基因突变与体细胞变异

2.3.3. 基因的回复突变 （back mutation / reverse mutation）
2.3.3.1. 回复突变的概念
2.1. Point mutation 的类型
● conversion (取代)
transition(转换)
Py Py Pu
Pu
transvertion(颠换) Py Pu
● dNt deletion or insertion = 3x dNt ±n x Amino acid = 3x dNt Frame shift
● conversion effect ---Same sense mut. ---Mis-sense mut. ---Nonsense mut.
GAA(谷) → GAG(谷) GAA(谷) → AAA(赖) GAA(谷) → TAA(stop)
● 突变的表达类型 ---获得突变型是遗传学研究的重要前提 ---非条件型突变： allele in DNA level (RFLP, RAPD…) allele in phenotype (红花/白花，糯/非糯…) 条件型突变： 突变的表现 = 突变基因型 + 诱导条件
2.1. Point mutation 的类型 2.2. 突变发生的机理 (自发突变，诱发突变) 2.3. 保证遗传稳定的机制 2.4. 基因重组交换的分子生物学 2.5. 遗传变异(DNA) 的检测
Genetic mutation
Chromosome mutation
chromosome number chromosome structure dNt point mutation
– 从生理生化特性上看，容易出现同功酶谱、次生代 谢的消长等变异。
• 嵌合性：指同一有机体中同时存在有遗传组成 不同的细胞。
– 必须分离培养才能纯化。
离体再生植株的表型变异频率
植物种类
烟草 水稻 甘蔗 玉米 大麦 马铃薯 菠萝
再生植株来源
体细胞愈伤组织 胚愈伤组织 幼叶愈伤组织 体细胞愈伤组织 花粉植株 叶肉原生质体 顶芽愈伤组织 腋芽愈伤组织 幼果愈伤组织
• 普遍性：
• 是植物组织培养过程中的普遍现象，不限于某些 植物，也不限于某些器官，变异所涉及的性状也 相当广泛。
• 植物组织培养可导致产生体细胞无性系变异，而 且某些变异能够遗传下去。
• 局限性：
– 从表型上看，体细胞变异主要是植株形态（株高、 叶形、叶色等）、生长势、育性、某些抗性等性状 的变异。
DNA mismatch
MRS
Mismatch Repair System
DNApol (ξ= 10-8) 经第二次校正ξ= 10-11
2.3.2. DNA的损伤修复
2.3.2.1. photo reactivation
----TT-------AA----
----TT-------AA----
• Before replication & Error-free
它们在育种上都有着重要意义。
物理诱变
• 物理诱变因素：紫外线、ｘ射线、γ射线、 α射线、β射线、中子、质子等.
• 物理诱变的处理方法：外照射、内照射、重复照
化学诱变
• 化学诱变因素：
• 碱基类似物：如5-溴脱氧尿嘧啶是T的类似物；2-氨 基嘌呤是嘌呤的类似物。
• 烷化剂：使碱基烷化，导致碱基错配。EMS，MMS。
A
C
HNO2
deamination
G
Inosine
C
Uracil
A
Xanthine
C
d) Alkylation agent (烷化剂)mutagens
EMS (Ethyl methane sulfanate)
O
CH3—S—O--CH2CH3
O O
MMS (Methane methane sulfanate)CH3—S—O--CH3 O
• 当复制进行到损伤处时，发生短时间的停顿，然后 越过损伤处，又以一种未知的机制起始DNA复制， 这样在子链上就会产生一个缺口。
• 另一条DNA互补链则正常完成复制形成双链。
2.3.2.3. Recombinative—Repair
• 两条新链间发生重组，带有缺口的子链以正 常互补母链为模板完成修复，而带损伤的母 链则与一条正常的子链配对。
影响体细胞无性系变异的因素
• 植物的繁殖世代及品种差异 • 外植体来源 • 愈伤组织继代次数 • 培养基成分：激素 • 培养过程中理化因素 • 植株再生方式
遗传变异检测方法
• 染色体计数 • 同工酶 • 蛋白质电泳 • 分子标记（AFLP,SSR, ISSR, RAPD,
SSAP etc）
2. 基因突变
• 体细胞无性系变异：是指植物外植体经组 织、细胞培养的脱分化和再分化过程，表 现于再生植株中的变异。
• 已经观察到体细胞无性系变异的农作物有 甘蔗、香蕉、马铃薯、小麦、水稻、水晶 掌等上百种。
＊自然界生物突变现象
＊自然界生物突变现象
＊自然界生物突变现象
＊自然界生物突变现象
1.1离体变异特点
1.2 来 源
• 自发无性系变异 • 诱导无性系变异
• 培养基的选择：MS培养基或B5培养基，做一些定性或 者定量的变动。激素的作用。
• 外植体的选择：突变的频率不同(分化程度较高变异少)。
1.2 来源
• 诱变培养：筛选符合目的要求的突变体
• 诱变因素主要有两类:
• 物理诱变：各种射线； • 化学诱变：甲基磺酸乙酯(MMS)，乙基磺酸乙酯(EMS) • 激素
化学诱变
• 能结合到DNA中的化合物 ：引起ＤＮＡ分 子遗传密码的阅读顺序发生改变。
• 主要方法：浸渍法、滴液法、注射法、 涂抹法、施入法和熏蒸法等。
1.3 遗传学基础
具体表现在 ： • 染色体数目和结构变异； • 基因突变； • 碱基修饰（表观遗传变异）； • 基因扩增或丢失（转座效应）； • 基因重排（转座效应） ； • 转座子的激活；
SM (Sulfur Mustards gas 硫芥子气) HS CH2CH2Cl CH2CH2Cl
诱变效应； • 使碱基多处发生烷化，导致DNA结构变异
A
H2N
G
O
敏感
位点 N1, N3, C6-N, N7, C8 C H2N
H NH
N1, C2-N, N3, C6-O, N7, C8
T
O
O N3, C4-N
-ATTTCG -TAAAGC-
-ATX’TTTTCG-TAX AAAAGC-
2.2.2.3. Mutation Hotpoint 基因自发突变的频率是一定的
玉米
R 粒色
492/106
I 色素抑制基因 106/106
Pr 紫色
11/106
Su 非甜 Y 黄色子粒 Sh 饱满子粒
2.4/106 2.2/106 1.2/106
碱基异构式引起DNA复制的错配
正确配对 A(a) T(k)
G(k) C(a)
错误配对 A(a) C(i)
G(k) T(e)
A(i) C(a) G(e) T(k)
A(i, anti) A(a, syn) A(i, anti) G(k, syn)
G(e,i, anti) G(k, syn) G(e,i, anti) A(a, syn)
• 经若干代后，即使母链上的DNA损伤仍存在， 在后代中所占比例也越来越少，对表型的影 响也越来越小，就好像已经修复正常。
2.3.2.4. SOS repair (U.V. reactivation or W reactivation)
SOS repair 是一种error-prone 极强的修复机制 是进化中形成的“ 竭尽全力，治病救人” 的措施
dNt电荷及结构改变
b) 非电离辐射—Ultra Violet light (U.V)
∧ ---pyrimidine dimer (TT dimer )is generated by
covalent links between adjacent TT
U.V.
…C T T A…
2.2.2.2 化学诱变 a) 干扰碱基合成的化学诱变剂
C
m5C deamination T
U c) 不同诱变剂作用位点不同，转座子插入位点不同
2.3. 保证遗传稳定的机制
复制过程中的错配修复 基因的回复突变 致死突变
DNA的损伤修复 密码的简并 多倍体……
2.3.1. 复制过程中的错配修复机制 (ξ= 10-11)
+ ----- A----- ------C---
变异频率(%)
10 71.9 >18 14 10－15 100 7 34 100
离体培养变异的影响因素
• 供体植物
– 遗传背景
倍性水平，二倍体比单倍体稳定 基因型
– 生理状态
来源于茎尖的愈伤组织的DNA含量及染色体 数的稳定性好于来源于薄壁细胞的
• 继代培养的次数
• 培养基及培养方式
亚二倍体是指正常的46条染色体丢失一个或多个染色体 继代次数越多，细胞变异概率越高
（正常状态下，SOS是关闭的）
2.3.2.5. 突变的形成
DNA
物理诱变，化学诱变，自发突变
DNA damaged / mispairing
未经修复
经过修复 / 校正
死亡 突变率降低
倾向差错修复
(重组修复，SOS）
避免差错修复 (光修复，切补修复)
突变是在修复过程中形成的（非准确的修复）
形成突变
不形成突变
不同基因 DNA序列不同 形成特定排列的 突变热点频率不同
Mutation Hotpoint ？
a) repetitive seq. / palindromic seq. e.g. Lac. Operon ---CTGGCTGGCTGG---
复制时，模板与新生链间滑动错配
缺失，插入突变
b) m5C
• Error-free
补
•UvrA, B, C gene
修
Endonucleases
Exonuclease
复
• DNA pol
• Ligase
2.3.2.3. Recombinative—Repair
• 是一种复制后修复，必须依赖重组的过程，原DNA 损伤可能永远存在于子代细胞并遗传下去，也可能 被其他机制修复。
基因突变与体细胞变异
（Somatic Variation and Plant Genetic Improvement）
1.植物体细胞变异定义
•体细胞变异：与性细胞变异相对应，即非性细胞产生的变 异，按变异的性质可分为遗传变异和表观遗传变异，按照离 体与否分为体细胞变异（芽变，不离体, somatic variation） 和体细胞无性系变异（离体, somaclonal variation）。
3.2.2. 诱发突变
3.2.2.1. 物理诱变
a) 电离辐射诱变；
Co60 (χ)( γ) ray Cs137(χ) (γ) ray H3 (α) ray P32,, S35(β) ray
(χ)( γ) ray穿透性
（外照射处理）
(α) (β) ray非穿透性
（内标记处理）
卫星搭载诱变: 高真空，强辐射，微重力
（光、温敏感不育，Ts, su--…）
3.2. 突 变 发 生 的 机 理 (自发突变，诱发突变)
2.2.1. 自发突变
碱基异构式引起DNA复制过程的错误 a) 碱基异构式
A(amino) G(keto) T(keto)
A(imino) C(a)
C(i)
G(enol)
G(k)
G(e,i)
T(enol-2’) or T(enol-4’)
O N3, C4-O
e) Mutagen—insertion--framshift
AO (Acridine Orange) EB (Ethidium Bromide)
扁平分子
分子插入
-ATTTTTCG - AO -TAAAAAGC- E B
TAO T
Βιβλιοθήκη Baidu
-A
TTTCG -
-T
AAAGC-
-AT EB TTTTCG-TA X A- AAAGC
5-Amino Uracil O
6-Mercalto purine SH
H2N O
干扰嘧啶合成
干扰嘌呤合成
b) base analogs leads to mispairing (5-BrU)
c) Base modifying chemical mutagen
HNO2 (Nitrous acid NA)
• 400 nm Blue light & phR gene (photo-reactivation enzyme)
可见光激活
----TT-------AA----
phR 471aa
----TT-------AA----
2.3.2.2.
Exision—Repair
切
•Before Replication