第九章基因突变与诱变育种 微生物与其他任何生物一样具有遗传性(inheritance)和变异性 (variation),遗传和变异是生命永恒的规律。遗传保证了物种的稳定性，而 变异则是生物进化的主要动力。 微生物的变异主要是由于微生物的基因发生变异所引起的，基因发生突变的 类型及其诱发因素是多样的。人们可以利用这种微生物基因的突变进行定向的筛 选育种。在群体中，自然发生变异的机率极低，但一旦发生后，却是稳定的和可 遗传的。我们也可以利用物理或化学方法，提高突变发生的频率，对微生物进行 诱变育种。 第一节基因突变 一.基因突变概念 突变包括基因突变(gene mutation)或称点突变(point mutation)和 染色体畸变或称多位点突变(chromosomal aberration）两大类型。 基因突变是由于DNA(RNA病毒和噬菌体的RNA)链上的一对或少 数几对碱基的缺失、插入或置换而导致的遗传变化。 染色体畸变则是DNA链上大片段发生变化或损伤所引起的突变类型。这 里包括染色体DNA链上的插入(insertion)、缺失(deletion)、重复 (duplication)、易位(translocation)、倒位(inversion)等。 二.基因突变的类型 不同的碱基变化对遗传信息的改变是不同的，可分为四种类型： 1.同义突变(same-sense mutation) 由于密码子的简并性，某个碱基的变化没有引起氨基酸序列的变化。 这种突变不会发生表型变化。 2.错义突变(mis-sense mutation) 指碱基序列的改变引起产物氨基酸的改变。 有些错义突变严重影响蛋白质活性，甚至使活性完全丧失：而有的基本不影 响蛋白活性。 3.无义突变(nonsense mutation)
1 第九章 基因突变与诱变育种 微生物与其他任何生物一样具有遗传性（ inheritance ）和变异性 （ variation ），遗传和变异是生命永恒的规律。遗传保证了物种的稳定性，而 变异则是生物进化的主要动力。 微生物的变异主要是由于微生物的基因发生变异所引起的，基因发生突变的 类型及其诱发因素是多样的。人们可以利用这种微生物基因的突变进行定向的筛 选育种。在群体中，自然发生变异的机率极低，但一旦发生后，却是稳定的和可 遗传的。我们也可以利用物理或化学方法，提高突变发生的频率，对微生物进行 诱变育种。 第一节 基因突变 一． 基因突变概念 突变包括基因突变（ gene mutation ）或称点突变（ point mutation ）和 染色体畸变或称多位点突变（ chromosomal aberration ）两大类型。 基因突变是由于 DNA （ RNA 病毒和噬菌体的 RNA ）链上的一对或少 数几对碱基的缺失、插入或置换而导致的遗传变化。 染色体畸变则是 DNA 链上大片段发生变化或损伤所引起的突变类型。这 里包括染色体 DNA 链上的插入（ insertion ）、缺失（ deletion ）、重复 （ duplication ）、易位（ translocation ）、倒位（ inversion ）等。 二． 基因突变的类型 不同的碱基变化对遗传信息的改变是不同的，可分为四种类型： 1.同义突变（same-sense mutation） 由于密码子的简并性，某个碱基的变化没有引起氨基酸序列的变化。 这种突变不会发生表型变化。 2.错义突变（mis-sense mutation） 指碱基序列的改变引起产物氨基酸的改变。 有些错义突变严重影响蛋白质活性，甚至使活性完全丧失；而有的基本不影 响蛋白活性。 3. 无义突变（nonsense mutation）
指某个碱基的改变，使代表某种氨基酸的密码子变为终止密码子(UAA,UAG, UGA),蛋白质合成提前终止。形成不完整的肽链，产物一般没有活性。 4.移码突变(frameshift mutation) 由于DNA序列发生1-2个核苷酸的缺失或插入，使翻译的阅读框发生改变， 导致从改变位置以后的氨基酸序列完全变化。 结果翻译出来的蛋白与野生型完全不同。但如果缺失或插入的碱基是3的倍 数，则翻译出的多肽上多一个、几个氨基酸或少一个、几个氨基酸，而不打乱后 面的氨基酸顺序。 三.基因突变的表型变化 除了同义突变外，突变可引起多种多样的表型变化。 表型(phenotype):是指可观察到的性状，是特定的基因型在一定环境条件下的 表现。 遗传型（genotype).:又称基因型，指某一生物个体所含有的全部遗传因子，即： 基因的总和。 具有某遗传型的生物，只有在适当的环境条件下，通过自身的代谢和发育， 才能产生表型。 1.营养缺陷型(auxotroph) 一种缺乏合成其生存所必须的一种或几种营养物的突变型，只能从周围环境 或培养基中获得这些营养或其前体(precursor)才能生长。 常用表示基因型的方法：（所需营养物的前三个英文小写字母） 例如 hiC:组氨酸缺陷型 )A·：色氨酸缺陷型（其中A、C表示同一表型中不同基因的突变） 营养缺陷型突变株不能直接分离，但可通过影印培养法来筛选（如图p219)。 2.抗性突变型(resistant mutant) 由于基因突变使菌株对某种或某几种药物（特别是抗生素）或生物（噬菌体）、 物理因素（紫外）产生抗性的一种突变。 表示方法（所抗药物前三个小写斜体英文字母加上「或s) srr:抗链霉素(resistant)
2 指某个碱基的改变，使代表某种氨基酸的密码子变为终止密码子（UAA,UAG, UGA），蛋白质合成提前终止。形成不完整的肽链，产物一般没有活性。 4. 移码突变（frameshift mutation） 由于 DNA 序列发生 1-2 个核苷酸的缺失或插入，使翻译的阅读框发生改变， 导致从改变位置以后的氨基酸序列完全变化。 结果翻译出来的蛋白与野生型完全不同。但如果缺失或插入的碱基是 3 的倍 数，则翻译出的多肽上多一个、几个氨基酸或少一个、几个氨基酸，而不打乱后 面的氨基酸顺序。 三． 基因突变的表型变化 除了同义突变外，突变可引起多种多样的表型变化。 表型（phenotype）:是指可观察到的性状，是特定的基因型在一定环境条件下的 表现。 遗传型（genotype）: 又称基因型，指某一生物个体所含有的全部遗传因子，即： 基因的总和。 具有某遗传型的生物，只有在适当的环境条件下，通过自身的代谢和发育， 才能产生表型。 1. 营养缺陷型（auxotroph） 一种缺乏合成其生存所必须的一种或几种营养物的突变型，只能从周围环境 或培养基中获得这些营养或其前体（precursor）才能生长。 常用表示基因型的方法：（所需营养物的前三个英文小写字母） 例如： his C - : 组氨酸缺陷型 try A - ：色氨酸缺陷型（其中 A、C 表示同一表型中不同基因的突变） 营养缺陷型突变株不能直接分离，但可通过影印培养法来筛选（如图 p219）。 2. 抗性突变型（resistant mutant） 由于基因突变使菌株对某种或某几种药物（特别是抗生素）或生物（噬菌体）、 物理因素（紫外）产生抗性的一种突变。 表示方法（所抗药物前三个小写斜体英文字母加上 r 或 s） str r ： 抗链霉素 (resistant)
ss：对链看素敏感(sensitivity) 3.条件致死突变型(conditional lethal mutant). 指菌株或病毒在某一条件下可以正常生长、繁殖并实现其表型，而在另一条 件下无法生长和繁殖的突变类型。 这是由于突变没有丧失产某种蛋白的能力，但改变了该蛋白在一定条件下的 功能。 最突出的例子是： 温度敏感突变型(temperature-sensitive mutant)(s突变株) E.col5突变株：37℃正常生长：42℃不能生长 T4Ts突变株：25℃感染寄主，37℃不能感染寄主 4.形态突变型(morphological mutant) 指由于突变而产生的个体或群体形态所发生的非选择性突变。 它不象抗性突变那样具有生长优势，也不象1、3那样具有生长劣势，它与 非突变型一样生长在平板上，可通过形态的改变来筛选。 个体形态：孢子有无，孢子颜色，鞭毛有无，荚膜有无等 群体形态：菌落表面光滑，粗糙，噬菌斑的大小或清晰度等 除了上述突变外，还有其它的一些突变型，如高产突变株，致病性突变株（产 毒能力或抗原性等发生改变)，这里就不详细讲了。 四。突变的机制 突变产生的原因是很多，可以是自发的，也可以是诱发的。 (一)自发突变 兹发突变是指不经过诱变剂处理而自然发生的突变。其可能的机制如下： 1.自发突变机制 背景瓶时和环嫦因蒸的透变，」 字宙间的各种射线、高温、自然界存在的一些低浓度的诱变物质等都会引起 自发突变。 微生物自身有害代产物的透变作用， 过氧化氢是微生物体内普遍存在的一种代谢产物，它可能是自发突变的原因 之一。 3
3 str s ： 对链霉素敏感 （sensitivity） 3．条件致死突变型（conditional lethal mutant） 指菌株或病毒在某一条件下可以正常生长、繁殖并实现其表型，而在另一条 件下无法生长和繁殖的突变类型。 这是由于突变没有丧失产某种蛋白的能力，但改变了该蛋白在一定条件下的 功能。 最突出的例子是： 温度敏感突变型（temperature-sensitive mutant）（Ts 突变株） E.coli Ts 突变株: 37 ℃ 正常生长； 42 ℃ 不能生长 T4 Ts 突变株 ：25 ℃感染寄主， 37 ℃不能感染寄主 4. 形态突变型（morphological mutant） 指由于突变而产生的个体或群体形态所发生的非选择性突变。 它不象抗性突变那样具有生长优势，也不象 1、3 那样具有生长劣势，它与 非突变型一样生长在平板上，可通过形态的改变来筛选。 个体形态：孢子有无，孢子颜色，鞭毛有无，荚膜有无 等 群体形态：菌落表面光滑，粗糙，噬菌斑的大小或清晰度 等 除了上述突变外，还有其它的一些突变型，如高产突变株，致病性突变株（产 毒能力或抗原性等发生改变），这里就不详细讲了。 四．突变的机制 突变产生的原因是很多，可以是自发的，也可以是诱发的。 （一）自发突变 兹发突变是指不经过诱变剂处理而自然发生的突变。其可能的机制如下： 1． 自发突变机制 背景辐射和环境因素的诱变： 宇宙间的各种射线、高温、自然界存在的一些低浓度的诱变物质等都会引起 自发突变。 微生物自身有害代谢产物的诱变作用： 过氧化氢是微生物体内普遍存在的一种代谢产物，它可能是自发突变的原因 之一
DNA复制时出钱， a.环出效应：（如图） DNA在复制过程中一条单链上的碱基环出，则在复制时可越过这个小环， 引起插入或缺失突变 b.互变异构效应： 在4种碱基中，T(胸腺嘧啶)，G(鸟嘌呤)会以酮式和烯醇式两种互变异 构形式存在，而A(腺嘌呤)，C(胞嘧啶)会以氨基和亚氨基两种形式存在。 结构的转换一般会倾向于酮式或氨基式，故在DNA双链结构中以A-TG-C 对为主。如果以烯醇式或亚氨基式出现，就会发生T下G,CA碱基对，复制后 发生AT-GC或GC-AT的突变. 如：G与C正确配对形成G-C,但当G以烯醇式出现时，则可与T配 对形成GT,在下轮DNA复制之前，如果GT未能修复为正确的G-C, 则复制时会形成AT,即经过这一过程G-C变成了A-T,即碱基的互变异 构效应。（如图） 2.自发突变的特点 自发性：指在没有人工参与下，生物体自然发生的突变。原因如上。 稀有性：指自发突变的频率（突变率）很低，一般在10610。 突变率：指每一个细胞在每一世代中发生某一特定突变的概率。也 用每单位群体在繁殖一代过程中所形成的突变体的数目表示。 例如：109：表示10°个细胞在分裂成2x10个细胞的过程中，平均形 成一个突变体。 随机性：指突变具有不对应性，这是突变的一个重要特点。即突变性状与引起突 变的原因间无直接对应关系。而且突变的发生从时间、个体、位点和产 生的表型变化等方面都具有明显的随机性。 独立性：基因突变是独立发生的，某一基因的突变与另一基因的突变之间是互不 相关的独立事件。 可遗传和回复性：由于突变的根源是遗传物质结构上发生稳定变化，产生的新性 状是稳定的，可遗传的。同样，突变型基因也可通过突变回复成野生 型基因。回复突变率同样是很低的
4 DNA 复制时出错： a. 环出效应：（如图） DNA 在复制过程中一条单链上的碱基环出，则在复制时可越过这个小环， 引起插入或缺失突变。 b. 互变异构效应： 在 4 种碱基中，T（胸腺嘧啶）, G（鸟嘌呤）会以酮式和烯醇式两种互变异 构形式存在，而 A（腺嘌呤）, C（胞嘧啶）会以氨基和亚氨基两种形式存在。 结构的转换一般会倾向于酮式或氨基式，故在 DNA 双链结构中以 A-T, G-C 对为主。如果以烯醇式或亚氨基式出现，就会发生 T-G, C-A 碱基对，复制后 发生 AT－GC 或 GC－AT 的突变。 如：G 与 C 正确配对形成 G-C ，但当 G 以烯醇式出现时，则可与 T 配 对形成 G-T ，在下轮 DNA 复制之前，如果 G-T 未能修复为正确的 G-C ， 则复制时会形成 A-T ，即经过这一过程 G-C 变成了 A-T，即碱基的互变异 构效应。(如图) 2． 自发突变的特点 自发性：指在没有人工参与下，生物体自然发生的突变。原因如上。 稀有性：指自发突变的频率（突变率）很低，一般在 10-6~10-9。 突变率： 指每一个细胞在每一世代中发生某一特定突变的概率。也 用每单位群体在繁殖一代过程中所形成的突变体的数目表示。 例如：10-9：表示 109 个细胞在分裂成 2x109 个细胞的过程中，平均形 成一个突变体。 随机性：指突变具有不对应性，这是突变的一个重要特点。即突变性状与引起突 变的原因间无直接对应关系。而且突变的发生从时间、个体、位点和产 生的表型变化等方面都具有明显的随机性。 独立性：基因突变是独立发生的，某一基因的突变与另一基因的突变之间是互不 相关的独立事件。 可遗传和回复性: 由于突变的根源是遗传物质结构上发生稳定变化，产生的新性 状是稳定的，可遗传的。同样，突变型基因也可通过突变回复成野生 型基因。回复突变率同样是很低的
突变的回复：一般指可逆的突变，使表型又回复到野生型状态。 可诱变性：通过诱变剂的作用，可以提高自发突变的频率，但并不改变突变的本 质。 诱变剂仅起提高诱变率的作用。一般可提高10~105倍。 (二)诱发突变及其机制 采用化学、物理和生物等因素显著提高突变频率的手段，称为诱变。 诱变剂(mutagen):能提高突变率的物理、化学和生物因子。 常用的诱变剂如表所示。 1.直接引起碱基置换的化学诱变剂 有亚硝酸、羟胺、烷化剂（如甲基磺酸乙酯，亚硝基胍）等，它们以不同方 式修饰DNA的碱基，然后改变其配对性质而引起突变。 2.间接引起碱基置换的化学诱变剂 如5-溴尿嘧啶(5-BU)等碱基类似物，在DNA复制时掺入。（如图） 5-BU可使细菌的突变率提高近万倍。主要引起ATGC突变，偶尔引起 GC-AT转换 3.引起移码突变的化学诱变剂 一些吖啶类染料和溴化乙锭等是DNA嵌入诱变剂，它们与碱基对结构十分 相似，可插入两个碱基对之间，引起碱基的插入或缺失，导致移码突变。 4.引起染色体畸变（chromosomal aberration)的诱变剂 某些因子，如X射线等的辐射和烷化剂、亚硝酸、转座因子等，还可引起 DNA的大范围损伤，即染色体畸变。 5.致癌剂作为诱变剂 致癌剂：凡是能引起癌症的化学药剂 有些致癌剂可作为诱变剂，但并不是所有有诱变活性的物质都可致癌。 美国Ames教授等建立称为Ames试验的方法，是一种简单快速的细菌检测系 统，用来筛选未知的致癌剂的诱变能力。 其原理是利用鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhimurium)的组氨酸营养缺 陷型菌株在致突变物的作用下发生回复突变的性能，来检测物质的致突变性。 般采用纸片点试法和平皿掺入法监测环境污染物的致突变性。当培养基中含有微 5
5 突变的回复： 一般指可逆的突变，使表型又回复到野生型状态。 可诱变性：通过诱变剂的作用，可以提高自发突变的频率，但并不改变突变的本 质。 诱变剂仅起提高诱变率的作用。一般可提高 10~105 倍。 （二）诱发突变及其机制 采用化学、物理和生物等因素显著提高突变频率的手段，称为诱变。 诱变剂（mutagen）：能提高突变率的物理、化学和生物因子。 常用的诱变剂如表所示。 1. 直接引起碱基置换的化学诱变剂 有亚硝酸、羟胺、烷化剂(如甲基磺酸乙酯，亚硝基胍)等，它们以不同方 式修饰 DNA 的碱基，然后改变其配对性质而引起突变。 2．间接引起碱基置换的化学诱变剂 如 5-溴尿嘧啶(5-BU)等碱基类似物，在 DNA 复制时掺入。（如图 ） 5-BU 可使细菌的突变率提高近万倍。主要引起 AT-GC 突变，偶尔引起 GC-AT 转换。 3．引起移码突变的化学诱变剂 一些吖啶类染料和溴化乙锭等是 DNA 嵌入诱变剂，它们与碱基对结构十分 相似，可插入两个碱基对之间，引起碱基的插入或缺失，导致移码突变。 4. 引起染色体畸变 （ chromosomal aberration ）的诱变剂 某些因子，如 X 射线等的辐射和烷化剂、亚硝酸、转座因子等，还可引起 DNA 的大范围损伤，即染色体畸变。 5. 致癌剂作为诱变剂 致癌剂：凡是能引起癌症的化学药剂 有些致癌剂可作为诱变剂，但并不是所有有诱变活性的物质都可致癌。 美国 Ames 教授等建立称为 Ames 试验的方法,是一种简单快速的细菌检测系 统，用来筛选未知的致癌剂的诱变能力。 其原理是利用鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhimurium)的组氨酸营养缺 陷型菌株在致突变物的作用下发生回复突变的性能，来检测物质的致突变性。一 般采用纸片点试法和平皿掺入法监测环境污染物的致突变性。当培养基中含有微