第九章突变和重组机理

1第八章突变和重组机理突变一词是荷兰的德佛里斯第一次提出的。一般是包括染色体畸变和基因突变。平时讲突变就是指基因突变。第一节基因突变概说*基因突变（点突变）：指一个基因变成了它的等位基因。是染色体结构上看不出来的、一定位点基因内部（染色体上一个座位内）的遗传物质的化学变化所引起的。一、基因突变的类型基因突变是1910年摩尔根首先在果蝇中发现的。1927年穆勒和1928年斯塔德勒分别用X射线照射果蝇和玉米，最先诱发了突变。（一）根据突变的起源分1、自发突变：由外界环境条件自然作用或生物体内的生理生化变化发生的突变。2、诱发突变：在特设的诱变因素（物理、化学、生物等）诱发下发生的突变。（二）根据突变体的表型特征分1、形态突变（可见突变）：突变主要影响生物的形态结构，导致形态、大小、色泽等的改变。2、生化突变：突变主要影响生物的代谢过程，导致一个特定的生化功能的改变或丧失。如链孢霉的Lys-。aa-等。最常见的是微生物的各种营养缺陷型。3、致死突变：突变主要导致生活力的改变（影响生活力）导致个体死亡。致死突变分二类：显性致死和隐性致死。显性致死：杂合态即有致死效应。隐性致死：纯合态时才有致死效应，常见。如植物中的白花基因、镰型细胞贫血症等。致死突变的致死作用可以发生在不同的发育阶段：配子期、胚胎期、幼龄期或成年期。女篓菜花粉致死、小鼠黄鼠基因是隐性致死，并且是合子致死。4、条件致死突变：在某些条件下是成活的，而在另一些条件下是致死的。例如：T4噬菌体的温度敏感突变型，25℃时能在大肠杆菌宿主中正常生长，形成噬菌斑，但是在42℃时是致死的。二、基因突变的特点（一）突变的随机性（突变发生的时期和部位）突变可以发生在生物个体发育的任何时期、任何部位。即无论体细胞和性细胞都能发生突变。正在进行分裂的细胞发生突变的几率更大。且性细胞大于体细胞。正在进行分裂的细胞﹥未分裂的细胞﹥性细胞﹥体细胞1、性细胞发生突变：性母细胞或成熟的性细胞发生突变。配子发生突变→受精→合子→个体（突变基因杂合体）如果是显性突变aa→Aa，个体表现突变性状，可通过受精过程传递给后代。如果是隐性突变AA→Aa，当代不表现，只有等到第二代突变基因处于纯合状态才能表现出来。但是如果是X染色体上发生的隐性突变，则在男性中表现。2、体细胞发生突变：体细胞突变→发育→个体是嵌合体→显性突变当代表现→突变性状+原有性状。突变发生越早，个体表现突变性状部分就多，镶嵌范围越大，反之越小。例如：金银眼猫：一只眼的虹是黄褐色、另一只眼是兰色。还有观赏鸟中的“半边种”《阿苏儿》：身体的一半羽毛是兰色，另一半是绿色，两侧完全对称。2可能是受精卵第一次卵裂时，其中一个细胞发生羽色突变之故。在植物中，芽变（枝变）属于体细胞突变。果树上许多“芽变”就是体细胞突变引起的，一旦发现要及时扦插、嫁接或组培加以繁殖保留。“芽变”在育种上很重要，有不少新品种是通过芽变选育出来的，如温州早桔就是源于温州密桔的芽变。水蜜桃、名贵菊花、月季等都是芽变育成的。（二）突变的稀有性（突变的频率）突变率：指生物体（微生物指每一个细胞）在每一世代中，每一基因组或每一细胞发生突变的概率。一般有性生殖的生物用每一配子发生的突变概率表示，即突变型配子数占一定数目配子的百分数。无性繁殖的细菌，用每一世代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，发生突变的次数。不同生物以及同一生物的不同基因的突变率是不同的。正常生长环境中，突变率往往是很低的，这反映了物种和基因的相对稳定性，但是也有一些基因突变率较高。这些基因比一般基因易于突变称易变基因。如玉米、牵牛花、大丽花和紫茉莉等植物的胚乳、叶片和花瓣等部分常表现出不同颜色的花斑。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计算。突变率=（调查个体数总数）患儿个体数2患儿是杂合体（显性病），1个个体有1个突变配子。一般高等生物自发突变率10-5～10-8，细菌10-4～10-10。（三）突变的可逆性正常的野生型显性基因A可以突变为隐性基因a，反之亦可。如果把A→a称为正突变，a→A为回复突变。正突变和复突变的频率一般是不同的，常常是正突变频率比回复突变的频率高。2×10-6u例如：E.colihis+his-Aauv4×10-8v根据回复突变的出现，常常可以把点突变跟较大的突变效应（缺失、易位等）区分开。因为缺失包括遗传物质的丧失，一个回复突变恰好补全了丢失的遗传物质几乎是不可能的。而点突变没有遗传物质的明显获得与丢失，是比较容易回复的。（四）突变的多方向性一个基因可以向不同的方向发生突变，即一个基因可以突变为一个以上的等位基因。如A→a1，A→a2，……A→an。向这样一个座位上可以有两个以上的基因状态存在，这些基因叫复等位基因。Aaa1Aa2a3（五）突变的独立性一个基因的突变，并不影响其等位基因以及附近的其它基因也发生突变的现象。3（六）突变的平行性亲缘关系相近的物种因遗传基础比较近似，往发生相似的基因突变，称突变的平行性。根据以上学说，当了解到一个物种或属内具有那些变异类型，就能预见近缘的其他物种或属也同样存在相似的变异类型。禾本科部分物种的品种（族）子粒性的变异遗传变异的性状黑小大燕黍高玉水冰麦麦麦麦梁米稻草白色红色颜色绿色(灰绿色)黑色紫色圆形形状长形玻璃质品质粉质蜡质++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++（七）突变的重演性（重复性）相同的基因突变，可以在同种生物不同个体、不同世代中重复出现。例如：玉米胚乳的饱满基因突变为皱缩基因的频率10-6，不仅在多次试验中出现，而且出现的频率都接近于10-6。说明突变可以在不同的个体中多次重复发生。观赏植物中更常见，大丽菊花瓣不同颜色嵌合体。（八）突变的有害和有利性1、突变的有害性：大多数是有害的、极端的类型是致死突变，多数为隐性致死，也有少数显性致死。例如：植物的白化突变绿株WW↓绿株Ww↓1WW:2Ww:1ww3绿苗:1白苗(死亡)2、突变的有利性：少数的基因突变不仅对生物体无害，而且对生存有利。例如：作物的抗病性；微生物的抗药性；人类的抗病性。3、中性突变：某些突变不影响生物的正常代谢过程，即不好不坏，这类突变称为中性突变。例如：水稻、小麦芒的有无，小麦颖壳的颜色、人的单眼皮和双眼皮、六指等等。44、有害与有利的相对性：突变有害性是相对的，在一定条件下可以转化。例如：果蝇的长翅→残翅。正常情况下，影响飞翔，寻找食物，表现为有害。但是在多风的岛上，长翅果蝇易被刮入海中，残翅反而有利。高杆→矮杆，高风多肥地区抗倒伏。作物的落粒性、对生物有利，但对人不利。三、基因突变的检出基因突变的测定方法，主要是根据突变杂合体在有性繁殖过程中的性状表现规律进行设计的。因此，不同的生物，基因突变的检测方法也不同。（一）果蝇突变的检出1、果蝇的X-连锁基因突变的测定：Muller-5技术可以检测出X染色体上的隐性突变，特别是致死突变。Muller-5品系的果蝇X染色体上有棒眼基因B和杏色眼基因Wa，此外，X染色体上还有一些倒位，可以抑制Muller-5的X染色体与野生型X染色体的重组。实验时，将野外采集的或经诱变处理的雄果蝇与Muller-5雌蝇交配，得F1代，使F1代做单对交配，看F2代分离情况。如有致死基因，则F2代无野生型雄果蝇，如有隐性的可见突变，则除Muller-5雄果蝇外，出现具有可见突变的雄蝇。P♀XBWaXBWa×♂XY（待测果蝇）↓F1XXBwa×XBWaY（Muller-5雄果蝇）单对交配↓F2XBWaXBwaXXBwaXBWaYXY♀♀♂♂如果无致死突变，F21：1：1：1。可见突变体XY。如果有致死突变，，F2♀：♂=2：1，雄体只有XBWaY。2、果蝇常染色体上基因突变检测：选用相应的带有倒位的平衡致死品系与突变的雄果蝇杂交，是果蝇常染色体上基因突变检测常用的方法。例如，测定果蝇第二染色体上的突变基因，则亲本可选用其第二染色体上带有翻翅Cy和星状眼S的显性基因，且都是纯合致死、有一个大倒位的平衡致死系的果蝇做母本，与突变的雄果蝇杂交。如果待测染色体上无致死基因，则F3代有33%左右的野生型。如果待测染色体上有致死基因，则F3代只有翻翅。如果待测染色体上有隐性可见突变，则F3代除翻翅外，还有33%突变型。（二）链孢霉突变在链孢霉中，营养突变（生物在特定的营养下才能生长）的筛选方法是比德尔和泰特姆最初提出来的。方法如图2：野生型分生孢子→紫外线照射→与野生型交配→子囊果→子囊孢子单个培养（完全培养基）→分生孢子→基本培养基↓分生孢子→基本培养基+X（不同营养物质）→检出突变型→→进一步确定突变基因的对数（一对基因控制还是两对基因控制）5↓421234511109867121314158、+维生素9、+氨基酸12、+硫胺素13、+吡醇素14、+泛酸15、+肌醇Cy+S+×Cy+♂♂F1×S+Cy+♀♀F2Cy+×Cy+♂♀F3Cy+Cy+Cy+Cy+纯合致死翻翅杂合翻翅杂合野生或突变图1果蝇常染色体基因突变测定图2链孢霉突变的检出6确定突变链孢霉突变基因的对数，用检出的突变型与不同交配型的野生型交配，观察由此产生的子囊孢子的发育情况，表现怎样的分离想象。如果是1：1的分离比，即4个野生型4个突变型，就说明是一个基因的突变。P野生型×突变型（泛酸）↓F1子囊果→子囊（单个培养）↓12345678（均含泛酸）↓↓↓↓基本培养基基本培养基↓↓生长不生长1：1分离比（三）人类突变的检出在人类中，突变的检出依靠家系分析和出生调查。一般情况下，常染色体隐性突变难以检出。而显性突变比较容易检出，如果具有显性性状的个体，其父母正常，则可表明是基因突变造成的。但男人X连锁隐性突变的起源，有时可从家系中分析检出，因男人只有X染色体。近来提出检出人类突变的另一个方法是筛选各种蛋白质或酶的微笑变异，通过电泳技术区别。第二节基因突变的机理*基因自发突变的频率很低，后来发现有许多因素对活细胞的遗传物质有高于自发突变频率的诱变作用。我们把能诱发生物体变异的理化及生物等因素称为诱变因素。引起基因诱变的因素很多，可以归纳为三大类：物理诱变因素、化学诱变因素和生物诱变因素。一、物理诱变因素及其机理物理诱变因素很多，电磁辐射中的射线、射线、γ射线和X射线等；超声波、激光；中子、质子等粒子和温度等。这些物理诱变因素的诱变效果十分明显，但机理非常复杂，目前尚不完全清楚。（一）射线的辐射性能（效能）射线波长越长，能量越小，诱变强度越弱，穿透的深度越浅。紫外线穿透力弱，而X射线、γ射线穿透力强，很容易透过性腺细胞，对性细胞DNA分子产生直接作用。射线照射的剂量和突变的频率在一定范围内是成正比例的增长关系。照射的生物学效应主要取决与射线所含的能量以及能传递到细胞内原子和分子上的能量。能量越大，诱变效率越高。辐射剂量的单位用伦琴（r）表示。根据辐射（照射）的方法，可分为“内”和“外”照射。外照射即辐射源与接受照射的物体之间要保持一定的距离，让射线从物体之外透入物体之内，在体内诱发基因突变。X射线、γ射线和中子都适用于“外照射”。内照射即用浸泡或注射的方法，使其渗入生物体内，在体内放出射线进行诱变。和射线的穿透力很弱，故只能用“内照射”。实际应用时，一般不7用射线，只用射线。射线常用辐射源是P32和S35，尤以P32使用较多。（二）紫外线照射诱发突变作用机理：由于紫外线能量较低，不足以使原子电离，只能产生激发作用。紫外线最有效的波长为2600A0左右，DNA吸收紫外线后，引起DNA结构改变的形式很多：DNA链的断裂、DNA分子内和分子间的交联、DNA与蛋白质的交联、嘧啶的水合作用和二聚体的形成等，其中主要的是水合物和二聚体的形成。形成链内或链间的嘧啶二聚体（TT、CC或CT之间的二聚体），影响复制和转录。形成水合胞嘧啶等，使DNA复制时碱基错配，G≡A；G≡T。紫外线还有间接诱变作用，如用紫外线照射过的培