全 文 ：武汉植物学研究 ,
蓝藻突变体研究综述
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黄开耀 郭厚良
武汉大学生命科学学院 武汉 。。
亡 亡 及 , , 加 , 初 五
关键词 蓝藻 , 遗传 , 突变体
” ,
年 , , , 以及 和 〔幻 分别报道了在组囊藻 八 和
苏铁鱼腥藻中 ‘ 分离突变体的工作 , 紧接着各种蓝藻突变体的工作又陆续有报道 。 突
变体的分离为蓝藻的遗传研究提供了必要的工具 。
蓝藻突变体的种类
抗性突变体
田通过不断提高培养基中抗生素的浓度 , 在组囊藻中直接筛选到抗链霉素突变体和抗青霉
素突变体 。 年 运用 一甲基一 ‘一硝基一 一亚硝基肌 分离到抗异酞麟突变体闭 , 其后在
组囊藻中先后分离到抗多粘菌素 川 、抗红霉素的突变体旧 同样在念珠藻属 “ 和鱼腥藻属
即 也获得了抗链霉素和抗氯霉素突变体〔‘ , , 抗性突变体除了抗生素突变体外 , 还有抗氨基酸结构
类似物和抗其他毒物的突变体 年 , 在组囊藻中分离到抗 一氟尿啥陡突变体 盯 〔的 。 同年
和 分离到抗丙酸盐突变体“ ‘气在组囊藻中还分离到杭芳香族氨基酸及其类似物的突
变体 〔,“〕 在鲍氏织线藻 加厂扣 中分离到抗乙基硫氨酸突变体 〔, ”
年 等在灰色念珠藻 中分离 抗迭氮化合物的突变体 ‘, , 〕。
营养缺陷型突变体
和 〕在 年运用紫外线诱导突变体 , 首先在苏铁腥藻中分离到 自养能
力丧失的突变体 , 这种突变体必须在培养基中添加葡萄糖等有机物后才能生长 。 在阿格门藻
“ “ 侧 中分离到需色氨酸的突变体〔, 〕。 在组囊藻中分离到营养缺陷型突变体比
较多 , 突变体内缺乏 甲硫氨酸 、 乙酸
、 生物素 、 苯丙氨酸 〔, 们 、 亮氨酸 〔,‘ , 。 年 等〔,‘ , 使用完全培
养基在固氮鱼腥藻 , 中分离出需尿啼吮 、腺昔 、 生物素 、 甲硫氨酸和烟酸的突变体 。
抗性突变和营养缺陷型突变为蓝藻的遗传重组提供了必要的遗传标记 。
形态突变体
年 , 用 诱变组囊藻 〔, ’〕 , 得到由杆状单细胞变为 倍长的多细胞长丝 , 这
收稿 日 ”
一 一 , 修回 日 一 一 。 第一作者 男 , 岁 , 硕士 , 从事蓝藻生理生化及分子遗传学研究 。
国家自然科学基金资助项 目 。
武 汉 植 物 学 研 究 第 卷
些长丝相互缠绕在一起 。 年 , 和 用 诱导鲍氏织线藻 , 得到 由长丝变成短片状的突
变体〔, 〕 , 这些突变使蓝藻细胞的分裂过程改变 , 但生长速率并不受到影响 。 形态突变体为研究蓝藻细胞
分裂和分化的机制提供了线索 。
光合作用突变体
年 , 等用次甲基硝基脉 在组囊藻中诱变而形成一种突变体 , 其特
点是对不同波长光线的吸收峰与野生型组囊藻的吸收峰有很大差别〔, , , 。 运用 诱变得
到类似的组囊藻突变体 ” 。 〔 。, 在眉藻 中分离到光适应突变体 , 由于突
变 而 丧失 了根 据 不 同光谱而 改变 其 藻 蓝 素和 藻红 素 比例 的功 能 。 由于 研 究 光 合作用 的需要 ,
〔, , 〕、 〔, , 〕、 〔, , , 、 〔, ‘〕和 ‘, , 等分离出很多影响到光合作用的结构的突变
体 。 其中 在聚胞藻 勿 ” 勺 , 中定位诱变了光系统 的 和 基
因 。 突变株缺少 反应中心单位 蛋白 , 光 自养生长极慢 表明它对 的功能是必不可少的
而且还证实光系统 的 基因有 个拷贝 。 编码两种形态的 , 蛋白〔 , 分别插入失活 , 引起
突变 , 证明 个基因都有功能 编码 , 蛋白维持自养生长 , 当 个基因全部失活 , 突变株不能自养生长 ,
尽管 复合物可以装配 。 两个单点突变 , 在 蛋白质中 一 变为 , 以及 一 变为
, 引起对高光强的敏感〔 。 定向诱变还证明 , 蓝藻与高等植物结合除草剂位点结构相似 , 抗除
草剂是 由于 突变 , 。 通过这些突变体 , 人们对蓝藻光合作用系统的结构和功能研究得比较深入 ,
认识到 蓝藻的光合器 由 个大分子复合物组成 , 即位于类囊体膜中的光 系统 和光系统
, 以及位于类囊体膜外表面的藻胆体 。 蓝藻 编码基因已鉴定 , 有 、 、 、 、
光系统 一是一个整合膜复全体 , 编码基因已确认的有 一 、 、 、 , 、 、 、
、
,
、 、 、 、 、 、 。
氮代谢突变体
由 于 年运用 诱导组囊藻时首先分离到一系列这样的突变体 , , 它们的生长
速率以及在利用氮源上有较大差别 。 。年 , 和 在阿格门藻中分离到类似的突变
体〔川 。 这些突变体是由硝酸盐 、亚硝酸盐 、 氨盐的中间代谢步骤发生阻断而形成 , 其突变率高达 一
一 , 。 这些突变体主要运用于两个方面 一是用来研究蓝藻的固氮作用 〔 翔 , 确认的基因有 、 、
、 、 和 基 因 而且还发现 固氮酶 由多个基 因控制 , 分布在不同的基 因簇 内 年
等诱导 出聚胞藻硝酸盐还原酶突变体 , 并阐明了硝酸盐的运输和利用机理 , 以及正 负调控
子〔 , 〕。 二是用来研究异形胞的分化 异形胞的分化被认为是一个简单地可控制的细胞分化模式 , 因而不
仅验证了一些 特异表达基因 , 而且还发现 异形胞在发育过程中基因组的动态变化‘ 。 已
经定向诱变了 剪切酶 基因 , 失活封锁了 基因 元件的切割重排而不能固氮〔, , 〕。
其他突变体
主要有敏感型突变体和调节型突变体 敏感型突变体是指在一定的紫外光强 、 温度等条件下正常细
胞生长而突变细胞死亡的突变 , 包括温度敏感型突变体 、紫外敏感突变体和光合敏感突变体 。 温度敏感
型突变体由 首先分离到 色氨酸调节型突变体由李阳生等〔 分离到 , 这种突变体失去了反
馈调节功能而大量合成色氨酸
。
这些突变体有助于对蓝藻基因表达调控 , 特别是调节蛋白的研究 。
突变体的分离方法
迄今 , 在蓝藻上所得到的绝大多数突变体是采用常规方法 , 如直接分离 自发突变〔,
’ 、 物理诱变和
化学诱变 , 在物理诱变中包括 射线 、 射线〔 和紫外线 〔 〕 , 其中紫外线得到广泛运用 。 在总结前
人工作的基础上 , 提出了一个比较规范的模式 , 其中还特别提到要抑制蓝藻的光复活系统 〕。 化学诱变
包括 、 次甲基亚硝基脉
、
甲基碳酸乙醋 、硫酸二 乙酷 等〔, ”‘
’
, 其中 的使
用最广泛 。 和 认为 浓度和处理时间共同作用使蓝藻细胞的死亡率达到 环时才
第 期 黄开耀等 蓝藻突变体研究综述
能产生最高频率的突变 。 而且处理时最佳 值为 〕。 据此 , 提出了利用 进行诱变的模
式〔, 〕。 年 以 为诱变剂 , 鱼腥藻 八 加 为诱变藻株成功地诱变出固氮
突变体〔 。 这些方法操作简单 , 分离效果也 比较高 。
分子生物学技术的进步为突变体的分离带来了新的手段 。 第一种是转位诱变
。 转座子于 年由 在大肠杆菌中发现 , 虽然蓝藻的转座子还没有进行研究 , 但大肠杆
菌的转座子可在蓝藻中克隆和转位 。 等〔 , 首次通过 含有 ‘ 的转座 , 鉴定
了 个甲硫氨酸 生物合成的基因 。 其实验步骤是将含有 的质粒 转化聚胞藻细胞 ,
转位到蓝藻染色体上 , 使 的基因失活 , 从抗药性的转化体中选择出甲硫氨酸的营养缺陷型 。
使 的基因失活 , 从抗药性的转化体中选择出甲硫氨酸的营养缺陷型 。 与此类似 , 〔 等运用
的衍生转座子 一 诱导出念珠藻的 突变体 , 这种突变体不能在空气中固氮 , 但能在
无氧的条件下固氮 。 年 ‘ 吕, 在 一 和 一 中诱变出固氮作用丧失的突变体 。 上
面所用到的这种方法中 , 转座子进入蓝藻细胞后 , 转座子转位到蓝藻染色体上的具体位置是不能事先预
见的 , 除了转座子抗性选择外 , 还必须利用营养缺陷 、固氮能力丧失进行再次筛选
。 现在常常利用转座子
进行定向诱变 , 目标基因 已被克隆到大肠杆菌的质粒中 , 使转座子插入到 目标基因中或者取代 目标基
因 , 然后再转化进入到蓝藻细胞中 , 以分析 目标基因的功能 常用的转化子有 、 一 、 一 和
一 , 其中 系列转位到蓝藻染色体后能稳定下来 , 而 一 。 则不然 。 据 等报道 〕 , 他
们已成功地将 系列和 一 以接合的方式转入鱼腥藻属细胞中 。 第二种方法是异位诱变
。 〔, , , 使用聚球藻的 随机片断用 消化后 , 再与一个含有 氏 和
末端的 抗性基因相连 , 这样所形成的片断具有 和 末端 , 然后用来转化蓝藻细
胞 , 通过一个 目前还不完全了解的机制整合到染色体上 , 得到了 一 突变体 , 这种突变体能表达 民半乳
糖昔酶 及其同事利用限制性内切酶切割聚胞藻的 , 然后与抗性基因 含有本身的启动子
和终止子 连接起来 , 转化产生许多大片段缺失的突变体〔栩 。 与此相类似的方法是失活特定基因法
。 这种方法 〔 , ’等首先使用 , 将克隆在大肠杆菌质粒中特定的基因在阅
读框内进行切割 , 连接一个抗性基因 , 再环化后转化到蓝藻细胞中 , 通过双交换整合到染色体上 , 从而鉴
定出 基因是有功能的 利用这种方法的还有 〔‘ , 〕和 〔, , 〕 , 其中 利用
聚胞藻诱变光系统反应中心突变体时 , 详细研究了抗性基因两边的蓝藻 长度 、 浓度 、 处理时
间与诱变率的关系 。 第三种方法是定点诱变 一 。 这种方法常常是以野生型
或有部分同源的核昔酸链作为诱变引物 , 使基因的特定位点上的碱基改变而致突变 , 这种方法首先在细
菌诱变中利用 。 等 〔, 将其用于蓝藻 , 所用的片断含有 基因大部分序列 , 其中 个三联体密
码中 变 , 氨基酸由丝氨酸变成丙氨酸 , 通过转化体具有抗除草剂的表型进行选择 。 ’〕运用这种方
法分离到光敏感性突变体 , 其 位上 的丝氨酸 被苯丙氨酸 取代 。 叩 〔, 等把蓝藻
转移到 一 载体中 , 进行定点诱变分离得到 , , 光合作用异常的突变体 。 为
了选择方便 , 常常在诱变基因的后面加上一个选择标记或报告基因 。
存在的问题
综上所述蓝藻突变体的诱变 、 分离虽然 已作了大量工作 , 但由于 自身的某些特点 , 使得这方面工作
还存在着一些问题 。 首先是长时间的保存野生型和突变型的藻株非常困难 第二是有些蓝藻细胞有多倍
体现象〔 , 多个基因组对产生的突变有掩盖作用 , 给突变的检出增加了困难 。 三是蓝藻具有很强
修复系统 , 包括光复活和暗修复 。 在利用紫外线诱导突变体时 , 应使用细胞生长在黄光下 目前使
基因 重组基因 失活的工作还没有进展‘川 。 四是在转位诱变 、失活特定基因法 、 定点诱变这些方法中 ,
必须转移进入蓝藻细胞中 。 目前虽有 自然转化法 、接合转移系统和电击法 ” , 但大都局限在少数几
个藻株中 。 所有这些 , 使蓝藻突变体的诱变分离及相关研究工作较之细菌存在着较大差距 。
武 汉 植 物 学 研 究 第 卷
参 考 文 献
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