第十章 遗传物质的改变 二基因突变

第十章第十章 遗传物质的改变二基因突变遗传物质的改变二基因突变 所谓基因突变，就是一个基因变为它的等位基因。基因突变是染色 体上一个座位内的遗传物质的变化，所以也称作点突变（point mutation）。 第一节第一节 基因突变概说基因突变概说 基因突变在生物界中是很普遍的，而且突变后所出现的性状跟环境 条件间看不出对应关系。例如有角家畜中出现无角品种，禾谷类作物中 出现矮秆植株，有芒小麦中出现无芒小麦，大肠杆菌中出现不能合成某 些氨基酸的菌株等，都看不出突变性状与环境间的对应关系。 突变在自然情况下产生的，称为自然突变或自发突变（spont- aneous mutation） ；由人们有意识地应用一些物理、化学因素诱发的， 则称为诱发突变（induced mutation）。 突变体的表型特性突变体的表型特性 突变后出现的表型改变是多种多样的。根据突变 对表型的最明显效应，可以分为： （1）形态突变（morphological mutations）突变主要影响生物的 形态结构，导致形状、大小、色泽等的改变。例如普通绵羊的四肢有一 定的长度，但安康羊（Ancon sheep）的四肢很短，因为这类突变可在外 观上看到，所以又称可见突变（visible muta-tions）。 （2）生化突变（biochemical mutations）突变主要影响生物的代 谢过程，导致一个特定的生化功能的改变或丧失。例如链孢霉的生长本 来不需要在培养基中另添氨基酸，而在突变后，一定要在培养基中添加 某种氨基酸才能生长，这就发生了生化突变。 （3）致死突变（lethal mutations）突变主要影响生活力，导致个 体死亡。致死突变可分为显性致死或隐性致死。显性致死在杂合态即有 致死效应，而隐性致死则要在纯合态时才有致死效应。一般以隐性致死 突变较为常见，如上面讲过的镰形细胞贫血症的基因就是隐性致死突变。 又植物中常见的白化基因也是隐性致死的，因为不能形成叶绿素，最后 植株死亡。当然，有时致死突变不一定伴有可见的表型改变。 致死突变的致死作用可以发生在不同的发育阶段，在配子期，胚胎 期，幼龄期或成年期都可发生。如女娄菜的细叶基因 b 是配子致死，而 小鼠的黄鼠基因 Ay在纯合时是合子致死。 致死基因的作用也有变化。基因型上属于致死的个体，有全部死亡 的，有一部分或大部份活下来的。从而根据基因的致死程度，可以分为 全致死（使 90以上个体死亡），半致死（semilethals，使 5090 个体死亡）和低活性（subvitals，使 5010个体死亡）等。 （4）条件致死突变（conditional lethal mutation）在某些条件 下是能成活的，而在另一些条件下是致死的。例如噬菌体 T4 的温度敏感 突变型在 25时能在 E.coli 宿主中正常生长，形成噬菌斑，但在 42 时就不能这样。 上面这样的分类，只是为了叙述的方便，事实上相互之间是有交叉 的。因为基因的作用是执行一种特定的生化过程，所以可以说，几乎所 有的基因突变都是生化突变。 突变发生的时期突变发生的时期 突变可在个体发育的任何时期发生。如某一动物的 性腺中某一个配子发生基因突变，则与这个配子结合而产生的个体就是 这突变基因的杂合体。如这突变基因是显性，则子代中这一个体即表现 为突变型。如动物的受精卵在进行第一次核分裂时，一对子染色体中的 一条发生一个突变，那末长成的个体中，有一半细胞有这突变基因。如 果这个突变基因是显性，则个体的一半显示不同的性状，就出现所谓嵌 合体（mosaic）。一般地说，在个体发育过程中，突变发生的时期越迟， 则生物体表现突变的部分越少。例如有一种猫，叫做金银眼猫，猫的一 只眼睛的虹彩是黄褐色，另一只眼睛的虹彩是蓝色，这大概是在个体发 育较后阶段发生突变的结果吧。 在植物里，一个芽在发育的极早时期发生突变，这芽长成枝条，上 面着生的叶、花和果实跟其他枝条不同，这叫做枝变或芽变（bud sport）。芽变往往自发地产生，没有明显的外因。芽变在农业生产上占 有重要地位，因为果树和花卉的许多新品种就是由芽变得来的。例如根 据研究，温洲早桔有许多品系来自温洲密桔（citrus reticulata）的芽 变。一般芽变仅限于某一性状，或某一些有关性状，而其他许多性状仍 跟原来品种一样，所以应用嫁接、压条等无性繁殖方法，把这些优良性 状保存下来，再经过适当选择，可以繁育成为新品种。 讲到微生物等，要区别体细胞和性细胞是不必要的。因为在这些生 物中，整个个体可以从体细胞发育而成。例如链孢霉可从无性孢子或菌 丝片段长成整个个体，所以无性世代发生的突变，以后也可通过有性世 代而遗传下去。 突变率突变率 在正常的生长条件和环境中，突变率（mutationrate）往往 是很低的。果蝇的 X 连锁隐性致死基因的突变率约为 01，或每一千 个测验过的配子中，有一个 X 染色体有隐性致死突变。果蝇的第 2 染色 体的自发致死突变率较高，约为 05。果蝇的第 3 染色体的长短跟第 2 染色体相似，突变率也差不多。果蝇的第 4 染色体是点状染色体，突 变率自然也较低。所以果蝇的总的致死突变率约为 1，或每一百个配 子中有一个配子带有新产生的致死基因。如果我们把产生半致死或低活 力效应的为数更多的基因突变率也包括在内，那末果蝇中产生有害效应 的基因的总突变率约为 5，或 20 个配子中有 1 个。 这 5的数值自然包括很多染色体上座位的突变，所以每一座位上 的突变率应该低得多。果蝇中，测得的单一座位的突变率，数值有变化， 但大致上在 10-5范围。其它生物的基因突变率也随基因的不同，而数值 各异。例如在玉米中，蜡质基因 WX 的突变率测不到，而无色糊粉层基因 rr的突变率可高到每十万个配子中有 49 个突变（表 10-1）。 在人类方面，突变率的估计方法之一是根据家系中有显性性状的患 儿的出现。在这些家系中，祖先各代是没有这些性状的；如双亲一方也 有同一遗传病，则这名患儿应除去不计。 例如软骨发育不全（achondroplasia）由常染色体显性基因引起， 患者四肢粗短。根据 Mrch（1941）的一个调查，在 94，075 活产儿中， 发现 10 例为本病患者，其中 2 例的一方亲体也是本病患者，所以应该除 去不计，其余 8 例的双亲正常，可认为是新突变的结果。因为这病是显 性遗传，而且外显率基本完全，所以每个新生儿被认定患有软骨发育不 全时，就表示形成这儿童的两个配子中，有一个配子发生了显性突变， 从而每个基因的突变率是 （10-2）2（94075-2）=4.210-5 Neel 根据多方面的资料，估计了人的 9 个不同基因的突变率，发现 人类基因的突变率大致上跟果蝇基因的突变率相似，都位于 10-5的范围 （表 10-1）。 玉米和小鼠的突变率跟果蝇和人属于同一范围，但微生物的突变率 明显地较低。突变率的降低或许跟生活史的缩短有关。象细菌这样单细 胞生物中，突变率是以细胞分裂为基础来计算的，而在象果蝇和小鼠这 样多细胞生物中，每一世代时间（generationtime）包括很多次连续的 细胞分裂，而在每一次细胞分裂中都可发生突变，突变率自然就要高些。 突变的可逆性突变的可逆性 突变是可逆的。基因 A 可以突变为基因 a，基因 a 又 可突变成原来的状态，A。如果把 Aa 叫做正突变（forwardmutation）， 则 aA 就叫做回复突变（back mutation）。正突变和回复突变的频率 一般是不同的。例如大肠杆菌中，野生型（his+）突变为组氨酸缺陷型 （histidine requirement，his-）的正突变率是 210-6；而由组氨酸缺 陷型突变为野生型的回复突变率是 410-8，即 在鉴定回复突变时，应该注意区分：（1）真的回复突变，突变发生 在同一座位，跟正突变一样；（2）抑制因子突变（suppressor mu- tation），突变发生在另一座位上，但是掩盖了原来突变型的表型效应。 在微生物中，抑制因子突变，通常可以通过回复品系（rever-tant stock）与野生型杂交，观察子裔中有否突变型重新出现（图 10-1）。 如果有突变型出现，这就意味着，抑制因子和原来突变已经相互分开， 使突变型重新出现。如果这种杂交的后代中没有突变型出现，有力地表 明，回复突变与抑制作用无关。 根据回复突变的出现，常常可以把点突变跟较大的突变效应，例如 缺失等，区分开来。因为缺失包括遗传物质的丧失，一个回复突变恰好 补全了失去的遗传物质几乎是不可能的。相反的，由微小的化学改变引 起的点突变，没有遗传物质的明显获得或缺失，是比较容易回复的，所 以回复突变可以排除缺失或重复等。 突变的多方向性与复等位基因突变的多方向性与复等位基因 一个基因可以向不同的方向发生突变， 换句话说，它可以突变为一个以上的等位基因。例如基因 A 可以突变为 等位基因 a1或 a2、a3等。因而，在这个座位上，一个个体的基因型 可以是 AA，也可以是 Aa1，Aa2，a1a2，等任何组合。 一个座位上可以有两个以上的基因状态存在，叫做复等位基因，这 在前面已介绍过。例如在小鼠中，影响毛色的复等位基因有 A+（鼠色）， Ay（黄色），a（黑色），等多个。在家蚕中，影响幼虫皮斑的复等 位基因有 P（白蚕）， +p（普通斑），Ps（黑缟）等 16 个，而且这数目 可能会增加。因为有复等位基因的存在，所以一个基因的突变可以是多 方向的。例如黑腹果蝇的野生型红眼基因（W+）可以突变为曙红眼基因 （We），曙红眼基因又可回复突变为野生型基因，或突变为 W 座位上的 其他等位基因，如杏色眼基因（Wa），浅黄眼基因（Wbf）等。这说明突 变的多方向性（图 102）。 但每一基因的突变方向，也不是漫无限制的。例如小鼠的毛色基因 （A）的突变，一般在色素的范围内，还没有发现越出这个范围的。因此 所谓突变的多方向性也是相对的。 自发突变的原因 自发突变是很早就知道了的。上面已提到过，在家 养动物和园艺植物中，时常有突变体出现。在 1910 年，摩尔根用白眼果 蝇证明有伴性遗传现象。但最初一只白眼果蝇是在野生型果蝇的培养瓶 中自发出现的，以后摩尔根和他的学生们所用的很多突变型也都是自发 产生的。那就是说，这些突变型不是用人工方法诱发的。事实上，差不 多要在 20 年以后，才知道突变是可以诱发的。 自发突变是怎样产生的，到现在还不十分了解。自然界中的辐射， 如宇宙线、生物体内的放射性碳和钾等，可能是一种原因，但自然界中 的电离辐射强度不足以说明自发突变的全部，可能只能说明其中的极小 一部分。 温度的极端变化是另一种诱变因素。例如有人认为极端温度是黄鹌 菜（Crepis）自发突变的重要因素。虽然基因突变率随温度升高而增加， 用过高的温度（例如 40）或过低温度（例如 0）处理，也可增加突 变率，但总的看来，温度在自发突变中的重要性还比不上自然辐射。 自从知道化学药品可以诱发突变后，不久就意识到周围环境中各种 化学物质的潜在诱变性。不过自发突变不能单单归因于外界因素，也应 考虑到体内或细胞内某些生理、生化过程所产生的物质的作用。支持这 一论点的证据是：（1）植物的种子贮藏久了，常常增加突变率。例如在 正常情况下，金鱼草的突变率大约是 1（包括所有的基因，如果每个 基因的突变率是 100 万中 10 个，那末如果一个配子中共有 1，000 个座 位的话，即可得到 1）。但种子贮藏 69 年后，突变率就从 1增加 到 1.65.3，贮藏 10 年后可达 14.3。（2）从陈种子中可提取一些 诱变物质。例如从烟草的陈种子中压出油来，用这种油处理同一烟草品 种的新鲜种子。从这样种子长出来的幼苗，突变种类跟自发突变相似， 但突变频率增加。（3）把番茄种在很干燥的条件下，提高番茄细胞的渗 透压，以后从它们的 F2和 F3可以分离出多数突变体。 总之，自发突变的原因还不很清楚，可能外界因素和内部因素都有 作用 第二节第二节 突变的检出突变的检出 从孟德尔的实验开始，要知道一个基因的存在，通常要依靠这个座 位上的不同等位基因所产生的表型改变。有了不同等位基因所产生的表 型改变，才使我们能够观察性状的遗传方式。如果某一座位的所有等位 基因在表型效应上是相似的，那么这样的基因在作用上缺乏独特的标志， 始终作为正常表型的一部分，没有办法把它检查出来。换句话说，如果 基因没有等位上的差异，就不能用孟德尔遗传试验方法检查出来；只有 当这种等位上的差异存在时，才使我们可以推论，有某一特定基因存在。 所以察看基因突变，主要就是检出能产生新的表型效应的不同等位基因。 果蝇突变的检出 虽然摩尔根等已在果蝇中找到几百种突变型，并用 在遗传学研究上；但是定量地测定新突变，还有赖于摩尔根的学生 Muller 所发展的几种独创性的技术。 我们现在介绍如何用 Muller-5 技术来检出果蝇 X 染色体上的隐性突 变，特别是致死突变。 Muller-5 品系的 X 染色体上带有 B（Bar，棒眼）和 wa（apri-cot， 杏色眼），此外 X 染色体还有一些倒位，可以抑制 Muller-5 的 X 染色体 与野生型 X 染色体的重组。 实验时，把野外采集的，或经过诱变处理的雄蝇，与 Muller-5 雌蝇 交配，得到子一代后，做单对交配，看子二代的分离情况。如有致死突 变，子二代中没有野生型雄蝇，如有隐性的可见突变，则除 Muller-5 雄 蝇外，出现具有可见突变的雄蝇（图 10-3）。 这个技术的缺点： （1）只能检出完全致死（100致死）的隐性基因，而且这种致死 作用要发生在成蛹期以前。 （2）有时 Y 染色体上有些正常作用的基因，可降低 X 的致死作用。 但我们要分析的主要是子二代的雄蝇的致死作用，所以有时结果受到影 响，不能正确地估计隐性致死突变率。 这个技术的好处： （1）子二代中有野生型雄蝇，还是没有野生型雄蝇，可以客观地决 定。 进 一步研究。 （3）可研究致死基因（1）在杂合体中的作用。 （4）也可检出可见突变，但同时具有致死作用时，则无法检出。 除了检验 X 连锁隐性突变以外，也可检出常染色体上的变突基因。 例如要检出果蝇的第二染色体上的突变基因，可利用下面这样的一种平 衡致死系统。 一条第 2 染色体上有一显性基因 Cy（curly，翻翅），这是纯合致 死的，同时还有一个大倒位。另一条第 2 染色体上有另一显性基因 S（star，星状眼），也是纯合致死的。 从而这就是平衡致死系统。这个系统同时又是倒位杂合体。 现在把这系统的雌蝇与要检验的雄蝇交配，在子一代中选取翻翅雄 蝇，再与这系统的雌蝇单对交配，分别饲养。在子二代中选取翻翅个体 相互交配，在子三代时： （1）如最初第 2 染色体上不带有致死基因，则有 33左右的野生 型。 （2）如最初的第 2 染色体上带有致死基因，则只有翻翅果蝇。 （3）如最初第 2 染色体上含有隐性可见突变，则除翻翅果蝇外，还 有 33左右的突变型。 （4）如最初第 2 染色体上含有半致死突变，则野生型很少。上面这 些结果，用图（图 104）表示。 链孢霉突变的检出链孢霉突变的检出 链孢霉中，营养突变的筛选（screening）方法 是 Beadle 和 Tatum（1945 年）最初提出来的。这方法的根据是这样的： 野生型菌株能合成一系列化合物，所以能在含有糖，某些无机酸和盐类， 一种氮源和一种维生素生物素（biotin）的基本培养基上生长，但 大多数缺陷型菌株不能合成这种或那种化合物，不能在基本培养基上生 长，但能生长在完全培养基上 所谓完全培养基是在基本培养基上再添加 酵母和麦芽抽提物，以及水解酪蛋白等，这种培养基含有各种氨基酸和 维生素等。要检出营养突变时，可把链孢霉菌株分别长在完全培养基和 基本培养基上。如果在完全培养基上能够生长，而在基本培养基上不能 生长，就可在基本培养基上添加单一维生素或氨基酸。如果在添加某一 营养物后可以生长，就知道这个菌株不能合成某一营养物，所以是某一 营养物的缺陷型。 具体做法如下： 培养野生型链孢霉，用 X 线或紫外线等照射分生孢子，或用化学药 剂处理，希望能引起突变。 把这些处理过的分生孢子，与相对交配型的野生型链孢霉交配，由 此长出子囊孢子。 从子囊中取出子囊孢子，分别培养在完全培养基上。链孢霉的突变 型一般能在这里生长和发育。 从完全培养基生长起来的链孢霉又形成分生孢子。取出一部分分生 孢子培养在基本培养基里，观察它们的生长，如生长正常，表示没有发 生突变；如果不能生长，表示已发生了突变（图 105）。 接着要分析，发生了什么突变，把这突变型的分生孢子从完全培养 基里取出来，分别培养在不同的培养基上： （1）完全培养基，突变型一般能在这里生长； （2）基本培养基。突变型不能在这里生长； （3）基本培养基，加上各种氨基酸，如突变型还是不能在这里生长， 表示加了氨基酸也没有用，不是控制氨基酸合成的基因发生突变，它是 能合成各种氨基酸的。 （4）基本培养基，加上各种维生素，如突变型能在这里生长，表明 突变型是在控制某种维生素合成的基因发生了突变，使它不能合成某种 维生素，所以在基本培养基中添加了这种维生素后就能生长。 这样地依次分析下去，就可知道是那一种维生素不能合成。如果发 现它只能在含有泛酸的基本培养基里生长，那就表明这种生化突变型是 控制泛酸合成的基因发生了突变，其它基因没有发生突变。 为了进一步确定发生的变异是由一个基因控制的，还要做这样的工 作。把经过上述方法检查出来的突变型，跟不同交配型的野生型交配， 看由此产生的子囊孢子的发育，表现出什么样的分离现象，如表现为 1：1 的分离，即 4 个是野生型，4 个是突变型，那就表明是一个基因的 突变（图 106）。 用上述的分析方法，发现了几百种生化突变型。这些生化突变型的 研究，不仅阐明了基因和代谢的一些关系，而且丰富了生物化学的内容。 人的突变的检出 在人中，上述方法自然不能用，所以突变的检出得 依靠家系分析（pedigree analysis）和出生调查。一般地说，常染色体 隐性突变难以检出，因为一个隐性性状的出现，很可能是由于两个杂合 个体的婚配，而不是由于隐性突变的缘故。相反的，显性突变的起源就 比较容易检出，只要遗传方式规则，一个家系中，如果一个人有一显性 突变性状，而他（或她）的父母是正常的，这就表明是一个新的突变 （图 107）。如果显性性状的遗传方式不规则，例如双亲之一可能带 有这个基因，但没有表达出来，这样显性性状的起源又难以确定。 因为男人 X 染色体只有一个，所以 X 连锁隐性突变的起源，有时可 从家系分析中检出。如果一个女人对一个新突变的基因是杂合体，她的 半数男孩将带有这个性状。然而 X 连锁性状的检出，也可发生误差，因 为我们难以确定，杂合体女性所带有的突变基因是新产生的呢，还是从 她的祖先传递下来的。所以人类中突变的检出，最可靠的还是限于显性 基因。关于人的显性基因的突变率的计算，我们已在“突变率”一项中 说明过。 最近提出的检出人类突变的另一个方法，是筛选各种蛋白质或酶的 微小变异。使蛋白质的各组分带上电荷，在电场中移动，经一定时间后， 观察各组分在电场（electric field）中的相对位置。通过这种电泳 （electrophoresis）技术，可把某一蛋白质的微小差异检查出来，例如 人的快速泳动和慢速泳动的葡萄糖 6 磷酸脱氢酶（glucose-6-phosphate dehydrogenase）等。这些微小差异都是遗传的，可在家系中一代代追循。 虽然这种变异通常并不产生形态上或生理上的效应，但是这种变异的存 在，表明蛋白质中氨基酸排列顺序可以由突变而改变。这个技术有一个 严重的限制，因为并不是所有氨基酸改变都可由电泳检出，所以某一蛋 白质的突变率可能低估。但这种技术如能广泛应用，可能对突变的原因、 性质、种类、频率等可有更多的了解。 第三节第三节 诱发突变诱发突变 在 1927 年， Muller 用 X 射线处理果蝇精子，证明可以诱发突变， 显著地提高突变率。差不多同一时期， Stadler 用 X 射线和 射线处 理大麦和玉米种子，也得到相似的结果。随着研究的进展，知道其它各 种辐射，如 射线、 射线、中子、质子及紫外线（ultravio- let，uv）等都有诱变作用。 这些发现是很重要的，因为 （1）提供一些新的有效方法，可以得到很多遗传学分析和育种上有 用突变品系； （2）通过诱发突变可以用来研究突变过程的性质； （3）证明高能辐射（high-energy radiation）和相当数目的化学 品，不仅对直接接触到的人造成伤害，而且对他们的后代也有潜在的危 险。 辐射和诱变辐射和诱变 生物体接触的辐射线有 X 射线、 射线、 射线、 射线、以及中子、质子等。辐射的生物学效应主要取决于它们所含的能 量，以及能传递到细胞内原子和分子上的能量。 辐射所含的能量愈大，可使原子轨道上的电子变化以及分子共振态 的改变也愈强，因而诱变的效率更高。象 X 射线、 射线等，是能量极 高的辐射，能使轨道上电子完全离开原子，而造成电离，所以这些辐射 叫做电离辐射。电离辐射的诱变效率高，现在被广泛采用。 辐射剂量的单位用 r（roentgen，伦琴）表示。1r 的照射可使 1cm3 的标准状态的干燥空气产生一静电单位（esu）的电离量。至于每一 r 的 照射，可以引起多少突变，随生物种类不同，照射器官和处理时间而有 多少差异。现在选择有代表性的几种生物，来看一看每一 r 的诱变率是 多少？ 从表 102 看来，每 r 的诱变率大都在 1 亿分之 1 的范围内。 诱发突变的种类跟自发突变很相类似，这不仅在引起基因突变和染 色体畸变这两大类上是这样，而且在引起这两大类的细分条目上也是这 样。因此诱发突变并不产生特别的突变型，只不过增加突变的频率而已。 一般地说，辐射剂量低时，诱发突变率是自发突变率的几十倍，辐射剂 量高时，诱变率可达自发突变率的几百倍以上，但大多数是在 100 倍左 右，因为自发突变率多在（1-10）10-6的范围，而诱发突变率在 110-3左右；但有时可达 110-1以上，所以辐射诱变在增加突变率上有 很大作用。 电离辐射引起遗传损伤的途径，大部分还未了解，但是它们可能以 两种方式改变染色体的结构：（1）直接的，通过能量的量子（quanta energy）击中染色体，好象子弹击中靶子一样；（2）间接的，通过电离 化（ionization），使细胞内发生化学变化，转而使染色体在复制时产 生异常。一般分裂中细胞比不分裂细胞对辐射敏感。用 射线来治疗肿 瘤也是同样的理由，迅速分裂中的肿瘤细胞比不分裂的周围细胞敏感得 多。 电离辐射的遗传学效应在许多生物中都有研究，并得出两个重要结 论： 第一，电离辐射可诱发基因突变和染色体断裂，它们的频率跟辐射 剂量成正比。例如用 2，000 r 的剂量处理果蝇精子，大约产生 6的 X 连锁隐性致死突变，而剂量为 4，000r 时，频率大约增至 12，等等 （图 108）。在相当大的一个剂量范围内，都存在着线性关系。但是 用高剂量辐射诱发 X 连锁隐性致死突变时，得到的频率比预期低，这可 能因为在一个染色体上诱发了一个以上的致死突变。用 Muller-5 技术 测定的，是带有一个或一个以上的隐性致死突变的 X 染色体频率，而不 是测定隐性致死突变的实际频率。而且还应当注意到，虽然染色体断裂 的频率与照射的剂量成正比，但是象倒位、易位和缺失那样的染色体结 构改变就不是线性关系，因为这些畸变需要一个细胞内有两个断裂，然 后断片以新的方式连接起来，所以并不预期有线性关系。 第二，辐射效应是累积的。处理果蝇精子，诱发的突变数跟接受的 照射量成正比，而跟照射的方式无关。低强度长期照射（慢性照射）与 高强度短期照射（急性照射），诱发的突变数一样；连续照射与间歇数 小时的分次照射，产生的突变数也一样。在其它生物中，这样确切的关 系并不存在。例如处理小鼠精原细胞时，慢性照射产生的突变率比同剂 量的急性照射少。不过我们可以可靠地说，一个细胞接受的剂量即使只 有很小的增加，那个细胞发生突变的概率就增加。因为在自然群体 （natural populations）中出现的大多数突变是有害的，所以对照射源 的不必要接触，如果可以避免的话，应该尽量避开它。 紫外线照射紫外线照射 紫外线照射（ultraviolet radiation）也可诱发突变， 但不及电离辐射有效。紫外线的最有效波长是 270nm（1na-no meter=1millimicron，m），这波长相当于核酸的吸收峰。紫外线也是 电磁辐射，跟 X 射线一样；但穿透性很弱，这跟 X 射线不一样。例如紫 外线照射约有 30可以穿透过玉米花粉壁，但只有 8可以穿透过鸡蛋 的卵黄膜。这样低的穿透性很难保证实验群体中每一细胞都接受同样的 辐射量，所以紫外线很少用作高等生物的诱变剂，而多用在微生物，生 殖细胞，花粉粒以及培养中的细胞等。 化学诱变化学诱变 最早知道秋水仙素可以诱发多倍体。1943 年 Auerbach 和 Robson 用果蝇做实验，发现芥子气可以诱发突变。他们的发现不是完全 偶然的，因为已知芥子气跟 X 射线一样，可以抑制细胞分裂，引起炎症， 所以他们猜想，芥子气很可能也有诱变效应。不久又发现，芥子气和氮 芥子气也可引起染色体断裂。 化学诱变的发现开拓了人工诱变的新途径。化学诱变剂（che-mical mutagens）的应用，也可大大提高突变率，而且处理比较方便。只要把 化学诱变剂添加到培养基中，在上面培养孢子或细菌，也可把诱变剂配 成溶液，把种子、芽或休眠的插条等浸渍在溶液中。 随着科学实验的进展，化学诱变剂的名单不断延长。各种化学品， 其中很多是致癌剂（carcinogens），可以诱发突变。在这些化合物中， 有的是广泛地用于工业加工过程中，而另一些普遍地用作杀虫剂，杀菌 剂和食物添加剂（表 103），所以迫切需要鉴定可以诱变的化学品， 并采取防护措施。有些化学诱变剂是高度有毒的，例如氮芥子气，所以 可以在它们产生明显的遗传损害以前，就可把它们鉴别出来；可是另一 些化合物并不那么有毒，却是诱变剂，所以往往在它们造成严重遗传伤 害以前，未能被检查出来。我们最关心的是各种化学品对人类的潜在遗 传损害，但是因为人是不能做试验的，所以只有根据其它生物的诱变试 验的结果来推断。如发现一种化合物在细菌、果蝇或小鼠中是诱变的， 我们就把它看作是人的潜在诱变剂，不去用它，或者采取防护措施，以 免危及人体。 化学诱变剂所诱发的变异，跟自发突变和由辐射诱发的变异没有多 大的区别，但也有一些特点值得提一提。 原来自发突变和诱发突变有一个共通的特征，就是随机性。所谓随 机性，就是说，突变可以发生于不同发育时期的各种细胞，可以发生于 细胞内的不同染色体，可以发生于染色体上各种不同座位，而且同一座 位上的基因又可突变成各种不同的等位基因。但是看来某些化学诱变剂 在这方面已有了一定程度的突破。例如生物硷咖啡因可以诱发染色体断 裂和重组，但并不显著提高可见突变的发生率。又如近年来利用一些核 苷酸类似物，如脱氧尿核苷来处理细胞，使细胞合成 DNA 时错误地组入 了这种类似物，以代替正常的核苷酸，结果造成染色体畸变，而且断裂 的地方有比较地集中于染色体的某些地区的趋势。但在这种情况下，仍 然不能说，突变是不随机的。所以我们可以说，到现在为止，还没有发 现那个诱变因素能使生物定向地产生更适应于该因素的那些突变，这一 点是应该注意的。 诱变在育种上的应用诱变在育种上的应用 物理因素和化学因素可以诱发突变，使突变率 大大提高，这样变异的来源就大为增多。通过人工选择再加上育种上的 一些措施，可以培育出生产上需要的各种优良品种。 在微生物选种中，现在已广泛应用诱变因素，来培育优良菌种。例 如青霉菌的产量最初是很低的，生产成本也很高。后来交替地用 X 射线 和紫外线照射，以及用芥子气和乙烯亚胺处理，再配合选择，结果得到 的菌种，不仅产量大大地提高了，而且混在青霉素制品中的一种黄色素 也不再分泌了。 现在我国发酵工业部门已把诱变因素广泛地应用在各种抗生素菌种 和其它工业微生物的育种上，使产品质量继续提高，产品成本不断下降。 在植物方面，应用诱变育种，已培育出许多优良品种。这个方法特 别有利于改进高产品种的个别不良性状。例如用 射线处理籼稻干种子， 选出成熟提高 15 天的新品种，而丰产性状仍旧保存下来。又一般米粒的 蛋白质含量不高，而且所含的蛋白质较多地分布在米粒的外层，在碾成 白米时，多已丧失。现在用诱变方法，得到新的水稻品种，不仅提高了 米粒中蛋白质的含量，而且蛋白质分布在整个米粒中，所以碾成白米后， 米粒中蛋白质含量提高很多。还有，用 射线和其它诱变剂处理大豆， 培育出一个新品种。这品种具有改变了的酶系，在光合过程中消耗有机 碳很少，被称为“非光呼吸作物”。光呼吸虽为植物正常生活所必需， 但它的消耗过大，几乎用去了合成有机碳的一半，所以育成的非（或低） 光呼吸作物可在同样的施肥和管理条件下，提高产量 50。诸如此类的 例子是很多的。现在我国在这方面发展特别快，成效也很显著，先后已 育出了一百种以上的水稻、小麦、高粱、玉米、大豆等的新品种，而且 有些品种已大面积推广种植，在粮食增产上起了很大的作用。 在家蚕中，Strunnikov（1980）研究出“性连锁平衡致死系” （balanced sex-linked lethals），使孵出来的都是雄蚕。部分育成经 过是这样的。 应用电离辐射，得到几个 Z 染色体上具有隐性致死基因的品系，从 中选出 Z 染色体左臂上带有隐性致死基因 11或带有 12的两个杂合体。这 两品系虽各有致死基因一个，但不降低生活力。11与 12的座位靠近，重 组值很低。另外又由辐射诱变，得到 ZW 易位（Z：W translocation）的 雌蚕， Z 染色体的一个片段易位到 W 染色体，这易位片段上带有与 11 和 12相对应的正常等位基因+11和+12（图 109）。 把 ZW 易位的雌蚕与一条 Z 染色体上带有致死基因 11（或 12）的雄蚕 交配，得到的杂种中，雌蚕具有从母本来的 ZW 易位染色体和从父本来的 带有 11（或 12的 Z 染色体。这雌蚕由于有 ZW 易位，除了一个正常 Z 染 色体外，还有一个由于易位而获得的 Z 染色体片段，所以 Z 染色体部分 重复，但它们仍是可育的。Z 染色体部分重复的杂种雌蚕再与一条 Z 染 色体上带有致死基因 12（或 11）的雄蚕杂交，所得的杂合体中，雄蚕的 两条性染色体（ZZ）分别具有 11和 12致死基因。这样就得到了平衡致死 系：雌蚕带有 ZW 易位和一个标记有 11（或 12）的正常 Z 染色体，而雄蚕 是致死基因 11和 12的杂合体。这平衡系能真实遗传