1、1,第八章 基因突變Chapter 8 Gene Mutation,新基因的產(chǎn)生 基因突變表現(xiàn)與鑒定、形成規(guī)律(機理)。 突變的誘發(fā)、控制與應(yīng)用。,2,孟德爾遺傳以及連鎖遺傳中論述的可遺傳變異均是由于基因重組的結(jié)果，不是基因本身發(fā)生了質(zhì)的變化。 如：,黃子葉、園粒 綠子葉、皺粒,黃、園,黃、皺,綠、園,綠、皺,本章討論染色體上基因發(fā)生改變。,3,基因突變是摩爾根于1910年首先肯定的，他在大量的紅眼果繩中發(fā)現(xiàn)了一只白眼突變果繩。 大量研究表明在動、植物以及細菌、病毒中廣泛存在基因突變的現(xiàn)象。,4,基因突變(Gene Mutation)：指染色體上某一基因位點內(nèi)部發(fā)生了化學(xué)性質(zhì)的變化，與原來基因

2、形成對性關(guān)系。 如：高稈基因D突變?yōu)榘捇騞。 經(jīng)典遺傳學(xué)(基因論)認為：基因就是一個“點”，在染色體上具有一定的位置和相互排列關(guān)系，而基因突變就是一個點的改變，是以一個整體進行突變。 從經(jīng)典遺傳學(xué)水平看，基因突變亦稱點突變(Point Mutation)，是生物進化原材料的主要源泉。,5,基因突變 染色體結(jié)構(gòu)變化 染色體數(shù)目變化,突變,狹義,廣義,基因突變,6,第一節(jié)基因突變的現(xiàn)象、時期和特征,7,一、自然界生物性狀突變的現(xiàn)象 1、基因突變廣泛存在 如：黑眼睛老鼠紅眼白老鼠； 黃種人白化人，出現(xiàn)頻率約510萬分之一； 小麥紅粒白粒； 水稻矮生性、棉花短果枝、玉米的糯性胚乳等性狀。 基因突變

3、而表現(xiàn)突變性狀的細胞或個體突變體(mutant)，或稱突變型。,8,不同皮色的老鼠,9,翅膀羽毛的變化,10,不同翅形的果蠅,11,孔雀翅膀羽色的變化,12,白化變異,13,14,不同顏色的金魚草花朵,月季的紅花和白花,15,水稻穎殼變異,水稻顆粒大小,16,小麥粒色變異,大麥穗部變異,大麥穎殼變異,17,大麥抗性突變,18,柑橘無籽變異,玉米雄穗顏色變異,19,玉米不同類型（亞種）,20,玉米甜質(zhì)種,玉米爆裂種,玉米有稃種,玉米馬齒種,玉米硬粒種,玉米糯質(zhì)種,玉米粉質(zhì)種,21,玉米籽粒顏色突變,玉米甜與非甜分離,22,大豆皮色變異,23,二、基因突變的時期 1、生物個體發(fā)育的任何時期均可發(fā)生

4、突變，即體細胞和性細胞均能發(fā)生突變。 2、性細胞的突變率高于體細胞 性細胞在減數(shù)分裂末期對外界環(huán)境條件的敏感性較大； 性細胞發(fā)生的突變可以通過受精過程直接傳遞給后代。,24,25,3突變后的體細胞常競爭不過正常細胞，會受到抑制或最終消失需及時與母體分離無性繁殖經(jīng)有性繁殖傳遞給后代。 許多植物的“芽變”就是體細胞突變的結(jié)果：發(fā)現(xiàn)性狀優(yōu)良的芽變及時扦插、壓條、嫁接或組織培養(yǎng) 繁殖和保留。 芽變在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上有著重要意義，不少果樹新品種就是由芽變選育成功的，如：溫州密桔溫州早桔。 但芽變一般只涉及某一性狀，很少同時涉及很多性狀。,26,4基因突變通常獨立發(fā)生 某一基因位點的一個等位基因發(fā)生突變時，不影

5、響另一個等位基因，即等位基因中兩個基因不會同時發(fā)生突變(AA，aa)。 性細胞：AAAa 為隱性突變，當(dāng)代不表現(xiàn)，F(xiàn)2表現(xiàn)。 aaAa 為顯性突變，當(dāng)代即能表現(xiàn)。 體細胞：aaAa，當(dāng)代即能表現(xiàn)，與原性狀并存，形成鑲嵌現(xiàn)象或嵌合體。 突變早，鑲嵌范圍大，如葉芽發(fā)生突變突變枝。 突變遲，鑲嵌范圍小，突變范圍局限于一個花朵或果實，甚至僅限于它們的一部分。 如：蕃茄果肉、蘋果的半紅半黃現(xiàn)象。 觀賞桃花，一朵花上有不同顏色。,27,花色體細胞突變,28,29,菊花體細胞突變,30,蘋果體細胞突變,葉色突變,31,馬鈴薯薯塊顏色變異,32,高等生物基因突變時期與性狀表現(xiàn),33,三、基因突變的一般特征 、

6、突變的重演性和可逆性 1、重演性：同一生物不同個體間可以多次發(fā)生同樣的突變。 同一基因突變在不同的個體上均可能發(fā)生； 不同群體中發(fā)生同一基因突變的頻率相近。,34,玉米籽粒7個基因的自然突變率,如： 下表列舉的玉米籽粒7個基因中前6個，在多次試驗中都出現(xiàn)過類似的突變，且其突變率也極為相似。,35,又如： 玉米br-z矮生基因(brachtic-2) 的主要遺傳效應(yīng)是抑制節(jié)間的伸長（對果穗以下的節(jié)間抑制尤為明顯）。在不同省份的玉米等品種中均已發(fā)現(xiàn)br-z矮生基因，如： 遼寧的“馬圈快”； 山西的“金皇后”； 河南的“武步矮”； 四川的“龍門大心”和“搬不倒”。,36,2、可逆性：象許多生化反應(yīng)過

7、程一樣是可逆的。 顯性基因A通過正突變(u) 形成的隱性基因a 又可經(jīng)過反突變(v) 又形成顯性基因A。例如： 自然突變多為隱性突變，而隱性突變多為有害突變。,37,、突變的多方向性和復(fù)等位基因 1基因突變的方向不定，可多方向發(fā)生 如A a，可以A a1、a2、a3、都是隱性。 a1，a2，a3， 對A來說都是對性關(guān)系，但其之間的生理功能與性狀表現(xiàn)各不相同。 遺傳試驗表明： AAa1a1 F2呈31 或121 a1a1a2a2 F2呈31 或121 說明它們位于同一基因位點上，即同一染色體位置上。,38,2復(fù)等位基因 指位于同一基因位點上各個等位基因的總體。 復(fù)等位基因并不存在于同一個體中(同

8、源多倍體除外)，而是存在于同一生物群內(nèi)。 復(fù)等位基因的出現(xiàn)增加生物多樣性提高生物的 適應(yīng)性提供育種工作更豐富的資源使人們在分子水 平上進一步了解基因內(nèi)部結(jié)構(gòu)。,39,3復(fù)等位基因廣泛存在于生物界 煙草 栽培的普通煙草為自花授粉植物，但煙草屬中有兩個野生種表現(xiàn)為自交不親和性，已發(fā)現(xiàn)有15個自交不親和的復(fù)等位基因S1、S2、S15控制自花授粉不結(jié)實性。 自交不親和性：指自花授粉不結(jié)實，而不同基因型株間授粉可結(jié)實的現(xiàn)象。,40,自交不親和性表現(xiàn)為花粉在柱頭上不能萌發(fā)和延伸，在卵細胞與花粉中基因間有拮抗作用，即具有某一基因的花粉不能在具有同一基因的柱頭上萌發(fā)。,如圖所示： 株內(nèi)： S1S2S1S2不孕

9、 株間： S1S2S2S3S1S3、S2S3 S1S2S3S4S1S3、S2S3 S1S4、S2S4,41,人類血型 由三個復(fù)等位基因IA、IB和i 決定，其中IA、IB對i基因均為顯性，IA與IB間無顯隱性關(guān)系(二者同時存在，表現(xiàn)各自的作用)。 這三個復(fù)等位基因可組成6種基因型和4種表現(xiàn)型：,IA,IB,I,IA,IB,I,42,親 O型(ii) O型(ii),子 O型(ii),親 AB型 (IAIB) A型 (IAIA),子 A型(IAIA) AB型(IAIB),親 AB型(IAIB) O型(ii),子 A型(IAi) B型(IBi),親 AB型(IAIB) A型(IAi),子 A型(IA

10、IA) A型(IAi) B型(IBi) AB型(IAIB),43,、植物“血型” 日本法醫(yī)山本茂在研究中偶然發(fā)現(xiàn)植物有“血型”存在，后通過對500多種植物的化驗發(fā)現(xiàn)： O型：如蘋果、草莓、西瓜等； B型：枝狀水藻等； AB型：葡萄、李子、蕎麥等； A型：尚未發(fā)現(xiàn)。,44,現(xiàn)代分子生物學(xué)理論表明，人類血型是指血液中紅血球細胞膜表面分子結(jié)構(gòu)的類型。 植物無血液，為什么有“血型”之分？ 植物體內(nèi)也存在汁液，其汁液細胞膜表面也具有不同分子結(jié)構(gòu)的類型導(dǎo)致植物產(chǎn)生不同“血型”。,45,、突變的有害性和有利性 1突變的有害性 多數(shù)突變對生物的生長和發(fā)育往往是有害的。 某一基因發(fā)生突變長期自然選擇進化形成的平

11、衡關(guān)系就會被打破或削弱進而打亂代謝關(guān)系引起程度不同的有害后果一般表現(xiàn)為生育反?；?qū)е滤劳觥?46,2致死突變：即導(dǎo)致個體死亡的突變。 植物：最常見的為隱性白化突變。 這種白化苗不能正常形成葉綠素，當(dāng)子葉或胚乳中養(yǎng)料耗盡時，幼苗死亡。 遺傳表現(xiàn)如下： 白化苗現(xiàn)象在大麥中最易發(fā)現(xiàn)(2n=14)，水稻中也較多。小麥(2n=42，為異源六倍體AABBDD) 白化苗 大麥。,47, 動物 純合顯性致死(小鼠毛色遺傳)：黑色黃色，但無黃色純合體。,凡是用黃色毛的小鼠與黑色毛小鼠交配，其后代小鼠的黃色：黑色總是1：1，說明沒有AY AY的純合型存在。,以黃色鼠與黃色鼠交配的結(jié)果發(fā)現(xiàn)其分離比例總是2黃：1黑，

12、說明已缺少1/4的黃色鼠純合體。,原因：突變的黃色基因AY對黑色基因a為顯性，但AY具有致死的隱性效應(yīng)。AY AY其胚胎在母體內(nèi)即已死亡，只有AY a可存活。,48,雜合顯性致死突變： 顯性致死突變在雜合狀態(tài)時即可死亡。不會產(chǎn)生純合體。 例如：人神經(jīng)膠癥突變基因，可引起皮膚畸形生長、嚴重智力缺陷、多發(fā)性腫瘤，具有這個雜合基因的人在年輕時死亡。,49,純合隱性致死突變： 人的“異染白癡腦病”由aa基因控制（隱性純合致死）。 病癥：發(fā)病初期可以活動，后期成為植物人，直至死亡。何時發(fā)病不知，可以一直到成年結(jié)婚后發(fā)病。至1999年全世界僅發(fā)現(xiàn)200例，我國有18例。,伴性致死突變： 致死突變可發(fā)生在常

13、染色體上，也能發(fā)生在性染色體上，致死突變發(fā)生在性染色體上可引起伴性致死。,50,3中性突變： 控制次要性狀的基因發(fā)生突變，不影響該生物的正常生理活動，因而仍能保持其正常的生活力和繁殖力，被自然選擇保留下來。 例如：水稻有芒無芒水稻希望無芒。 小麥紅皮白皮南方希望紅粒。 4有利突變： 不但無害，而且有利。 如抗倒、抗病、早熟等突變。,51,5突變有害性的相對性 高稈 矮稈： 有害性：矮稈株在高稈群體中受光不足、發(fā)育不良； 有利性：矮稈株在多風(fēng)或高肥地區(qū)有較強抗倒伏性、生長茁壯。 6人類需要和生物本身突變利弊的不一致性 禾谷類作物的落粒性對生物有利、對人類無益。 水稻、玉米、高粱雄性不育對生物不利

14、、對人類有益，可以省去制種時的去雄麻煩。,52,、突變的平行性 親緣關(guān)系相近物種因遺傳基礎(chǔ)近似，常發(fā)生相似的基因突變。 突變的平行性與蘇聯(lián)遺傳學(xué)家瓦維洛夫提出的“遺傳變異同型系”學(xué)說是一致的。 由于突變平行性的存在，可以考慮一個物種或?qū)偎哂型蛔冾愋?，在近緣物種或?qū)賰?nèi)也可能存在，對人工誘變有一定的參考意義。 例如：小麥有早、晚熟變異類型，屬于禾本科其它物種如大麥、黑麥、燕麥、高粱、玉米、黍、水稻、冰草等同樣存在著這些變異類型。,53,禾本科部分物種的品種籽粒性狀的變異,54,第二節(jié)基因突變與性狀表現(xiàn),55,一、顯性突變和隱性突變的表現(xiàn) 1、基因突變表現(xiàn)世代的早晚和選出純合株速度的快慢，因顯隱性

15、而有所不同。,顯性突變 突變產(chǎn)生的新基因?qū)υ瓉淼幕虮憩F(xiàn)為顯性。 可能是： 原來無功能的位點產(chǎn)生了一個功能； 原來有功能的位點產(chǎn)生了新的功能。 隱性突變 突變產(chǎn)生的新基因?qū)υ瓉淼幕虮憩F(xiàn)為隱性。 往往是原來有功能的基因喪失了功能，或產(chǎn)生了一個新功能。,56,dD 突變性狀表現(xiàn)早(M1)、純合遲(M3才能決定)； 顯性有雜合。,Dd 突變性狀表現(xiàn)遲(M2)、純合早(M2)。,顯性突變與隱性突變的檢出與純合,57,2體細胞突變 隱性基因顯性基因 當(dāng)代個體以嵌合體形式表現(xiàn)出突變性狀，要從中選出純合體，需要有性繁殖自交兩代。 顯性基因隱性基因 當(dāng)代為雜合體，但不表現(xiàn)、呈潛伏狀態(tài)，要選出純合體，需有性繁

16、殖自交一代。,58,3突變性狀表現(xiàn)因繁殖方式和授粉方式而異 無性繁殖作物 顯性突變即能表現(xiàn)，可用無性繁殖法加以固定；隱性突變則長期潛伏。 有性繁殖作物 自花授粉作物突變性狀即可分離出來。 異花授粉作物自然狀態(tài)，一般長期潛伏。 出現(xiàn)純合突變體。,59,二、大突變和微突變的表現(xiàn),基因突變引起性狀變異的程度是不同的： 1大突變：突變效應(yīng)大，性狀差異明顯，宜于識別，多為質(zhì)量性狀。 例：豌豆籽粒園 皺、玉米籽粒非糯 糯 2微突變：突變效應(yīng)小，性狀差異不大，較難察覺，多為數(shù)量性狀。 例：玉米果穗的長短、小麥籽粒的大小。 試驗表明，在微突變中出現(xiàn)的有利突變率 大突變。,育種工作中要特別注意微突變的分析和選擇

17、，在注意大突變時，也應(yīng)注意微突變。,60,三、基因突變的相關(guān)研究內(nèi)容,當(dāng)基因突變表現(xiàn)出來之后，就要對其進行深入的研究與利用，相關(guān)的研究內(nèi)容可能包括： 突變的產(chǎn)生：如何產(chǎn)生、提高突變率、控制突變方向； 突變的真實性鑒定：是否能穩(wěn)定遺傳； 突變基因的性質(zhì)：顯性/隱性； 突變頻率的測定； 其它深入研究： 基因定位(染色體定位與連鎖分析)； 基因克隆、測序(分子水平)； 遺傳與表達機制(生理生化)； 育種應(yīng)用(雜交育種、轉(zhuǎn)基因)。,61,第三節(jié)基因突變的鑒定,一、植物基因突變的鑒定 二、生化突變的鑒定 三、人類基因突變的鑒定,62,一、植物基因突變的鑒定 、突變發(fā)生的鑒定 經(jīng)誘變產(chǎn)生的變異是否屬于真實

18、的基因突變，是顯性突變還是隱性突變、突變頻率的高低，都應(yīng)進行鑒定。 由基因發(fā)生某種化學(xué)變化而引起的變異是可遺傳，而由一般環(huán)境條件導(dǎo)致的變異是不遺傳的。,63,例： 高稈矮稈，其原因： 由基因突變而引起； 因土壤貧瘠或遭受病蟲害而生長不良等。 鑒定方法：可將變異體與原始親本在同一栽培條件下比較。 高稈矮稈后代為高稈，則不是突變，由環(huán)境引起； 后代仍為矮稈，則是基因突變引起的。,64,、顯、隱性的鑒定 顯性突變和隱性突變的區(qū)分，可利用雜交試驗加以鑒定。如： 突變體矮稈株 原始品種(高) F1高稈 F2有高稈、也有矮稈， 說明該突變屬于隱性突變。,65,、突變率的測定 1基因突變率很低：不同生物和不

19、同基因有很大差別。 許多致癌因子(如黃曲霉素、亞硝酸鹽) 會增加基因突變的頻率，因此要保護環(huán)境。 2自然條件下突變率： 高等生物：110-6 110-8，即100萬 1億配子中有一個發(fā)生突變，由于高等生物在進化過程中能保持相對穩(wěn)定性，故突變率較低、突變范圍也較小。 低等生物：110-4110-8，即1萬1億個個體才有一個發(fā)生突變，如細菌。,66,3突變體：基因突變而表現(xiàn)出突變性狀的細胞或個體。 4突變率的估算： 突變頻率：突變個體數(shù)占總個體數(shù)的比數(shù)。 突變率：基因發(fā)生突變的頻率。 基因突變率的估算因生物生殖方式而不同，不同生物的不同基因，各有一定的突變頻率。,67,有性生殖的生物：突變率通常是

20、用每一配子發(fā)生突變的概率，即用一定數(shù)目配子中的突變配子數(shù)表示。 例如，玉米籽粒7個基因的自然突變率，彼此各不相同，其中有的較高，如R基因在每百萬個配子中的平均突變率為492；有的較低，如Sh基因僅為1.2，兩者相差高達500倍。 無性繁殖的生物：如細菌的突變率是用每一細胞世代中每一細菌發(fā)生突變的概率，即用一定數(shù)目的細菌在分裂一次過程中發(fā)生突變的次數(shù)表示。 例如，大腸桿菌在一個世代中一個細胞發(fā)生的突變率。鏈霉素抗性基因strR為410-10，乳糖發(fā)酵基因1ac-為210-7。兩者突變率亦表現(xiàn)很大的差異。,68,5突變率的測定： 花粉直感：估算配子的突變率。 例： 這在當(dāng)代籽粒上即可發(fā)現(xiàn)(理論上應(yīng)

21、全部為Susu)。如果10萬粒種子中有5粒為甜粒，則 突變率= 5/100000 = 1/2萬 根據(jù)M2出現(xiàn)突變體占觀察總個體數(shù)的比例進行估算。 突變率：M2突變體數(shù)/ 觀察總個體數(shù),69,6禾谷類作物(如稻、麥) 往往有幾個幼穗原始體，其體細胞突變常發(fā)生在于其中一個，因而又影響一個穗子、甚至其中部分籽粒。,如果是隱性突變則必須分株分穗收獲，然后分別播種幾代才能發(fā)現(xiàn)突變性狀，這時突變率的測定應(yīng)以單穗或籽粒作為估算單位。,70,自交 單穗收獲,自交 單株 收獲,71,二、生化突變的鑒定 1941年比德爾(Beadle)開始用紅色面包霉為材料進行生化突變研究發(fā)現(xiàn)基因通過酶的作用來控制性狀提出“一個

22、基因一個酶”的假說把基因與性狀兩者聯(lián)系起來。,72,生化突變：由于誘變因素影響導(dǎo)致生物代謝功能的變異?？梢詫φ€體與變異個體的生化特性研究以分析基因的作用機制。 野生型(wild type)與原養(yǎng)型(prototroph) 野生型：指存在于自然界中沒有經(jīng)過基因突變，具有正常生化代謝功能的遺傳類型； 原養(yǎng)型：指具有與野生型相同營養(yǎng)需求與表現(xiàn)的遺傳類型，有時特指突變型恢復(fù)為與野生型相同的個體。 營養(yǎng)缺陷型(auxotroph) 因基因突變喪失了某種生活物質(zhì)合成能力，在基本培養(yǎng)基上不能正常生長，需加入相應(yīng)營養(yǎng)成分的突變型。,73,、紅色面包霉的生化突變型 1基本培養(yǎng)基：野生型可在這種培養(yǎng)基因生長。

23、 水+ 無機鹽(硫酸鹽、硝酸鹽等) + 糖類(葡萄糖或蔗糖) + 微生素。 2完全培養(yǎng)基：各種突變型可以在這種培養(yǎng)基生長。 基本培養(yǎng)基+ 多種氨基酸+ 多種維生素 3紅色面包霉的突變型： 紅色面包霉合成其生活所需物質(zhì)一系列生化過程由一定的基因所控制。 只要綜合分析大量的生化突變資料可闡明有關(guān)基因的功能及其作用的程序。 例：有三個紅色面包霉突變型(a、c、o)如下：,74,可以推論精氨酸合成步驟為：,75,、紅色面包霉生化突變的鑒定方法 1、誘發(fā)突變：以X射線或紫外線照射純型的分生孢子，可以誘發(fā)突變。,純型分生孢子X射線處理 處理后的分生孢子與野生型交配產(chǎn)生分離的子孢子置于完全培養(yǎng)基里生長產(chǎn)生菌

24、絲和分生孢子。,76,2鑒定突變 鑒定突變是否發(fā)生 從完全培養(yǎng)基上生長的各組分生孢子取出一部分置于基本培養(yǎng)基上 觀察生長。 能生長：未發(fā)生突變 不能生長：則表示已發(fā)生突變。 鑒定突變屬于何種突變 把突變型材料跟其它組分開從完全培養(yǎng)基里取出培養(yǎng)在幾種不同培養(yǎng)基內(nèi)明確發(fā)生突變的基因。 氨基酸？(加入各種氨基酸)不能生長。 維生素？(加入各種維生素)能夠生長。,77,1.純合野生型 2.X射線或紫外線照射分生孢子 3.照射過的分生孢子與野生型交配 4.含有成熟子囊的子囊殼 5.子囊孢子 6.子囊孢子生活在完全培養(yǎng)基里 7.基本培養(yǎng)基 8.基本培養(yǎng)基另加維生素 9.基本培養(yǎng)基另加氨基酸 10.基本培養(yǎng)

25、基 11.完全培養(yǎng)基 12.基本培養(yǎng)基另加硫胺素 13.基本培養(yǎng)基另加吡醇素 14.基本培養(yǎng)基另加泛酸 15.基本培養(yǎng)基另加肌醇,78,基本培養(yǎng)基、完全培養(yǎng)基、基+維生素、基+氨基酸 不能生長 能生長 能生長 不能生長,基+硫胺素(VB1) 、基+比醇素(VB6)、基+泛酸、基+肌醇 不能生長 不能生長 不能生長能生長,說明發(fā)生生化突變的是控制肌醇合成的基因,說明是控制維生素合成的基因發(fā)生了突變,79,現(xiàn)已鑒定幾百個生化突變型，它們分別控制著各種維生素、氨基酸、嘧啶、嘌呤等的合成。 是基因通過一系列生化過程來控制性狀的表現(xiàn)，并不是基因直接作用于性狀。,80,三、人類基因突變的鑒定 人類基因突變

26、的檢出是比較復(fù)雜的，而且不易鑒定，主要靠家系分析和出生調(diào)查。 隱性突變難以檢出，因為常染色體上隱性性狀的出現(xiàn)，很可能是兩個雜合體婚配的結(jié)果，而不是由于基因突變的結(jié)果。 顯性突變是比較容易檢出。前提是遺傳方式規(guī)則，如果發(fā)現(xiàn)一個人有顯性突變性狀，而其父母是正常的，就可以說是一個新的突變。,81,白化病家系分析,顯性突變的家系分析,82,第四節(jié)基因突變的分子基礎(chǔ),一、突變的分子機制 二、基因突變的類型 三、DNA的防護機制 四、DNA修復(fù)與突變的產(chǎn)生 五、化學(xué)因素誘變的分子機制,83,一、突變的分子機制 基因相當(dāng)于染色體上的一點，稱為位點(1ocus) 細胞水平。 一個位點還可以分成許多基本單位，稱

27、為座位(site) 分子水平。 一個座位一般指的是一個核苷酸對，其中一個堿基發(fā)生改變可能產(chǎn)生一個突變。 突變就是基因內(nèi)不同座位的改變。這種由突變子的改變而引起的突變稱為真正的點突變。 一個基因內(nèi)不同座位的改變形成許多等位基因復(fù)等位基因。,84,復(fù)等位基因：由一個基因內(nèi)不同座位的改變而形成的許多等位基因的合稱。如：控制自交不親和基因。,85,2基因突變的分類 、基因的突變均屬于分子結(jié)構(gòu)的改變。,基因突變,堿基缺失：ATCGAT ATGAT 堿基插入：ATCGAT ATCGGAT,取代突變,倒位：ATCGAT AAGCTT,堿基替換,轉(zhuǎn)換：同型堿基對替換TC 顛換：異型堿基對替換 AC,、堿基數(shù)目

28、的變化(缺失或插入)影響最大，影響一系列三聯(lián)體密碼的移碼。 例如：mRNA GAAGAAGAAGAA GGAAGAAGAAGAA . 谷氨酸開頭的谷氨酸多肽甘氨酸開頭的精氨酸多肽,移碼突變,86,87,3誘變機理 、自發(fā)突變 、由宇宙射線或環(huán)境中的其它天然誘變因素引起； 、由于正常細胞中酶出了“差錯”，在內(nèi)部形成了能起誘變作用的代謝產(chǎn)物，從而改變DNA分子的結(jié)構(gòu)； 、重組本身不對等交換，也能產(chǎn)生可遺傳變異。 果蠅：16A區(qū)段16A重復(fù)棒眼 、誘變突變 主要誘變因素：輻射線和化學(xué)藥劑。,88,二、突變的修復(fù) 、DNA的防護機制 、密碼的簡并性 UUA、UUG、CUU、CUC、CUA、CUG均為亮

29、氨酸。 大部分氨基酸具有2個或2個以上的密碼子。 、回復(fù)突變 回復(fù)突變的頻率 正突變。,89,、抑制 、基因間抑制：抑制作用發(fā)生在不同的基因間。 如：當(dāng)DNA上某堿基發(fā)生了突變，湊巧tRNA上的反密碼子也發(fā)生了改變，成為野生型。 、基因內(nèi)抑制：抑制作用發(fā)生在同一基因內(nèi)。 一個座位上的突變有可能被另一個座位上的突變所掩蓋，而使突變型恢復(fù)為野生型。,90,、致死和選擇 當(dāng)防護機制未能起到修復(fù)突變的作用，而該突變又是致死突變，則該突變體將在群體中被選擇所淘汰。 、二倍體和多倍體 多倍體具有多套染色體組，每種基因多份，故能比二倍體和低等生物表現(xiàn)出更強的保護作用。 如小麥屬的二倍體種的突變型比例高于六倍

30、體普通小麥。,91,、DNA的修復(fù) 例如紫外線照射細菌產(chǎn)生切割修復(fù)功能。 主要有四種形式： 、光修復(fù) 經(jīng)過解聚作用使突變回復(fù)正常的過程。 、暗修復(fù) 切除修復(fù)。,光修復(fù)過程暗修復(fù)過程,92,、重組修復(fù)(復(fù)制后修復(fù)) 在DNA復(fù)制后進行，并不切除胸腺二聚體。 、復(fù)制時在損傷處出現(xiàn)缺口； 、有缺口的子鏈與母鏈進行重組交叉端化時能將母鏈中的正常部分交換進來母鏈中新形成的缺口可通過DNA聚合酶作用以子鏈為模板合成缺口DNA片段。 、由連接酶連接而完成重組修復(fù)工作。 以后的復(fù)制仍需按上述方法進行，經(jīng)若干次以后，受損傷DNA所占越來越少。,93,在切割和修補過程中，特別是新補上的核苷酸片段，有時會造成差錯，

31、差錯的核苷酸會引起突變。,實際上由UV照射引起的這類突變，并不是二聚體本身引起，常常是修補過程中的差錯形成的。,94,、 SOS修復(fù) SOS修復(fù)屬于后復(fù)制修復(fù)體系。 SOS反應(yīng)是DNA受到損傷或DNA復(fù)制受阻時的一種誘導(dǎo)反應(yīng)。 SOS 反應(yīng)發(fā)生時，可造成損傷修復(fù)功能的增強。,95,第五節(jié)基因突變的誘發(fā),一、物理因素誘變 (一)電離輻射誘變 (二)非電離輻射誘變 二、化學(xué)因素誘變,96,自然條件下各種動、植物發(fā)生基因突變的頻率不高，它可保持生物種性的相對穩(wěn)定性。但不利于動、植物育種。 因此，穆勒和斯特德勒于1927年用X射線開始研究人工誘變，結(jié)果證實人工誘發(fā)基因突變可以大大提高突變率。,97,人

32、工誘變：基因+誘變技術(shù) 新性狀品種至1999年（IAEA），62個國家和地區(qū)在163個物種中育成突變品種1961個 人工雜交:親本+雜交技術(shù)性狀重組品種 分子生物技術(shù)：目標(biāo)基因+生物技術(shù)受體品種,變異,自然變異 人工變異,98,一、物理因素誘發(fā) 物理因素各種電離輻射非電離輻射。 基因突變需要相當(dāng)大的能量，輻射是能量來源。 能量較高的輻射如紫外線除產(chǎn)生熱能外，還能使原子“激發(fā)”(activation)；高能量輻射如X射線、射線、射線、射線、中子等除產(chǎn)生熱能、激發(fā)原子，還能使原子“電離”(ionization)，誘使基因發(fā)生突變。 輻射誘變的作用是隨機的（無特異性）。 性質(zhì)和條件相同輻射誘發(fā)不同的

33、變異，性質(zhì)和條件不同的輻射誘發(fā)相同的變異。 當(dāng)前只能期望通過輻射處理得到隨機變異。,99,1電離輻射誘變 中子誘變效果好，但經(jīng)中子照射后的物體帶有放射性，人體不能直接接觸。 其它還有激光、電子和微波、射線(一般不用，電離程度很大，內(nèi)照射很危險)等。,誘發(fā)育種中常用射線,100,101,102,103,104,內(nèi)照射：一般是用浸泡或注射法，使輻射源滲入生物體內(nèi)，在體內(nèi)放出射線(如)進行誘變。 外照射：輻射源與接受照射的物體間保持一定距離，讓射線從物體之外透入體內(nèi)誘發(fā)基因突變。 輻射劑量：單位質(zhì)量被照射的物質(zhì)所吸收的能量數(shù)值?；蛲蛔冾l率與輻射劑量成正比，但不受輻射強度的影響。 基因突變率與輻射劑

34、量或正比提高總劑量可以提高突變率但過高劑量會引起不育、畸形、葉綠體突變率增加、甚至植株死亡等問題。 基因突變率一般不受輻射強度的影響照射總劑量不變時，不管單位時間內(nèi)所照射的劑量多少、其基因突變率保持不變。,105,原理 基因的化學(xué)物質(zhì)(DNA)發(fā)生電離作用。 原發(fā)電離與次級電離。 堿基對、堿基結(jié)構(gòu)破壞、改變基因突變； 磷酸二酯鍵斷裂、染色體斷裂重接染色體結(jié)構(gòu)變異。 輻射劑量的表示方法 X射線、射線：倫琴(R)； 中子：積分流量(n/cm2)； 射線：微居里(cu/g)。,106,2非電離輻射誘變 主要是紫外線照射，其波長較長(3800150)、穿透能力弱，一般應(yīng)用于微生物或高等生物配子誘變。

35、紫外線誘變的最有效波長為2600（正是DNA所吸收的紫外線波長），紫外線直接誘變作用在于被DNA吸收能促使分子結(jié)構(gòu)發(fā)生離析、進而引起突變。 紫外線還有間接誘變作用：紫外線照射培養(yǎng)基 培養(yǎng)微生物提高微生物的突變率。原因是經(jīng)紫外線照射培養(yǎng)基會產(chǎn)生過氧化氫(H2O2) 可作用于氨基酸而導(dǎo)致微生物突變。 說明輻射誘變的作用并不是靠它去直接影響基因本身，改變基因環(huán)境也能間接地起誘變作用。,107,紫外線(UV)： 主要作用于嘧啶，使得同鏈上鄰近的嘧啶核苷酸之間形成多價的聯(lián)合。 使T聯(lián)合成二聚體。 C脫氨成U； 將H2O加到的嘧啶C4、C5位置上成為光產(chǎn)物，削弱C-G之間的氫鍵，使DNA鏈發(fā)生局部分離或變

36、性。,108,3綜合效應(yīng)誘變 在太空中進行的空間誘變是一項有效的人工誘變技術(shù)。 太空中大量存在著各種物理射線可誘發(fā)突變，其它諸如失重、真空、超凈、無地球磁場影響以及衛(wèi)星發(fā)射和返回時的劇烈震動等因素也是產(chǎn)生誘變的重要原因。 上述誘變因素的共同作用也會影響誘變效果。,109,太空生物學(xué)研究不斷深入 目前國外主要側(cè)重研究突變體的生理生化和誘變機理，國內(nèi)主要研究形態(tài)學(xué)和新品種的選育。 我國從80年代后期開始進行空間生物學(xué)和生物誘變效應(yīng)研究，已在水稻、青椒等作物中選育出新品種，同時獲得了不少優(yōu)良突變體。,110,二、化學(xué)因素誘變 化學(xué)因素誘變的歷史較晚： 1941年，Auerbach和Robson第一次

37、發(fā)現(xiàn)芥子氣可以誘發(fā)基因突變； 1943年，Oehlkers第一次發(fā)現(xiàn)氨基甲酸乙酯(NH2COOC2H5)可誘發(fā)染色體結(jié)的變異。 此后，利用化學(xué)藥物誘發(fā)基因突變的研究發(fā)現(xiàn)了大批可以作為誘變劑的化學(xué)藥物。 化學(xué)藥物的誘變作用與電離輻射不同，某些化學(xué)藥物的誘變作用具有一定的特異性。 一定性質(zhì)的藥物可以誘發(fā)特定類型變異利用化學(xué)藥物進行定向誘變。,111,1、妨礙DNA某一成分的合成，引起DNA變化： 妨礙合成嘧啶：5-氨基尿嘧啶、8-乙氧基咖啡堿； 妨礙嘌呤合成：6-疏基嘌呤。 2、堿基類似物替換： 如5-溴尿嘧啶(5BU)、5-溴去氧尿核苷(5BudR)、2-氨基嘌吟(2AP)； 誘變原理： 化學(xué)藥

38、物分子結(jié)構(gòu)與DNA堿基相似，在不妨礙基因復(fù)制的情況下能滲入到基因分子中去。在DNA復(fù)制時引起堿基配對上的差錯，最終導(dǎo)致堿基對的替換，引起突變。,112,5BU與T基本相同 以酮式狀態(tài)和腺嘌呤配對：A5BUT 酮式結(jié)構(gòu)常轉(zhuǎn)移成烯醇式與G配對：G5BUe,AP與T配對，有時與C配對,113,3、直接改變DNA某些特定的結(jié)構(gòu) DNA誘變劑：能和DNA起化學(xué)反應(yīng)并改變堿基氫鍵特性的物質(zhì)。 、亞硝酸(HNO2)：氧化脫氨作用，氧化作用以氧代替A和C的C6位置上氨基。,AT,GC,AT,GC,114,、烷化劑 如：甲基磺酸乙酯EMS，CH3So2(OC2H5) 硫酸二乙酯DES，SO2(OC2H5)2 乙

39、烯亞胺EI， 烷化劑的誘變作用主要是通過烷化作用改變基因的分子結(jié)構(gòu)，從而造成基因突變。 烷化作用：通過烷基置換其它分子氫原子的作用。,115,誘變原理： EMS、MMS等烷化劑都帶有1個或多個活潑的烷基，這些烷基能夠加入堿基的許多位置形成烷基化堿基，改變氫鍵的結(jié)合能力。,116,烷化作用也會使DNA堿基容易受到水解而從DNA鏈上裂解下來造成堿基的缺失。 堿基缺失：轉(zhuǎn)換與顛換。 與磷酸結(jié)合成不穩(wěn)定的磷酸酯 進而水解成磷酸和脫氧核糖使DNA鏈斷裂，引起突變。,117,、羥胺 作用?；褐慌c胞嘧啶(C)起作用，使胞嘧啶C6位置上的氨基羥化變成象T(胸腺嘧啶)的結(jié)合特性，在DNA復(fù)制時和A(腺嘧啶)配

40、對形成GC與AT的轉(zhuǎn)換。,118,4、引起DNA復(fù)制的錯誤： 誘變劑：2氨基吖啶、吖啶橙、ICR-170等。 能嵌入DNA雙鏈中的堿基之間，引起單一核酸的缺失或插入，造成突變。,119,5 抗生素 如重氮絲氨酸、鏈霉素和絲裂霉素C等。 抗生素的誘變作用：破壞基因分子結(jié)構(gòu)因而造成染色體的斷裂而引起突變。 Perov等用鏈霉素首先誘導(dǎo)出玉米細胞質(zhì)雄性不育(CMS)。 近年來，Burton和Hanna（1982）及Jan和Rutger（1988）分別在珍珠粟和向日葵上使用鏈霉素和絲裂霉素誘導(dǎo)出CMS。 說明鏈霉素和絲裂霉素在誘導(dǎo)產(chǎn)生CMS方面具有較好效果，不同作物間重演性好。,120,第六節(jié)轉(zhuǎn)座因子

41、,121,轉(zhuǎn)座遺傳因子又叫可移動因子，是指一段特定DNA序列。它是McClintock(1956)在玉米上首先發(fā)現(xiàn)遺傳學(xué)發(fā)展史上重要的里程碑之一。 轉(zhuǎn)座遺傳因子可在染色體組內(nèi)移動，從一個位點切除，插入到一個新的位點引起基因的突變或染色體重組。,122,一、轉(zhuǎn)座因子的發(fā)現(xiàn)和鑒定： Emerson (1914) 在研究玉米果皮色素遺傳時，發(fā)現(xiàn)一種特殊的突變類型花斑果皮，產(chǎn)生寬窄不同，紅白相間的花斑。 花斑條紋的突變可以發(fā)生多次回復(fù)突變，產(chǎn)生在于突變基因的不穩(wěn)定性，但不知道原因。,Rollins Emerson was the parent of maize genetics,123,Rhoades

42、 (1938) 在研究玉米糊粉層色素遺傳時，首次報道一個基因的遺傳不穩(wěn)定性受到一個獨立基因的控制發(fā)現(xiàn)與籽粒糊粉層色素產(chǎn)生有關(guān)的基因，在另一個獨立基因dt處于隱性狀態(tài)時，就能產(chǎn)生頻率不等的回復(fù)突變，即由a1突變?yōu)锳1。 具有A1的糊粉層細胞，能產(chǎn)生色素，整個籽粒的糊粉層表現(xiàn)為在無色背景上分布著許多大小不等的有色斑點。 Rhoades 把引起a1遺傳不穩(wěn)定的基因稱為斑點產(chǎn)生基因。,124,40年代初，McClintock始研究玉米花斑糊粉層和植株色素產(chǎn)生的遺傳基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)色素變化與一系列染色體重組有關(guān)。 染色體的斷裂或解離(dissociation)有一個特定位點(Ds)。但Ds并不能自行斷裂，受一個

43、激活因子Ac(activator)所控制。 Ac可以像普通基因一樣進行傳遞，但有時表現(xiàn)很特殊，可以離開原座位，運動到同一個或不同染色體的另一座位。 Ds也能移動，不過只有在Ac存在時才能發(fā)生。 McClintock把Ac和Ds稱為控制因子或轉(zhuǎn)座因子 “控制因子”假說。,125,玉米C座位控制因子突變 a、顯性基因C產(chǎn)生有色糊粉層 b、Ds因子插入C座位，使C突變?yōu)閏-m，使糊粉層無色 c、在Ac存在時，可引起Ds在某些細胞轉(zhuǎn)座，產(chǎn)生回復(fù)突變，故整個子粒呈現(xiàn)出在無色背景下散布著有色斑點,126,1961年Jacob和Momod發(fā)表乳糖操縱子模型和控制基因理論，McClintock的“控制因子”假

44、說才開始重新引起人們的注意。 60年代未期，Shapiro研究E. coli高效突變時發(fā)現(xiàn)，這是由于一種大片段DNA插入作用造成的，并稱這種DNA片段為插入序列細菌中首次發(fā)現(xiàn)的移動基因。 至此，移動基因的概念才被大家所公認。,127,二、轉(zhuǎn)座因子的結(jié)構(gòu)特性 、原核生物的轉(zhuǎn)座因子 根據(jù)分子結(jié)構(gòu)與遺傳特性可以分為三類。 1插入因子（insertion sequence，IS） 具有轉(zhuǎn)座能力的簡單遺傳因子，長度一般小于2kb，最少的插入序列如IS1 僅768bp。 IS因子只含有與轉(zhuǎn)座有關(guān)的基因與序列。共同特征是在其末端都具有一段反向的重復(fù)序列（IR），其長度不一。 如IS10左邊IR序列是17bp

45、、右邊是22bp，兩者相差5bp。,A,IS1,B,轉(zhuǎn)座因子示意圖,128,2、轉(zhuǎn)座子（transposons） 由幾個基因組成特定的DNA片段常帶抗菌素抗性基因，易于鑒定。 根據(jù)結(jié)構(gòu)特性的不同，轉(zhuǎn)座子可以分為以下兩種系統(tǒng)： 、復(fù)合轉(zhuǎn)座子：IS因子+抗菌素抗性片段+IS因子。 IS因子可以是反向重復(fù)構(gòu)型或同向重復(fù)構(gòu)型。,129,、Tnp3系轉(zhuǎn)座子：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，長度約5000bp。末端有一對38bpIR序列，但不含IS因子序列。,每個轉(zhuǎn)座子都帶有3個基因：一個是編碼對氨芐青霉素抗性的內(nèi)酰胺酶(-lactamase)基因，其它二個是編碼與轉(zhuǎn)座作用有關(guān)的基因（TnpA和TnpR）。,Tnp3系轉(zhuǎn)座子示意圖,130,3、Mu噬菌體(Mu) ： 是E. coli的溫和噬菌體，溶源化后能起到轉(zhuǎn)座子的作用。 和轉(zhuǎn)座子一樣， Mu噬菌體也含有與轉(zhuǎn)座有關(guān)的基因和反向重復(fù)序列。 Mu能夠整合進寄主染色體，催化一系列染色體的重新排列