微生物课件(周德庆)第七章Part 2 基因突变和诱变育种

一、基因突变l基因突变l突变率l突变的类型l突变的特性l基因突变自发性和不对应性的证明l基因突变的机制l紫外线对DNA的损伤和修复（一）基因突变：简称突变，是指生物体的遗传l基因突变（mutation ）：简称突变，是物质的分子结构突然发生的可遗传的变化。

染色体畸变——细胞学上可以看到染色体的变化l突变点突变——细胞学上看不到遗传物质的变化l突变株（mutant）：发生了突变的微生物细胞或菌株。

l野生型（wild type）：从自然界分离到的任何微生物在其发生突变前的原始菌株。

（二）突变率u每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率，称突变率。

如突变率为10-8指该细胞在1亿次分裂过程中，会发生一次突变。

u为了方便常用每一单位群体在每一世代中产生突变株的数目来表示。

u自然界中微生物发生自发突变的频率很低，约10-6-10-9范围内。

其它基因的突变率。

在同u突变是独立的。

某一基因发生突变不会影响基因一个细胞中同时发生两个基因突变的几率是极低的，因为双重突变型的几率只是各个突变几率的乘积。

（三）突变类型l突变的类型很多，从实用的目的出发，按突变后极少数突变株的表型是否能在选择性培养基上加以鉴别来区分。

突变株的表型选择性突变型（株）非选择性突变型（株）营养缺陷型（株）抗性突变型（株）条件致死突变型（株）形态突变型（株）抗原突变型（株）产量突变型（株）选择性突变株（selective mutant）：具有选择标记（如营养缺陷性、抗性突变型、条件致死突变型），只要选择适当的环境条件，如培养基、温度、pH值等，就比较容易检出和分离到。

非选择性突变株（non-selective mutant）：无选择标记（如产量突变型、抗原突变型、形态突变型），能鉴别这种突变体的唯一方法是检查大量菌落并找出差异。

主要突变型u营养缺陷型（auxotroph）：某一野生型菌株由于发生基因突变而丧失一种或几种生长因子的合成能力，因而无法在基本培养基上正常生长繁殖的变异类型。

可在加有某生长因子的基本培养基上选出。

u抗性突变型（resistant mutant）：由于基因突变而使原始菌株产生了对某种化学药物或致死物理因子抗性的变异类型。

如对各种抗生素的抗药性菌株。

主要突变型u条件致死突变型（conditional lethal mutant）：某菌株或病毒经基因突变后，在某种条件下可正常生长、繁殖并实现其表型,而在另一条件下却无法生长、繁殖的突变类型，称为条件致死突变型。

Ts突变株（温度敏感突变株）：是一类典型的条件致死突变型，如E. coli的某些菌株可在37℃下正常生长，却不能在42℃下生长等。

产生Ts突变株的原因是突变引起了某些重要的蛋白质的结构和功能的改变，以致在某特定的温度下能发挥其功能，而在另一温度下则不能。

主要突变型u形态突变型（morphological mutant）：由于突变而产生的个体或菌落形态所发生的非选择性变异。

u抗原突变型（antigenic mutant）：由于基因突变而引起的抗原结构发生突变的变异类型，如细胞壁缺陷变异、荚膜变异等。

u产量突变型：通过基因突变而获得的在有用代谢产物产量上高于原始菌株的变异株，也称高产突变株（highproducing mutant）。

产量性状是多因子决定，突变机制较复杂。

产量突变株又可分为正变株和负变株。

（四）突变的特点（基因突变的一般规律）适用于整个生物界，以细菌的抗药性或抗噬菌体的特性为例。

l不对应性：突变的性状与突变原因之间无直接的对应关系。

l自发性：突变可以在没有人为诱变因素处理下自发地产生。

l稀有性：突变率低且稳定。

l独立性：各种突变独立发生，不会互相影响。

l可诱发性：诱变剂可提高突变率。

l稳定性：变异性状稳定可遗传。

l可逆性：从原始的野生型基因到变异株的突变称为正向突变（forward mutation），从突变株回到野生型的过程则称为回复突变或回变（back mutation或reverse mutation）。

（五）基因突变的自发性和不对应性的证明突变型（适应环境的新性状）？突变的原因抗性突变的产生?l在各种基因突变中，抗性突变最为常见。

但在过去相当长时间内对这种抗性产生的原因争论十分激烈。

l一种观点认为，突变是通过适应而发生的，即各种抗性是由其环境（指其中所含的抵抗对象）诱发出来的，突变的原因和突变的性状间是相对应的，并认为这就是“定向变异”，也有人称它为“驯化”或“驯养”。

l另一种看法则认为，基因突变是自发的，且与环境是不相对的。

由于其中有自发突变、诱发突变、诱变剂与选择条件等多种因素错综在一起，所以难以探究问题的实质。

从1943年起，经过几个严密而巧妙的实验设计，终于解决了这场纷争。

三个经典实验l变量实验l涂布实验l影印实验1. 变量试验（fluctuation test）u变量试验又称波动试验或彷徨试验。

u1943年，S. E. Luria 和M. Delbrück 根据统计学原理，设计了如下的实验。

u噬菌体T1在这里仅起着淘汰原始的未突变菌株和甄别抗噬菌体突变型的作用，而决非驯养者的作用。

3. 平板影印培养试验（replica plating）l1952年，J. Lederberg夫妇的论文《平板影印培养法和细菌突变株的间接选择》，更好地证明了微生物的抗药性是在未接触药物前自发地产生的，这一突变与相应药物环境毫不相干。

l平板影印培养法:是一种能达到在一系列培养皿的相同位置上出现相同遗传型菌落的接种培养方法。

把长有许多菌落的母种培养皿倒置于包有灭菌丝绒布的木质圆柱印章上，使其沾上来自平板上的菌落。

然后可把这一“印章”上的菌落一一接种到不同的选择性培养基平板上。

待这些平板培养后，对各平板相同位置上的菌落作对比，就可选出适当的突变型菌株。

据报道，用此法可把母平板上10-20%量的细菌转移到丝绒布上，并可利用这一“印章”接种8个子培养皿。

因此，通过影印培养法，就可以从在非选择性条件下生长的细菌群体中，分离出各种类型的突变株。

板影印培养法在根本未接触过任何一点链霉素的情况下，就可以筛选到大量抗链霉素的突变株，充分说明了突变是自发产生的，链霉素只是起到了一种检出作用。

平板影印培养不仅在微生物遗传理论的研究中有重要应用，而且在育种实践和其它研究中均有应用，值得很好地领会。

（六）基因突变的机制l基因突变的原因是多种多样的，可以是自发的或诱发的，诱变又可分为点突变和畸变。

具体类型可归纳如下：1. 诱变机制l诱变剂（mutagen）：凡能提高突变率的任何理化因子，就称为诱变剂。

l种类：诱变剂的种类很多，作用方式多样。

即使是同一种诱变剂，也常有几种作用方式。

l定义：对DNA来说，碱基的置换属于一种染色体的微小损伤，一般也称点突变（point mutation）。

它只涉及一对碱基被另一对碱基所置换。

l分类：l转换（transition），即DNA链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所置换；A G T Cl颠换（transversion），即一个嘌呤被一个嘧啶,或是一个嘧啶被一个嘌呤所置换。

A T A CG C G Tu移码突变：指诱变剂使DNA分子中增加（插入）或缺失一个或少数几个核苷酸，从而使该部位后面的全部遗传密码的阅读框架发生改变，并进一步引起转录和转译错误的一类突变。

移码突变株（frame-u由移码突变所产生的突变株，称为突变株shift mutant）。

与染色体畸变相比，移码突变也只能算是DNA分子的微小损伤。

u吖啶类染料（包括原黄素、吖啶黄、吖啶橙和α-氨基吖啶等）以及一系列称为ICR类的化合物，都是移码突变的有效诱变剂。

u ICR类化合物：他们是一些由烷化剂与吖啶类化合物相结合的化合物。

l酸等，除了能引起点突变外，还会引起DNA的大损伤（macrolesion）——染色体畸变，它包括：l染色体结构上的变化l缺失（deletion）l重复（duplication）l易位（translocation）l倒位（inversion）l染色体数目的变化★染色体结构上的变化l分为染色体内畸变和染色体间畸变两类。

l染色体内畸变：只涉及一条染色体上的变化，l如发生染色体的部分缺失或重复时，其结果可造成基因的减少或增加；l如发生倒位或易位时，则可造成基因排列顺序的改变，但数目却不改变。

l倒位--是指断裂下来的一段染色体旋转180°后，重新插入到染色体的原位置上，从而使其基因顺序与原来的基因顺序相反；l易位--是指断裂下来的一小段染色体再顺向或逆向地插入到同一条染色体的其它部位上。

l染色体间畸变：指非同源染色体间的易位。

染色体畸变2.自发突变机制u自发突变：是指在没有人工参与下生物体自然发生的突变。

u几种自发突变的可能机制u背景辐射和环境因素的诱变效应：如天然的宇宙射线等。

u微生物自身有害代谢产物的诱变效应：如过氧化氢。

过氧化氢是普遍存在于微生物体内的一种代谢产物。

它对Neurospora（脉孢菌）有诱变作用，这种作用可因同时加入过氧化氢酶而降低，如果在加入该酶的同时又加入酶抑制剂KCN，则又可提高突变率。

这就说明，过氧化氢很可能是“自发突变”中一种内源性诱变剂。

在许多微生物的陈旧培养物中易出现自发突变株，可能也是同样的原因。

u由DNA复制过程中碱基配对错误引起。

（七）紫外线对DNA的损伤及其修复l已知的DNA损伤类型很多，机体对其修复的方式也各异。

发现较早和研究得较深入的是紫外线的作用。

l紫外线的对DNA损伤的机制：使同链DNA的相邻嘧啶间形成共价结合的胸腺嘧啶二聚体。

二聚体的出现会减弱双链间氢键的作用，并引起双链结构扭曲变形，阻碍碱基间的正常配对，从而有可能引起突变或死亡。

在互补双链间形成嘧啶二聚体的机会较少。

但一旦形成，就会妨碍双链的解开，因而影响DNA的复制和转录，并使细胞死亡。

1. 光复活作用对DNA损伤的修复u光复活作用：经紫外线照射后的微生物立即暴露于可见光下时，可明降低其死亡率的现象，称为光复活作用。

u光复活作用修复DNA损伤的方式：经紫外线照射后形成的带有胸腺嘧啶二聚体的DNA分子，在黑暗下会被一种光激活酶（photoreactivating enzyme）即光裂合酶（photolyase）结合，当形成的复合物暴露在可见光（300-500nm）下时，此酶会因获得光能而发生解离，从而使二聚体重新分解成单体。

与此同时，光激活酶也从复合物中释放出来，以便重新执行功能。

每一E.coli细胞中约含有25个光激活酶分子。

u由于一般的微生物中都存在着光复活作用，所以进行紫外线诱变育种时，只能在红光或黄光下照射及处理照射后的菌液，并放在黑暗处进行培养。

光复活作用2.暗修复作用对DNA损伤的修复又称切除修复（excision repair）。