红半黄现象。 观赏桃花，一朵花上有不同颜色。苹果体细胞突变 花色体细胞突变 三、基因突变的一般特征：、突变的重演性和可逆性:、突变的多方向性、突变的有害性和有利性、突变的平行性、突变的重演性和可逆性:1.重演性：同一生物不同个体间可以多次发生同样的突变。又如： 玉米br-z矮生基因(brachtic-2) 的主要遗传效应是抑制节间的伸长。在不同省份的玉米品种中均已发现br-z矮生基因，如：辽宁的“马圈快”； 山西的“金皇后”； 河南的“武步矮”； 四川的“龙门大心”和“搬不倒”。 2. 可逆性：象许多生化反应过程一样是可逆的。 显性基因A通过正突变(u) 形成隐性基因a， 又可经过反突变(v) 又形成显性基因A。例如：频率：正突变率 反突变率，即u v 自然突变多为隐性突变，而隐性突变多为有害突变。正突变(u)水稻有芒 A无芒 a反突变(v)、突变的多方向性1. 基因突变的方向不定，可多方向发生：如A a，可以A a1、a2、a3、等对A都是隐性。同时， a1、a2、a3、之间的生理功能与性状表现各不相同。?遗传试验表明： AAa1a1 F2呈31 a1a1a2a2 F2呈121说明它们位于同一基因位点上，即同一染色体位置上。 2. 复等位基因： 指位于同一基因位点上各个等位基因的总体。 复等位基因并不存在于同一个体中，而是存在于同一生物群内，如，人类的ABO血型，3个复等位基因IA、IB和i 。 烟草的自交不亲和性， 15个复等位基因S1、S2、S15控制自花授粉不结实性。 复等位基因的出现 增加生物多样性 提高生物的适应性 提供育种工作更丰富的资源 使人们在分子水平上进一步了解基因内部结构。复等位基因广泛存在于生物界。 、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。 某一突变 打破基因间固有的平衡关系打乱代谢关系 引起程度不同的有害后果 一般表现为生育反常或导致死亡。致死突变(lethal mutation)：即导致个体死亡的突变。 突变的黄色基因AY对黑色基因a为显性， 但AY具有纯合致死的效应。 在黑色鼠中发现一种黄色突变型，但从未获得 纯合的黄色个体。 植物中，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。遗传表现如下： 绿株绿株3绿株：1白化苗(死亡)WWWwWW +Wwww自交突变中性突变(neutral mutation) ： 控制次要性状的基因发生突变，不影响该生物的正常生理活动，因而仍能保持其正常的生活力和繁殖力，被自然选择保留下来。例如：水稻有芒 无芒 水稻希望无芒 小麦红皮白皮 南方希望红粒2. 突变的有利性： 突变的有害性是相对的，而不是绝对的；在一定条件下突变效应可以转化，有害有利， 如，高秆 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、生长茁壮。有些突变，不但无害，而且有利， 如 抗倒、抗病、早熟、雄性不育等突变。、突变的平行性突变的平行性：亲缘关系相近物种因遗传基础近似， 常发生相似的基因突变。根据突变平行性的存在，如果一个物种或属内发现一些突变类型，可以预期在同种的其他物种或属内也会出现类似的突变，这对人工诱变有一定的参考意义 。例如：小麦有早、晚熟变异类型，属于禾本科其它物种，如黑麦、高粱、玉米、水稻等同样存在着这些变异类型。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二、大突变和微突变的表现一、显性突变和隐性突变的表现1. 基因突变表现世代的早晚和纯化速度的快慢，因显隐性而有所不同。在自交的情况下： dD 显性突变，性状表现早(M1)、纯合迟(M3)；因显性有杂合。Dd 隐性突变，性状表现迟(M2)、纯合早(M2)。2.体细胞突变：.隐性基因 显性基因，当代个体以嵌合体形式表现出突变性状，要从中选出纯合体，需要有性繁殖自交两代。.显性基因 隐性基因，当代为杂合体 (但不表现、呈潜伏状态)，要选出纯合体，需有性繁殖自交一代。二、大突变和微突变的表现基因突变引起性状变异的程度是不同的： 1.大突变： 突变效应大，性状差异明显，宜于识别，多为质量性状。例：豌豆籽粒园 皱、玉米籽粒非糯 糯2.微突变： 突变效应小，性状差异不大，较难察觉，多为数量性状。 例：玉米果穗的长短、小麦籽粒的大小。试验表明，在微突变中出现的有利突变率大突变。 第三节 基因突变的鉴定一、植物基因突变的鉴定. 突变发生的鉴定. 显、隐性的鉴定. 突变率的测定二、生化突变的鉴定. 红色面包霉的生化突变型. 红色面包霉生化突变的鉴定方法一、植物基因突变的鉴定、突变发生的鉴定: 经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、突变频率的高低，都应进行鉴定。由基因发生某种化学变化而引起的变异是可遗传，而由一般环境条件导致的变异是不遗传的。例：高秆矮秆，其原因： 有基因突变而引起；因土壤瘠薄或遭受病虫为害等而生长不良。 后代仍为矮秆，则是基因突变引起的。 ?鉴定方法： 可将变异体与原始亲本在同一栽培条件下比较。高秆 矮秆 后代为高秆，则不是突变，由环境引起；、显、隐性的鉴定:显性突变和隐性突变的区分，可利用杂交试验加以鉴定。如：突变体矮秆株原始品种(高) F1 高秆 ? F2 有高秆、也有矮秆， 说明该突变属于隐性突变。、突变率的测定:1.基因突变率很低：不同生物和不同基因有很大差别。许多致癌因子会增加基因突变的频率。2.自然条件下突变率：.高等生物：110-6 110-8，即100万 1亿配子中有1个突变，故突变率较低、突变范围较小。.低等生物：110-4110-8，即1/1万 1 / 1亿，如细菌。3.突变体(mutant) ：基因突变而表现出突变性状的细胞或个体。4.突变率的估算：突变频率：突变个体数占总个体数的比数。 基因突变率的估算因生物生殖方式而不同，不同生物的不同基因，各有一定的突变频率。5.突变率的测定：.花粉直感：估算配子的突变率。例：玉米非甜Su 甜粒suPsusuSuSu() 对父本进行射线处理F1大部分为Susu，极少数为susu这在当代籽粒上即可发现(理论上应全部为Susu)。如果10万粒种子中有5粒为甜粒，则 突变率 = 5/100000 = 1/2万. 根据M2出现突变体占观察总个体数的比例进行估算。突变率：M2突变体数/ 观察总个体数 大麦诱发隐性突变表现的过程 二、生化突变的鉴定1941年比德尔(Beadle)研究红色面包霉发现基因通过酶的作用来控制性状提出“一个基因一个酶”假说把基因与性状两者联系起来。生化突变: 由于诱变因素影响导致生物代谢功能的变异。、红色面包霉的生化突变型:1.基本培养基：野生型可在这种培养基上生长。水+ 无机盐+ 糖类+ 微量生物素(VB的一种) 。2.完全培养基：各种突变型可以在这种培养基上生长。 基本培养基+ 多种氨基酸+ 多种维生素3.红色面包霉的突变型： 红色面包霉合成其生活所需物质, 要经过一系列生化过程 而每一过程由一定的基因所控制。例. 有三个红色面包霉突变型(a、c、o)如下： 突变型(a)，只有提供Arg时才能生长，丧失其合成能力。突变型(c)，有Arg时能生长，但不给Arg而只给瓜氨酸也能生长。说明它能利用瓜氨酸合成Arg。 突变型(o)，在有Arg或瓜氨酸时能生长；而只给鸟氨酸也能生长。说明它能利用鸟氨酸最终合成Arg 可以推论精氨酸合成步骤为： o c a前驱物鸟氨酸瓜氨酸精氨酸蛋白质 从鸟氨酸 Arg的合成至少需要A、C、O三个基因。、红色面包霉生化突变的鉴定方法:1.诱发突变：以X射线或紫外线照射纯型分生孢子，可以诱发突变。 纯型分生孢子 X射线处理 处理后的分生孢子与野生型交配 产生分离的子孢子置于完全培养基里生长产生菌丝和分生孢子。2. 鉴定突变：.鉴定突变是否发生：从完全培养基上生长的各组分生孢子取出一部分 置于基本培养基上 观察生长。 能生长：未发生突变不能生长：则表示已发生突变。.鉴定突变属于何种突变：把突变型材料跟其它组分开 从完全培养基里取出 培养在几种不同培养基内 明确发生突变的基因。第四节 基因突变的分子基础一、突变的分子机制1.突变的基本单位2.基因突变的类型3.诱变机理二、突变的修复.DNA的防护机制.DNA的修复一、基因突变的分子机制1.突变的基本单位:位点(1ocus) ： 在细胞水平上，基因相当于染色体上的一点；座位(site)： 在分子水平上，一个核苷酸对即一个座位，其中一个碱基发生改变可产生一个突变，所以也称突变子。因此，突变就是基因内不同座位的改变，这种由突变子的改变而引起的突变称为真正的点突变。位点(1ocus) -AAACGTCTAGCTAAGGCT-TTTGCAGATCGATTCCGA-座位(site)，突变子2. 基因突变的类型按基因结构的改变方式，可分为: 置换突变 转换：同型碱基对替换 AG、TC，颠换：异型碱基对替换 AC、GT倒位突变： 移码突变：A GT C转换颠换2. 基因突变的类型按基因结构的改变方式，可分为: 置换突变 转换：同型碱基对替换 AG、TC，颠换：异型碱基对替换 AC、GT倒位突变： 移码突变：ATCGATAAGCTT基因中插入或缺失一个或几个碱基对， 会使DNA的阅读框(读码框)发生改变.缺失：ATCGATATGAT 插入：ATCGATATCGGAT例如：mRNA GAAGAAGAA GGAAGAAGAA .谷氨酸开头的谷氨酸多肽甘氨酸开头的精氨酸多肽 2. 基因突变的类型根据遗传信息的改变方式，又可分为: 同义突变 ： 错义突变：无义突变：有时DNA的一个碱基对的改变并不影响它所编码的蛋白质的氨基酸序列，如CUAUUA；由于一或几对碱基的改变而使决定某一氨基酸的密码子变为决定另一种氨基酸的密码子；由于一或几对碱基的改变而使决定某一氨基酸的密码子变成一个终止密码子；表2 点突变的类型(以Tyr的密码子为例)无义突变同义突变错义突变DNATACTAA ,TAGRNAUAC UAA UAGaaTyr Och AmbTAC TATUAC UAUTyr TyrTACTCCUAC UCCTyr Ser二、突变的修复、DNA的防护机制.密码的简并性：UUA、UUG、CUU、CUC、CUA、CUG均为亮氨酸。大部分氨基酸具有2个或2个以上的密码子。.回复突变：正突变野生型 突变型回复突变回复突变的频率 正突变.抑制：.基因间抑制：抑制作用发生在不同的基因间。如：当DNA上某碱基发生了突变，凑巧tRNA上的反密码子也发生了改变，成为野生型。.基因内抑制：抑制作用发生在同一基因内。一个座位上的突变有可能被另一个座位上的突变所掩盖，而使突变型恢复为野生型。.致死和选择： 当防护机制未能起到修复突变的作用，而该突变又是致死突变，该突变体将在群体中被选择所淘汰。.二倍体和多倍体： 多倍体具有多套染色体组，每种基因多份，故能比二倍体和低等生物表现出更强的保护作用。如小麦属二倍体种的突变型比例高于六倍体普通小麦。 、DNA的修复：例如，紫外线照射细菌产生切割修复功能。主要有4种形式： .光修复： .暗修复：切除修复.重组修复(复制后修复).SOS修复.光修复 UV是一种有效的杀菌剂，能引起很多变异(TT)胸腺嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶二聚体胞嘧啶水合胞嘧啶紫外线引起的DNA损伤胸腺二聚体.光修复TT结构在DNA螺旋结构上形成一个巨大的凸起或扭曲，“瘤”。(TT)这种经解聚作用使突变回复正常 的过程叫做光修复(light repair)。 此“瘤”被一种特殊的巡回酶，如 光激活酶(photoreacting enzyme)所 辨认，在有蓝色光波的条件下， 二聚体TT被切开，DNA回复正常。胸腺嘧啶二聚体光激活酶.暗修复(dark repair)：切除修复某些DNA的修复工作可不需光也能进行，如，大肠杆菌中的UVrA突变体的修复过程由4种酶来完成：核酸内切酶：在 TT 一边切开 核酸外切酶：在另一边切开，把TT和邻近的一些核苷酸切除； DNA聚合酶：合成新的正常核苷酸片段； 连接酶：把切口缝好，使DNA的结构恢复正常 .重组修复(复制后修复)：在DNA复制后进行,并不切除TT。.复制时在损伤处出现缺口；.有缺口的子链与母链进行重组交叉端化时能将母链中的正常部分交换进来母链中新形成的缺口可通过DNA聚合酶以子链为模板合成缺口DNA片段。.由连接酶连接而完成重组修复。.SOS修复(SOS repair)是在DNA分子受损伤的范围较大而且复制受阻时出现的一种修复作用。是防止细胞死亡而诱导出的一种应急措施，借用国际通用的紧急呼救信号(save our souls)而命名。SOS 反应发生时，可造成损伤修复功能的增强，从而增强切除修复、复制后修复 。特点：一种旁路系统，允许新生DNA链越过 胸腺嘧啶二 聚体而生长；保真度降低：“好死不如赖活着” 第五节 基因突变的诱发一、物理因素诱发二、化学因素诱变自然条件下各种动、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。穆勒 一、物理因素诱发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、射线、射线、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诱发不同的变异，性质和条件不同的辐射诱发相同的变异。当前只能期望通过辐射处理得到随机变异。1、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X中子较强强弱弱X光机60Co、137Cs32P、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)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。2.非电离辐射诱变：主要是紫外线照射，其波长较长(38015nm)、穿透能力弱，一般应用于微生物或高等生物配子诱变。 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吸收能促使分子结发生离析、进而引起突变。 紫外线还有间接诱变作用：紫外线照射培养基 培养微生物 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) 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。3.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化和诱变机理，国内主要研究形态学和新品种的选育。我国从80年代后期开始进行空间生物学和生物诱变效应研究，已在水稻、青椒等作物中选育出新品种，同时获得了不少优良突变体。太空育种!二、化学因素诱变化学因素诱变的历史较晚： 1941年，Auerbach和Robson第一次发现芥子气可以诱发基因突变； 1943年，Oehlkers首次发现氨基甲酸乙酯(NH2COOC2H5)， 可诱发染色体结的变异。 此后，利用化学药物诱发基因突变的研究发现了大批可以作为诱变剂的化学药物。 化学药物的诱变作用与电离辐射不同，某些化学药物的诱变作用具有一定的特异性。1. 妨碍DNA某一成分的合成，引起DNA变化：妨碍合成嘧啶：5-氨基尿嘧啶、8-乙氧基咖啡碱；妨碍嘌呤合成：6-疏基嘌呤。2. 碱基类似物替换： 如5-溴尿嘧啶(5-BU)、5-溴去氧尿核苷(5-BudR)、2-氨基嘌吟(2-AP)；诱变原理：化学药物分子结构与DNA碱基相似，在不妨碍基因复制的情况下能渗入到基因分子中去。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。3.直接改变DNA某些特定的结构：DNA诱变剂：能和DNA起化学反应并改变碱基氢键特性的物质，有亚硝酸、烷化剂和羟胺等 。.亚硝酸(HNO2)：氧化脱氨作用，氧化作用以氧代替A和C的C6位置上氨基。.烷化剂：如：甲基磺酸乙酯 EMS，CH3SO2(OC2H5) 硫酸二乙酯 DES，SO2(OC2H5)2 乙烯亚胺 EI，H2C CH2 NH其诱变作用主要是通过烷化作用改变基因的分子结构，从而造成基因突变。烷化作用：通过烷基置换其它分子氢原子的作用。.羟胺：作用专化：只与胞嘧啶(C)起作用，使胞嘧啶C6位置上的氨基羟化变成象T(胸腺嘧啶)的结合特性，在DNA复制时和A(腺嘧啶)配对 形成GC与AT的转换。4. 引起DNA复制的错误： 诱变剂：2氨基吖啶、吖啶橙、ICR-170等。能嵌入DNA双链中的碱基之间，引起单一核酸的缺失或插入，造成突变。5.抗生素： 如,重氮丝氨酸、链霉素和丝裂霉素C等。 抗生素的诱变作用：破坏基因分子结构因而造成 染色体的断裂而引起突变。 Perov等用链霉素首先诱导出玉米细胞质雄性不育。(CMS) 说明链霉素和丝裂霉素在诱导产生CMS方面具有较好效果，不同作物间重演性好。第六节 转座因子转座遗传因子，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，能引起基因突变或染色体重组。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。 20