植物基因功能研究策略
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自发突变可能由DNA复制错误,自发损伤和转座因子 等多种原因引起。
(一)DNA复制中的错误
遗传物质是DNA,DNA复制是半保留复制,如果发生错 误,引起碱基替换(base substitution), 即一对碱基 被另一对碱基替换，造成DNA遗传信息的改变。从而导 致基因突变。
正常情况下,A-T配对,氨基态的腺嘌呤(A)只与胸腺嘧啶(T)配对, 但有时可转变成稀有的亚氨基形式,可以与胞嘧啶配对,形成A-C, 再 经一次复制,DNA分子中的A-T对变成了G-C对. 这种互变异构可以
TDNA和 转座子插入
TDNA or transposon insertion
基因突变的分子基础
按突变发生的原因分类 自发突变(spontaneous mutation):在自然状况下
发生的突变。 诱发突变(induced mutation):有机体暴露在诱变
剂中引起的突变。
一.自发突变的分子基础
(三)嵌合剂：吖啶类染料的分子为平面结构，大小与碱基对 差不多，可
插入DNA双链核心堆积的碱基对之间，在嵌入的位置引起单 个碱基对的插 入或缺失，造成移码突变。如口丫啶橙，溴化已啶（EB），原黄素和黄素等。
(四)紫外线（UV）:可使DNA产生很多光生成物，如环丁烷嘧啶二聚体。
(五)电离辐射：使DNA分子发生氢键断裂，DNA单链或双链断裂，碱基或
差异。Nature, 1997, 386: 485-488
玉米中tga1基因控制颖壳的有无，该性状只有一个基因控制，由于tga1基因一个氨基酸的替换， 造成玉米和大刍草如此巨大的表型差异。Nature, 2005, 436: 714-719
水稻落粒基因在2006年 的science上有两篇文章， 一篇是比较indica和野 生稻sh4，是由于一个氨 基酸的替换造成的，另 一篇是日本人做的，比 较indica和japonica的 qSH1，此基因是由于调
What is Gene expression?
基因功能研究的内容
基因功能 研究内容
功能基因鉴定 基因产物 基因表达的 基因表达规律 生化功能 生理功能
植物基因功能研究的目标
确定和理解决定植物生命活动的所 有基因，从分子、生化和生理水平上 揭示植物生命活动机理。这些知识最 终将会提高人类驾驭植物生产的能力。
植物基因功能研究的现状
植物基因功能研究的现状
DNA序列的主要数据库
http://www.yeastgenome.org/
SGDTM（ Saccharomyces Genome Database）is a
scientific database of the molecular Saccharomyces biology and genetics of the yeast Saccharomyces cerevisiae, which is commonly known as baker's or budding yeast.
植物基因功能研究的重要意义
提高利用常规方法培育新品种的能力； 提高利用基因工程手段改良植物品种的
能力； 采取更有针对性的栽培生产措施，提高
生产效率； 更有效的利用植物资源生产人类所需要
的产品； 提高对珍稀植物的保护能力。
植物基因功能研究的现状
在拟南芥、水稻基因组和其它作物已完成测定 的序列中，只有部分基因进行了功能研究。多 数只通过ESTs和OFR等进行了鉴定。许多基 因在植物生长发育中的确切功能和作用还不清 楚。
314: 1298-1301
拟南芥中控制种子大小的AP2 基因突变体中在第一个AP2结 构域有一个11bp的缺失，造成 null mutation，结果种子增 大，细胞数增大，细胞体积增 大。PNAS, 2005, 102: 3123-
3128
控制番茄果型大小的fw2.2是最早克隆的QTL， 仅仅因为成熟晚期表达丰度的不同，造成野生
目录
基因功能研究的内容 基因功能研究的意义 基因功能研究的现状 基因功能研究策略
正向遗传学策略 反向遗传学策略
What is gene?
In Genetics – the basic unit of heredity that is transmitted from parents to offspring in reproduction, which determines inherited traits.
系统移去无嘌呤位点或插入一个碱基而引起突变。 2.脱氨基：胞嘧啶脱氨基变成U,U与A配对，结果 使 G-C对变成 A-T对（转换)。 3.氧化性损伤：个体自然产生的氧化基，氧化物
如超氧自由基,氢氧自由基及过氧化基等，能对DNA造 成氧化性损伤，引起突变，导致人类疾病。
烯醇式结构
玉米中控制分枝的tb1基因是一个转录因子，该基因上游>41kb作为顺式调控因子，调控tb1基因的 表达，玉米中tb1的表达量是大刍草中的2倍，该基因表达上的变化造成玉米和大刍草形态上的巨大
1 同义突变(samesense mutation) ：由于遗传密码 具有简并性。所以有时碱基替换密码子改变但并不改变 氨基酸。如GAU→GAC，但仍是天冬AA，无突变效应，密 码子的简并性大大削弱了突变的危害性，是DNA的容错 机制。
2 错义突变（missense mutation）：指碱基替换密 码子改变引起氨基酸的改变。错义突变使蛋白质一级结 构改变，导致蛋白质活性和功能不同程度的改变。一般 性质相似的氨基酸替换对蛋白质的影响小，而性质不同 的氨基酸的替换可能强烈的影响蛋白质的功能。
移码突变的影响：在DNA分子的外显子中遗传信 息 是按三联体密码子排列的，插入或缺失１个或２个或４个 碱基会改变阅读框架，结果翻译出来的蛋白质的氨基酸序 列也完全改变，但如果插入或缺失３个碱基，则在翻译出 的多肽链上只是多或少一个AA，而不会完全打乱AA序列。
3 无义突变（nonsense mutation):碱基替换使编 码氨 基酸的密码子突变为终止密码子，转录出的mRNA在翻译时 提前终止，形成的肽链不完全，一般没有活性。形成的终 止密码子为UAG、UAA或UGA 。
4 通读（reading through):碱基替换使终止密码子突 变为编码氨基酸的密码子，转录出的mRNA在翻译时不能适 时终止，直到另一终止密码子为止。
(二) 自发损伤(spontaneous lesions)
即自然产生的DNA损伤引起突变,如脱嘌呤和脱氨 基等。
1.脱嘌呤：最为常见，由于DNA分子中碱基和脱 氧核糖间的糖苷键受到破坏，从而引起一个鸟嘌呤(G) 或腺嘌呤(a)从DNA分子上脱落下来。造成DNA损伤， 产生无嘌呤位点，在DNA复制中引入错误；或由修复
核苷。2-氨基嘌呤（2-AP）等都是碱基类似物。
正向遗传学策略
碱基类似物诱变机制
诱
Bu
A
A
T
Bu
变
mispairing
G
G
C
Bu
mutation
(二)烷化剂：
常用的烷化剂有硫酸二乙脂（DES）、 甲基磺酸乙酯（EMS）、甲基磺酸甲酯 （MMS）、异丙基甲烷磺酸酯（iPMS）、 芥子气类。另外，亚硝基乙基脲烷 （NEU）、亚硝基乙基脲（NEH）、亚硝 基甲基脲烷（NMU）、乙烯亚胺（EI）、 1,4-双重氮乙酰丁烷，也是有效的诱变 剂，但是有毒，应用危险，是潜在致癌 物质
糖基损伤，DNA，蛋白质相互交联等。x射线，γ射线等，具有较高的能量可引 起原子的电离，导致DNA的损伤，基因突变和染色体结构变异。
(六)黄曲霉素B1(AFB1)：霉变的花生等食物中含有大量的AFB1 ，
AFB1是一种强致癌剂。可在G的N-T位形成一个加成复合物即产生无嘌呤位点， 使GC颠换为T-A，引起基因突变。可导致肝癌。
其它诱变剂：
如亚硝酸、羟胺（NH2OH）、氮蒽、叠氮化钠（NaN3）等物质，均能引起 染色体畸变和基因突变。尤其是叠氮化物在一定条件下可获得较高的突变频
率，而且相当安全，无残毒。
亚硝酸wk.baidu.com以使碱基发生氧化脱氨作用。
胞嘧啶（C）HNO2
尿嘧啶（U）
腺嘌呤（A）HNO2
次黄嘌呤（H）
鸟嘌呤（G） HNO2 黄嘌呤（X）
控区一个SNP引起 的。 Science, 2006,
311: 1936-1939
小麦的Q基因具有 多效性，影响到脱 粒、小穗长度，株 高和抽穗等一系列 性状。该基因也是 一个转录因子。也 是由于一个氨基酸 的替换影响了同源 二聚体的形成。 Genetics, 2006,
172: 547-555
小麦中的Gpc-B1基因，NAC类转录因子，在野生小麦中由于该基因的表达，籽 粒蛋白含量、锌和铁含量较栽培小麦提高很大，而栽培小麦中，该基因由于 一个碱基的插入造成移码突变而失活，但却使持绿性增强。Science, 2006,
型和栽培型果型大小的如此大的差别。 Science, 2000, 289:85-88
二 诱发突变的分子基础
各种诱变剂（物理或化学的）可诱发基因的突变。诱变剂可以取 代碱基，改变碱基或破坏碱基，使DNA发生错配，而引起基因突变。
(一)碱基类似物：与碱基结构类似，可替代正常碱基掺入DNA分子， 引起碱基替换。如5-溴尿嘧啶（BU）是胸腺嘧啶T的类似物，可掺 入DNA分子中。BU有两种互变异构体酮式和烯醇式。酮式与A配对， 而烯醇式与G配对，这样很容易引起G-C对与A-T对的互相转换。除 BU外，5-溴脱氧尿苷（BrdU），5-尿嘧啶，5-氯尿嘧啶及其脱氧
突变体筛选
术
路
克隆基因
线
基因功能
正向遗传学策略
基 因 突 变 类 型 基因失活或
产物无功能 recessive
基因突变
基因表达减弱 或产物活性 降低
基因表达加强 或产物具有 新功能
dominant
正向遗传学策略
诱变剂 Mutagenesis
诱 化学诱变剂
Chemical mutagens
变
辐射 Radiation
基因测序的步伐远大于基因功能研究的脚步， 公共数据库的DNA序列每天都以数万核苷酸 的速度增加。
植物基因功能研究的现状
DNA序列的主要数据库 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ National Center for Biotechnology Information http://www.maizegdb.org/ MaizeGDB is funded by a cooperative agreement through the USDA Agricultural Research Service.
植物基因功能研究策略
正向遗传学策略 forward genetics strategy
反向遗传学策略 reverse genetics strategy
正向遗传学策略 forward genetics strategy
表现型
Phenotype
基因型
Genotype
正向遗传学策略
诱变
技
在DNA复制中自发产生。
碱基替换可以分为转换和颠换:
1.转换(transitions):嘌呤替代嘌呤,或嘧啶替 代嘧啶。
AG或GA , TC或CT 2.颠换(Tran versions):嘌呤替代嘧啶,或嘧
啶替代嘌呤。 AC, AT , CA, TA
3.移码突变（frame-shift mutation）:在 DNA复制中发生增加或减少一个或几个碱基对所造 成的突变。移码突变可造成蛋白质分子发生较大 的结构改变。
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。
正向遗传学策略
化学诱变机制
HNO2
诱
A T
H T
变
G C
mutation
mispairing
H C
基因突变对遗传信息的影响
(一）碱基替换的影响：单个碱基替换如果发生在基因 编码区，则会改变一个密码子，可以引起蛋白质一级结 构中某个氨基酸的变化。
In Molecular Biology - entire nucleic acid sequence necessary for the synthesis of a functional polypeptide (protein chain) or functional RNA
现代对基因的定义是DNA分子中含有特定遗传信息的 一段核苷酸序列总称，是遗传物质的最小功能单位。
(一)DNA复制中的错误
遗传物质是DNA,DNA复制是半保留复制,如果发生错 误,引起碱基替换(base substitution), 即一对碱基 被另一对碱基替换，造成DNA遗传信息的改变。从而导 致基因突变。
正常情况下,A-T配对,氨基态的腺嘌呤(A)只与胸腺嘧啶(T)配对, 但有时可转变成稀有的亚氨基形式,可以与胞嘧啶配对,形成A-C, 再 经一次复制,DNA分子中的A-T对变成了G-C对. 这种互变异构可以
TDNA和 转座子插入
TDNA or transposon insertion
基因突变的分子基础
按突变发生的原因分类 自发突变(spontaneous mutation):在自然状况下
发生的突变。 诱发突变(induced mutation):有机体暴露在诱变
剂中引起的突变。
一.自发突变的分子基础
(三)嵌合剂：吖啶类染料的分子为平面结构，大小与碱基对 差不多，可
插入DNA双链核心堆积的碱基对之间，在嵌入的位置引起单 个碱基对的插 入或缺失，造成移码突变。如口丫啶橙，溴化已啶（EB），原黄素和黄素等。
(四)紫外线（UV）:可使DNA产生很多光生成物，如环丁烷嘧啶二聚体。
(五)电离辐射：使DNA分子发生氢键断裂，DNA单链或双链断裂，碱基或
差异。Nature, 1997, 386: 485-488
玉米中tga1基因控制颖壳的有无，该性状只有一个基因控制，由于tga1基因一个氨基酸的替换， 造成玉米和大刍草如此巨大的表型差异。Nature, 2005, 436: 714-719
水稻落粒基因在2006年 的science上有两篇文章， 一篇是比较indica和野 生稻sh4，是由于一个氨 基酸的替换造成的，另 一篇是日本人做的，比 较indica和japonica的 qSH1，此基因是由于调
What is Gene expression?
基因功能研究的内容
基因功能 研究内容
功能基因鉴定 基因产物 基因表达的 基因表达规律 生化功能 生理功能
植物基因功能研究的目标
确定和理解决定植物生命活动的所 有基因，从分子、生化和生理水平上 揭示植物生命活动机理。这些知识最 终将会提高人类驾驭植物生产的能力。
植物基因功能研究的现状
植物基因功能研究的现状
DNA序列的主要数据库
http://www.yeastgenome.org/
SGDTM（ Saccharomyces Genome Database）is a
scientific database of the molecular Saccharomyces biology and genetics of the yeast Saccharomyces cerevisiae, which is commonly known as baker's or budding yeast.
植物基因功能研究的重要意义
提高利用常规方法培育新品种的能力； 提高利用基因工程手段改良植物品种的
能力； 采取更有针对性的栽培生产措施，提高
生产效率； 更有效的利用植物资源生产人类所需要
的产品； 提高对珍稀植物的保护能力。
植物基因功能研究的现状
在拟南芥、水稻基因组和其它作物已完成测定 的序列中，只有部分基因进行了功能研究。多 数只通过ESTs和OFR等进行了鉴定。许多基 因在植物生长发育中的确切功能和作用还不清 楚。
314: 1298-1301
拟南芥中控制种子大小的AP2 基因突变体中在第一个AP2结 构域有一个11bp的缺失，造成 null mutation，结果种子增 大，细胞数增大，细胞体积增 大。PNAS, 2005, 102: 3123-
3128
控制番茄果型大小的fw2.2是最早克隆的QTL， 仅仅因为成熟晚期表达丰度的不同，造成野生
目录
基因功能研究的内容 基因功能研究的意义 基因功能研究的现状 基因功能研究策略
正向遗传学策略 反向遗传学策略
What is gene?
In Genetics – the basic unit of heredity that is transmitted from parents to offspring in reproduction, which determines inherited traits.
系统移去无嘌呤位点或插入一个碱基而引起突变。 2.脱氨基：胞嘧啶脱氨基变成U,U与A配对，结果 使 G-C对变成 A-T对（转换)。 3.氧化性损伤：个体自然产生的氧化基，氧化物
如超氧自由基,氢氧自由基及过氧化基等，能对DNA造 成氧化性损伤，引起突变，导致人类疾病。
烯醇式结构
玉米中控制分枝的tb1基因是一个转录因子，该基因上游>41kb作为顺式调控因子，调控tb1基因的 表达，玉米中tb1的表达量是大刍草中的2倍，该基因表达上的变化造成玉米和大刍草形态上的巨大
1 同义突变(samesense mutation) ：由于遗传密码 具有简并性。所以有时碱基替换密码子改变但并不改变 氨基酸。如GAU→GAC，但仍是天冬AA，无突变效应，密 码子的简并性大大削弱了突变的危害性，是DNA的容错 机制。
2 错义突变（missense mutation）：指碱基替换密 码子改变引起氨基酸的改变。错义突变使蛋白质一级结 构改变，导致蛋白质活性和功能不同程度的改变。一般 性质相似的氨基酸替换对蛋白质的影响小，而性质不同 的氨基酸的替换可能强烈的影响蛋白质的功能。
移码突变的影响：在DNA分子的外显子中遗传信 息 是按三联体密码子排列的，插入或缺失１个或２个或４个 碱基会改变阅读框架，结果翻译出来的蛋白质的氨基酸序 列也完全改变，但如果插入或缺失３个碱基，则在翻译出 的多肽链上只是多或少一个AA，而不会完全打乱AA序列。
3 无义突变（nonsense mutation):碱基替换使编 码氨 基酸的密码子突变为终止密码子，转录出的mRNA在翻译时 提前终止，形成的肽链不完全，一般没有活性。形成的终 止密码子为UAG、UAA或UGA 。
4 通读（reading through):碱基替换使终止密码子突 变为编码氨基酸的密码子，转录出的mRNA在翻译时不能适 时终止，直到另一终止密码子为止。
(二) 自发损伤(spontaneous lesions)
即自然产生的DNA损伤引起突变,如脱嘌呤和脱氨 基等。
1.脱嘌呤：最为常见，由于DNA分子中碱基和脱 氧核糖间的糖苷键受到破坏，从而引起一个鸟嘌呤(G) 或腺嘌呤(a)从DNA分子上脱落下来。造成DNA损伤， 产生无嘌呤位点，在DNA复制中引入错误；或由修复
核苷。2-氨基嘌呤（2-AP）等都是碱基类似物。
正向遗传学策略
碱基类似物诱变机制
诱
Bu
A
A
T
Bu
变
mispairing
G
G
C
Bu
mutation
(二)烷化剂：
常用的烷化剂有硫酸二乙脂（DES）、 甲基磺酸乙酯（EMS）、甲基磺酸甲酯 （MMS）、异丙基甲烷磺酸酯（iPMS）、 芥子气类。另外，亚硝基乙基脲烷 （NEU）、亚硝基乙基脲（NEH）、亚硝 基甲基脲烷（NMU）、乙烯亚胺（EI）、 1,4-双重氮乙酰丁烷，也是有效的诱变 剂，但是有毒，应用危险，是潜在致癌 物质
糖基损伤，DNA，蛋白质相互交联等。x射线，γ射线等，具有较高的能量可引 起原子的电离，导致DNA的损伤，基因突变和染色体结构变异。
(六)黄曲霉素B1(AFB1)：霉变的花生等食物中含有大量的AFB1 ，
AFB1是一种强致癌剂。可在G的N-T位形成一个加成复合物即产生无嘌呤位点， 使GC颠换为T-A，引起基因突变。可导致肝癌。
其它诱变剂：
如亚硝酸、羟胺（NH2OH）、氮蒽、叠氮化钠（NaN3）等物质，均能引起 染色体畸变和基因突变。尤其是叠氮化物在一定条件下可获得较高的突变频
率，而且相当安全，无残毒。
亚硝酸wk.baidu.com以使碱基发生氧化脱氨作用。
胞嘧啶（C）HNO2
尿嘧啶（U）
腺嘌呤（A）HNO2
次黄嘌呤（H）
鸟嘌呤（G） HNO2 黄嘌呤（X）
控区一个SNP引起 的。 Science, 2006,
311: 1936-1939
小麦的Q基因具有 多效性，影响到脱 粒、小穗长度，株 高和抽穗等一系列 性状。该基因也是 一个转录因子。也 是由于一个氨基酸 的替换影响了同源 二聚体的形成。 Genetics, 2006,
172: 547-555
小麦中的Gpc-B1基因，NAC类转录因子，在野生小麦中由于该基因的表达，籽 粒蛋白含量、锌和铁含量较栽培小麦提高很大，而栽培小麦中，该基因由于 一个碱基的插入造成移码突变而失活，但却使持绿性增强。Science, 2006,
型和栽培型果型大小的如此大的差别。 Science, 2000, 289:85-88
二 诱发突变的分子基础
各种诱变剂（物理或化学的）可诱发基因的突变。诱变剂可以取 代碱基，改变碱基或破坏碱基，使DNA发生错配，而引起基因突变。
(一)碱基类似物：与碱基结构类似，可替代正常碱基掺入DNA分子， 引起碱基替换。如5-溴尿嘧啶（BU）是胸腺嘧啶T的类似物，可掺 入DNA分子中。BU有两种互变异构体酮式和烯醇式。酮式与A配对， 而烯醇式与G配对，这样很容易引起G-C对与A-T对的互相转换。除 BU外，5-溴脱氧尿苷（BrdU），5-尿嘧啶，5-氯尿嘧啶及其脱氧
突变体筛选
术
路
克隆基因
线
基因功能
正向遗传学策略
基 因 突 变 类 型 基因失活或
产物无功能 recessive
基因突变
基因表达减弱 或产物活性 降低
基因表达加强 或产物具有 新功能
dominant
正向遗传学策略
诱变剂 Mutagenesis
诱 化学诱变剂
Chemical mutagens
变
辐射 Radiation
基因测序的步伐远大于基因功能研究的脚步， 公共数据库的DNA序列每天都以数万核苷酸 的速度增加。
植物基因功能研究的现状
DNA序列的主要数据库 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ National Center for Biotechnology Information http://www.maizegdb.org/ MaizeGDB is funded by a cooperative agreement through the USDA Agricultural Research Service.
植物基因功能研究策略
正向遗传学策略 forward genetics strategy
反向遗传学策略 reverse genetics strategy
正向遗传学策略 forward genetics strategy
表现型
Phenotype
基因型
Genotype
正向遗传学策略
诱变
技
在DNA复制中自发产生。
碱基替换可以分为转换和颠换:
1.转换(transitions):嘌呤替代嘌呤,或嘧啶替 代嘧啶。
AG或GA , TC或CT 2.颠换(Tran versions):嘌呤替代嘧啶,或嘧
啶替代嘌呤。 AC, AT , CA, TA
3.移码突变（frame-shift mutation）:在 DNA复制中发生增加或减少一个或几个碱基对所造 成的突变。移码突变可造成蛋白质分子发生较大 的结构改变。
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。
正向遗传学策略
化学诱变机制
HNO2
诱
A T
H T
变
G C
mutation
mispairing
H C
基因突变对遗传信息的影响
(一）碱基替换的影响：单个碱基替换如果发生在基因 编码区，则会改变一个密码子，可以引起蛋白质一级结 构中某个氨基酸的变化。
In Molecular Biology - entire nucleic acid sequence necessary for the synthesis of a functional polypeptide (protein chain) or functional RNA
现代对基因的定义是DNA分子中含有特定遗传信息的 一段核苷酸序列总称，是遗传物质的最小功能单位。