基因突变与诱变育种
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基因突变自发产生 突变形状与突变原因不对应 自发突变几率低 不同基因的突变互不影响 诱变剂可大大提高突变率 突变基因的性状是稳定的 突变性状是可以通过再次突变回复的
（四）、基因突变自发性和非对应性的证明 ）、基因突变自发性和非对应性的证明 基因突变自发性和非对应性
三个经典实验 变量实验、涂布实验、 变量实验、涂布实验、影印实验
碱基变化与遗传信息的改变
(1)同义突变 同义突变(same-sense mutation) 同义突变 这是指某个碱基的变化没有改变产物氨基酸序列的密码子 变化，显然，这是与密码子的简并性相关的。 变化，显然，这是与密码子的简并性相关的。 (2)错义突变 错义突变(mis-sense mutation) 错义突变 是指碱基序列的改变引起了产物氨基酸的改变。有些错义 是指碱基序列的改变引起了产物氨基酸的改变。 突变严重影响到蛋白质活性甚至使之完全无活性， 突变严重影响到蛋白质活性甚至使之完全无活性，从而影响 了表型。如果该基因是必需基因， 了表型。如果该基因是必需基因，则该突变为致死突变 (lethal mutation)。 。
第二节 基因突变及和诱变育种
一、基因突变（gene mutation） 基因突变（ ） 二、突变与育种
一、基因突变（gene mutation） 基因突变（ ）
一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变 序列的任何改变 一个基因内部遗传结构或 基因突变是重要的生物学现象， 基因突变是重要的生物学现象，它是一 切生物变化的根源，连同基因转移、 切生物变化的根源，连同基因转移、重组一起 提供了推动生物进化的遗传多变性。 提供了推动生物进化的遗传多变性。
在基本培养基上能否生长
营养缺陷型是微生物遗传学研究中重要的选择标记和 育种的重要手段
营养缺陷型特点：
在选择培养基（一般为基本培养基） 在选择培养基（一般为基本培养基）上不生长
负选择标记
突变株不能通过选择平板直接获得
营养缺陷型的表示方法：
所需营养物的前三个英文小写斜体字母表示： 所需营养物的前三个英文小写斜体字母表示： 基因型： hisC（组氨酸缺陷型，C同一表型中不同基因的突变） （组氨酸缺陷型， 同一表型中不同基因的突变 同一表型中不同基因的突变）
第一个字母大写， 第一个字母大写 且不用斜体： 表型： 同上，但第一个字母大写，且不用斜体：HisC 在具体使用时多用hisC-和hisC+，分别表示缺陷型和野生型。 分别表示缺陷型和野生型。 在具体使用时多用
2）抗药性突变型（resistant mutant） ）抗药性突变型（ ）
基因突变使菌株对某种或某几种药物，特别是抗生素，产生抗性。 基因突变使菌株对某种或某几种药物，特别是抗生素，产生抗性。
常用的条件致死突变是温度敏感突变， 常用的条件致死突变是温度敏感突变，用ts （temperaturesensitive）表示，这类突变在高温下 ）表示， （如42℃）是致死的，但可以在低温（如25-30℃）下 ℃ 是致死的，但可以在低温（ ℃ 得到这种突变。 得到这种突变。 特点： 负选择标记 这类突变型常被用来分离生长繁殖必需的突变基因
1. 诱变突变
许多化学、 许多化学、物理和生物因子能够提高其突变频
率，将这些能使突变率提高到自发突变水平以上的 物理、化学和生物因子称为诱变剂 物理、化学和生物因子称为诱变剂(mutagen)。 。
常用的诱变剂 碱基类似物(Base analog) (1)碱基类似物 碱基类似物 (2)插入染料 插入染料(intercalating dye) 插入染料 (3)直接与 直接与DNA碱基起化学反应的诱变剂 直接与 碱基起化学反应的诱变剂 (4)辐射和热 辐射和热 (5)生物诱变因子 生物诱变因子
（二）、突变率（mutation rate） ）、突变率（ 突变率 ）
细胞或病毒在每一世代中， 细胞或病毒在每一世代中，某一性状 发生突变的几率。 发生突变的几率。
一般基因的自发突变率为百万分之一
（三）、基因突变的特点 ）、基因突变的特点 1）自发性 ） 2）非对应性 ） 3）稀有性 ） 4）独立性 ） 5）可诱变性 ） 6）稳定性 ） 7）可逆性 ）
(2)插入染料 插入染料(intercalating dye) 插入染料
分子形态上类似于碱基对的扁平分子。 分子形态上类似于碱基对的扁平分子。可以 通过插入DNA分子的碱基对之间，使其分开， 分子的碱基对之间，使其分开， 通过插入 分子的碱基对之间 从而导致DNA在复制过程中的滑动，这种滑动 在复制过程中的滑动， 从而导致 在复制过程中的滑动 增加了一小段DNA插入和缺失的机率，导致突 插入和缺失的机率， 增加了一小段 插入和缺失的机率 变率的增加，常引起移码突变。 变率的增加，常引起移码突变。 溴化乙锭和吖啶橙是这类诱变剂的代表。 溴化乙锭和吖啶橙是这类诱变剂的代表。
4）形态突变型（morphological mutant） ）形态突变型（ ）
造成形态改变的突变型 特点： 非选择性突变
突变株和野生型菌株均可生长，但可从形态特征上进行区分。
举例：
产蛋白酶缺陷突变株的筛选 菌落颜色变化 形成芽孢缺陷菌株 β半乳糖苷酶基因的插入失活，使重组子菌落为白色而 与兰色的非重组子分开。 细胞水平上的形态突变，突变株的检出更加困难。
证明突变的性状与引起突变的原因间无直接对应关系！ 证明突变的性状与引起突变的原因间无直接对应关系！
变量实验（fluctuation analysis）Salvador Luria and Max Delbruck（1943）
Salvador Luria
Max Delbruck
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1969
(1)碱基类似物 碱基类似物(Base analog) 碱基类似物
溴尿嘧啶和2-氨基嘌呤 5-溴尿嘧啶和 氨基嘌呤，在DNA复制过程 溴尿嘧啶和 氨基嘌呤， 复制过程 中能够整合进DNA分子，但由于它们比正常碱 分子， 中能够整合进 分子 基产生异构体的频率高，因此出现碱基错配的机 基产生异构体的频率高， 率也高，从而提高突变频率。 率也高，从而提高突变频率。
突变真的与选择压力无关吗？
适应性突变（adaptive mutability）和高频突变（hypermutation ）
Benson S. Adaptive mutation: a general phenomenon or special case? Bioessays. 1997 Jan;19(1):9-11. Review. Galitski T, Roth JR. A search for a general phenomenon of adaptive mutability. Genetics. 1996 Jun;143(2):645-59. Dan I. Andersson, E. Susan Slechta, and John R. Roth Evidence That Gene Amplification Underlies Adaptive Mutability of the Bacterial lac Operon。 Science 1998 November 6; 282: 1133-1135. Godoy VG, Fox MS. Transposon stability and a role for conjugational transfer in adaptive mutability. Proc Natl Acad Sci U S A. 2000 Jun 20;97(13):7393-8. Bull HJ, McKenzie GJ, Hastings PJ, Rosenberg SM. Evidence that stationary-phase hypermutation in the Escherichia coli chromosome is promoted by recombination. Genetics. 2000 Apr;154(4):1427-37.
Newcombe的涂布实验（1949）
影印实验（replica plating ）Joshua Lederberg and Esther Lederberg（1952）
Joshua Lederberg
J. Lederberg is awarded the Noble Prize in Medicine and Physiology in 1958
（五）、基因突变及其机制 ）、基因突变及其机制 自发突变
环境因素的影响， 环境因素的影响，DNA复制 复制
突 变
过程的偶然错误等而导致，一般 过程的偶然错误等而导致， 频率较低，通常为 频率较低，通常为10-6-10-9 。 某些物理、 诱发突变 某些物理、化学因素对生 物体的DNA进行直接作用，突变以 进行直接作用， 物体的 进行直接作用 较高的频率产生。 较高的频率产生。
基因型
Fra Baidu bibliotek表型
野生型菌株
突变菌株
（一）突变类型 1）营养缺陷型（auxotroph） ）营养缺陷型（ ）
一种缺乏合成其生存所必须的营养物（包括氨基酸、 一种缺乏合成其生存所必须的营养物（包括氨基酸、 维生素、碱基等）的突变型， 维生素、碱基等）的突变型，只有从周围环境或培养基中 获得这些营养或其前体物（ 获得这些营养或其前体物（precursor）才能生长。 ）才能生长。 表型判断的标准：
5）抗原突变型 ） 由于突变引起的细胞抗原结构发生 变异的类型。 变异的类型。
细胞壁缺陷变异 假膜、 假膜、鞭毛成分变异
6）其产量突变型 ） 通过基因突变而产生的在代谢产物 产量上明显有别于原始菌株的突变。 产量上明显有别于原始菌株的突变。 正突变（ 正突变（plus mutant） ） 负突变（ 负突变（minus mutant） ）
(3)直接与 直接与DNA碱基起化学反应的诱变剂 直接与 碱基起化学反应的诱变剂
亚硝酸：引起含NH2基的碱基 基的碱基(A.G.C)产生氧化脱氨反应，使 产生氧化脱氨反应， 亚硝酸：引起含 基的碱基 产生氧化脱氨反应 氨基变为酮基，从而改变配对性质造成碱基置换突变。 氨基变为酮基，从而改变配对性质造成碱基置换突变。 羟胺：只和胞嘧啶发生反应，因此只引起GC→AT的转换。 的转换。 羟胺：只和胞嘧啶发生反应，因此只引起 的转换 烷基化试剂：其烷基化位点主要在鸟嘌呤的 位和腺嘌呤N-3 烷基化试剂：其烷基化位点主要在鸟嘌呤的N-7位和腺嘌呤 位和腺嘌呤 位上。 位上。烷化后的碱基也像碱基结构类似物一样能引起碱基配对 的错误。 的错误。
特点： 特点
在加有相应抗生素的平板上， 正选择标记 在加有相应抗生素的平板上， 只有抗性突变能生长。 只有抗性突变能生长。
表示方法： 表示方法：所抗药物的前三个小写斜体英文字母加上
表示： “r”表示：strr 和 strs 分别表示对链霉素的 表示 抗性和敏感性
3）条件致死突变型（conditional lethal mutant） ）条件致死突变型（ ） 在某一条件下具有致死效应， 在某一条件下具有致死效应，而在另一条件 下没有致死效应的突变型。 下没有致死效应的突变型。
(3)无义突变 无义突变(nonsense mutation) 无义突变 是指某个碱基的改变， 是指某个碱基的改变，使代表某种氨基酸的密码 子变为蛋白质合成的终止密码子(UAA，UAG， 子变为蛋白质合成的终止密码子 ， ， UGA)。蛋白质的合成提前终止，产生截短的蛋白 。蛋白质的合成提前终止， 质。 (4)移码突变 移码突变(frameshift mutation) 移码突变 由于DNA序列中发生 个核苷酸的缺失式插入 序列中发生1-2个核苷酸的缺失式插入 由于 序列中发生 使翻译的阅读框发生改变， ，使翻译的阅读框发生改变，从而导致从改变位置 以后的氨基序列的完全变化
（四）、基因突变自发性和非对应性的证明 ）、基因突变自发性和非对应性的证明 基因突变自发性和非对应性
三个经典实验 变量实验、涂布实验、 变量实验、涂布实验、影印实验
碱基变化与遗传信息的改变
(1)同义突变 同义突变(same-sense mutation) 同义突变 这是指某个碱基的变化没有改变产物氨基酸序列的密码子 变化，显然，这是与密码子的简并性相关的。 变化，显然，这是与密码子的简并性相关的。 (2)错义突变 错义突变(mis-sense mutation) 错义突变 是指碱基序列的改变引起了产物氨基酸的改变。有些错义 是指碱基序列的改变引起了产物氨基酸的改变。 突变严重影响到蛋白质活性甚至使之完全无活性， 突变严重影响到蛋白质活性甚至使之完全无活性，从而影响 了表型。如果该基因是必需基因， 了表型。如果该基因是必需基因，则该突变为致死突变 (lethal mutation)。 。
第二节 基因突变及和诱变育种
一、基因突变（gene mutation） 基因突变（ ） 二、突变与育种
一、基因突变（gene mutation） 基因突变（ ）
一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变 序列的任何改变 一个基因内部遗传结构或 基因突变是重要的生物学现象， 基因突变是重要的生物学现象，它是一 切生物变化的根源，连同基因转移、 切生物变化的根源，连同基因转移、重组一起 提供了推动生物进化的遗传多变性。 提供了推动生物进化的遗传多变性。
在基本培养基上能否生长
营养缺陷型是微生物遗传学研究中重要的选择标记和 育种的重要手段
营养缺陷型特点：
在选择培养基（一般为基本培养基） 在选择培养基（一般为基本培养基）上不生长
负选择标记
突变株不能通过选择平板直接获得
营养缺陷型的表示方法：
所需营养物的前三个英文小写斜体字母表示： 所需营养物的前三个英文小写斜体字母表示： 基因型： hisC（组氨酸缺陷型，C同一表型中不同基因的突变） （组氨酸缺陷型， 同一表型中不同基因的突变 同一表型中不同基因的突变）
第一个字母大写， 第一个字母大写 且不用斜体： 表型： 同上，但第一个字母大写，且不用斜体：HisC 在具体使用时多用hisC-和hisC+，分别表示缺陷型和野生型。 分别表示缺陷型和野生型。 在具体使用时多用
2）抗药性突变型（resistant mutant） ）抗药性突变型（ ）
基因突变使菌株对某种或某几种药物，特别是抗生素，产生抗性。 基因突变使菌株对某种或某几种药物，特别是抗生素，产生抗性。
常用的条件致死突变是温度敏感突变， 常用的条件致死突变是温度敏感突变，用ts （temperaturesensitive）表示，这类突变在高温下 ）表示， （如42℃）是致死的，但可以在低温（如25-30℃）下 ℃ 是致死的，但可以在低温（ ℃ 得到这种突变。 得到这种突变。 特点： 负选择标记 这类突变型常被用来分离生长繁殖必需的突变基因
1. 诱变突变
许多化学、 许多化学、物理和生物因子能够提高其突变频
率，将这些能使突变率提高到自发突变水平以上的 物理、化学和生物因子称为诱变剂 物理、化学和生物因子称为诱变剂(mutagen)。 。
常用的诱变剂 碱基类似物(Base analog) (1)碱基类似物 碱基类似物 (2)插入染料 插入染料(intercalating dye) 插入染料 (3)直接与 直接与DNA碱基起化学反应的诱变剂 直接与 碱基起化学反应的诱变剂 (4)辐射和热 辐射和热 (5)生物诱变因子 生物诱变因子
（二）、突变率（mutation rate） ）、突变率（ 突变率 ）
细胞或病毒在每一世代中， 细胞或病毒在每一世代中，某一性状 发生突变的几率。 发生突变的几率。
一般基因的自发突变率为百万分之一
（三）、基因突变的特点 ）、基因突变的特点 1）自发性 ） 2）非对应性 ） 3）稀有性 ） 4）独立性 ） 5）可诱变性 ） 6）稳定性 ） 7）可逆性 ）
(2)插入染料 插入染料(intercalating dye) 插入染料
分子形态上类似于碱基对的扁平分子。 分子形态上类似于碱基对的扁平分子。可以 通过插入DNA分子的碱基对之间，使其分开， 分子的碱基对之间，使其分开， 通过插入 分子的碱基对之间 从而导致DNA在复制过程中的滑动，这种滑动 在复制过程中的滑动， 从而导致 在复制过程中的滑动 增加了一小段DNA插入和缺失的机率，导致突 插入和缺失的机率， 增加了一小段 插入和缺失的机率 变率的增加，常引起移码突变。 变率的增加，常引起移码突变。 溴化乙锭和吖啶橙是这类诱变剂的代表。 溴化乙锭和吖啶橙是这类诱变剂的代表。
4）形态突变型（morphological mutant） ）形态突变型（ ）
造成形态改变的突变型 特点： 非选择性突变
突变株和野生型菌株均可生长，但可从形态特征上进行区分。
举例：
产蛋白酶缺陷突变株的筛选 菌落颜色变化 形成芽孢缺陷菌株 β半乳糖苷酶基因的插入失活，使重组子菌落为白色而 与兰色的非重组子分开。 细胞水平上的形态突变，突变株的检出更加困难。
证明突变的性状与引起突变的原因间无直接对应关系！ 证明突变的性状与引起突变的原因间无直接对应关系！
变量实验（fluctuation analysis）Salvador Luria and Max Delbruck（1943）
Salvador Luria
Max Delbruck
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1969
(1)碱基类似物 碱基类似物(Base analog) 碱基类似物
溴尿嘧啶和2-氨基嘌呤 5-溴尿嘧啶和 氨基嘌呤，在DNA复制过程 溴尿嘧啶和 氨基嘌呤， 复制过程 中能够整合进DNA分子，但由于它们比正常碱 分子， 中能够整合进 分子 基产生异构体的频率高，因此出现碱基错配的机 基产生异构体的频率高， 率也高，从而提高突变频率。 率也高，从而提高突变频率。
突变真的与选择压力无关吗？
适应性突变（adaptive mutability）和高频突变（hypermutation ）
Benson S. Adaptive mutation: a general phenomenon or special case? Bioessays. 1997 Jan;19(1):9-11. Review. Galitski T, Roth JR. A search for a general phenomenon of adaptive mutability. Genetics. 1996 Jun;143(2):645-59. Dan I. Andersson, E. Susan Slechta, and John R. Roth Evidence That Gene Amplification Underlies Adaptive Mutability of the Bacterial lac Operon。 Science 1998 November 6; 282: 1133-1135. Godoy VG, Fox MS. Transposon stability and a role for conjugational transfer in adaptive mutability. Proc Natl Acad Sci U S A. 2000 Jun 20;97(13):7393-8. Bull HJ, McKenzie GJ, Hastings PJ, Rosenberg SM. Evidence that stationary-phase hypermutation in the Escherichia coli chromosome is promoted by recombination. Genetics. 2000 Apr;154(4):1427-37.
Newcombe的涂布实验（1949）
影印实验（replica plating ）Joshua Lederberg and Esther Lederberg（1952）
Joshua Lederberg
J. Lederberg is awarded the Noble Prize in Medicine and Physiology in 1958
（五）、基因突变及其机制 ）、基因突变及其机制 自发突变
环境因素的影响， 环境因素的影响，DNA复制 复制
突 变
过程的偶然错误等而导致，一般 过程的偶然错误等而导致， 频率较低，通常为 频率较低，通常为10-6-10-9 。 某些物理、 诱发突变 某些物理、化学因素对生 物体的DNA进行直接作用，突变以 进行直接作用， 物体的 进行直接作用 较高的频率产生。 较高的频率产生。
基因型
Fra Baidu bibliotek表型
野生型菌株
突变菌株
（一）突变类型 1）营养缺陷型（auxotroph） ）营养缺陷型（ ）
一种缺乏合成其生存所必须的营养物（包括氨基酸、 一种缺乏合成其生存所必须的营养物（包括氨基酸、 维生素、碱基等）的突变型， 维生素、碱基等）的突变型，只有从周围环境或培养基中 获得这些营养或其前体物（ 获得这些营养或其前体物（precursor）才能生长。 ）才能生长。 表型判断的标准：
5）抗原突变型 ） 由于突变引起的细胞抗原结构发生 变异的类型。 变异的类型。
细胞壁缺陷变异 假膜、 假膜、鞭毛成分变异
6）其产量突变型 ） 通过基因突变而产生的在代谢产物 产量上明显有别于原始菌株的突变。 产量上明显有别于原始菌株的突变。 正突变（ 正突变（plus mutant） ） 负突变（ 负突变（minus mutant） ）
(3)直接与 直接与DNA碱基起化学反应的诱变剂 直接与 碱基起化学反应的诱变剂
亚硝酸：引起含NH2基的碱基 基的碱基(A.G.C)产生氧化脱氨反应，使 产生氧化脱氨反应， 亚硝酸：引起含 基的碱基 产生氧化脱氨反应 氨基变为酮基，从而改变配对性质造成碱基置换突变。 氨基变为酮基，从而改变配对性质造成碱基置换突变。 羟胺：只和胞嘧啶发生反应，因此只引起GC→AT的转换。 的转换。 羟胺：只和胞嘧啶发生反应，因此只引起 的转换 烷基化试剂：其烷基化位点主要在鸟嘌呤的 位和腺嘌呤N-3 烷基化试剂：其烷基化位点主要在鸟嘌呤的N-7位和腺嘌呤 位和腺嘌呤 位上。 位上。烷化后的碱基也像碱基结构类似物一样能引起碱基配对 的错误。 的错误。
特点： 特点
在加有相应抗生素的平板上， 正选择标记 在加有相应抗生素的平板上， 只有抗性突变能生长。 只有抗性突变能生长。
表示方法： 表示方法：所抗药物的前三个小写斜体英文字母加上
表示： “r”表示：strr 和 strs 分别表示对链霉素的 表示 抗性和敏感性
3）条件致死突变型（conditional lethal mutant） ）条件致死突变型（ ） 在某一条件下具有致死效应， 在某一条件下具有致死效应，而在另一条件 下没有致死效应的突变型。 下没有致死效应的突变型。
(3)无义突变 无义突变(nonsense mutation) 无义突变 是指某个碱基的改变， 是指某个碱基的改变，使代表某种氨基酸的密码 子变为蛋白质合成的终止密码子(UAA，UAG， 子变为蛋白质合成的终止密码子 ， ， UGA)。蛋白质的合成提前终止，产生截短的蛋白 。蛋白质的合成提前终止， 质。 (4)移码突变 移码突变(frameshift mutation) 移码突变 由于DNA序列中发生 个核苷酸的缺失式插入 序列中发生1-2个核苷酸的缺失式插入 由于 序列中发生 使翻译的阅读框发生改变， ，使翻译的阅读框发生改变，从而导致从改变位置 以后的氨基序列的完全变化