在微生物中，突變是經常發生的，學習和掌握突變的規律，不但有助于對基因定位和基因功能等基本理論問題的了解，而且還為微生物選種、育種提供必要的理論基礎,同時對于致癌物質的檢測也有重要意義。
突變是指遺傳物質突然發生穩定的可遺傳的變化，它有兩個意義：一是指與野生型不同的個體所攜帶和傳遞的基因組變異結構，這種變異結構可以是基因水平的，也可以是染色體水平的；突變的另一個意義是指上述變異結構發生的過程。對微生物來講，基因突變最常見，最重要，而由于重組或附加體等外源遺傳物質的整合而引起DNA的改變，則不屬突變的范圍。
在微生物純種群體或混合群體中，都可能偶爾出現個別微生物在形態、生理生化或其他方面的性狀發生改變。改變了的性狀可以遺傳，這時的微生物發生變異，成了變種或變株。
2.1. 突變的類型
突變的類型是多種多樣，從突變涉及的范圍，可以把突變分為基因突變和染色體畸變。在粗糙脈孢菌中，染色體畸變的研究已經相當深入了。在電子顯微鏡下現在已經可以觀察病毒的染色體畸變。不過就遺傳學研究較為深人的大腸桿菌、沙門氏菌、枯草桿菌等細菌以及其它多數微生物來講，突變的研究主要是在基因突變方面。下面就分類的依據不同，探討一下突變的類型。
2.1.1. 從突變涉及范圍，可以把突變分為基因突變和染色體畸變。
基因突變，又稱點突變。是發生于一個基因座位內部的遺傳物質結構變異。往往只涉及一對堿基或少數幾個堿基對。點突變可以是堿基對的替代，也可以是堿基對的增減。前者可分為轉換和顛換（圖5－8）。轉換是指一種嘌呤—嘧啶對變為另一種嘌呤—嘧啶對，或一種嘧啶—嘌呤對變為另一種嘧啶—嘌呤對；顛換是指一種嘧啶—嘌呤對變為另一種嘌呤—嘧啶對，或反過來一種嘌呤—嘧啶對變為另一種嘧啶—嘌呤對。這兩種堿基的替代突變改變了遺傳密碼的結構和該密碼所編碼的氨基酸。堿基對的增減則造成增減變異點以后全部密碼及其編碼的氨基酸，所以稱為移碼突變。
圖5－8. 各種類型的轉換和顛換 (實線代表轉換，虛線代表顛換)
染色體畸變 染色體畸變是一些不發生染色體數目變化而在染色體上有較大范圍結構改變的變異，是由DNA(RNA)的片段缺失、重復或重排而造成染色體異常的突變。其中包括以下變化：一是易位，指兩條非同源染色體之間部分相連的現象。它包括一個染色體的一部分連接到某一非同源染色體上的單向易位以及兩個非同源染色體部分相互交換連接的相互易位。二是倒位，指一個染色體的某一部分旋轉180度后以顛倒的順序出現在原來位置的現象。三是缺失，指在一條染色體上失去一個或多個基因的片段，這是造成畸變的缺失。四是重復，指在一條染色體上增加了一段染色體片段，使同一染色體上某些基因重復出現的突變。發生染色體畸變的微生物往往易致死，所以微生物中突變類型的研究主要是在基因突變方面。
2.1.2. 從突變所帶來的表型的改變來講，突變的類型可以分為以下幾 類：
形態突變型 指細胞形態結構發生變化或引起菌落形態改變的那些突變類型。包括影響細胞形態的突變型以及影響細菌、霉菌、放線菌等的菌落形態以及影響噬菌體的噬菌斑的突變型。例如細菌的鞭毛、芽孢或莢膜的有無，菌落的大小，外形的光滑或粗糙及顏色的變異；放線菌或真菌產孢子的多少，外形及顏色的變異；噬菌斑的大小和清晰程度的變異等。
致死突變型 指由于基因突變而造成個體死亡的突變類型，造成個體生活力下降的突變型稱為半致死突變型。一個隱性的致死突變基因可以在二倍體生物中以雜合狀態保存下來，可是不能在單倍體生物中保存下來，所以致死突變在微生物中研究得不多。
條件致死突變型 這類突變型的個體只是在特定條件，即限定條件下表達突變性狀或致死效應，而在許可條件下的表型是正常的。廣泛應用的一類是溫度敏感突變型，這些突變型在一個溫度中并不致死，所以可以在這種溫度中保 存下來；它們在另一溫度中是致死的，通過它們的致死作用，可以用來研究基因的作用等問題。
營養缺陷突變型 是一類重要的生化突變型。是指某種微生物經基因突變而引起微生物代謝過程中某些酶合成能力喪失的突變型，它們必須在原有培養基中添加相應的營養成分才能正常生長繁殖。這種突變型在微生物遺傳學研究中應用非常廣泛，它們在科研和生產中也有著重要的應用價值。
抗性突變型 是指一類能抵抗有害理化因素的突變型，細胞或個體能在某種抑制生長的因素(如抗生素或代謝活性物質的結構類似物)存在時繼續生長與繁殖。根據其抵抗的對象分抗藥性、抗紫外線、抗噬菌體等突變類型。這些突變類型在遺傳學基本理論的研究中非常有用，常以抗性突變為選擇標記，特別在融合試驗、協同轉染實驗中用得最多。
抗原突變型 是指細胞成分，特別是細胞表面成分如細胞壁、莢膜、鞭毛的細致變異而引起抗原性變化的突變型。
其它突變型 如毒力、糖發酵能力、代謝產物的種類和數量以及對某種藥物的依賴性等的突變型。
這幾類突變型并不是彼此排斥的。營養缺陷型也可以認為是一種條件致死突變型，因為在沒有補充給它們所需要的物質的培養基上它們不能生長。某些營養缺陷型也具有明顯的形態改變。例如粗糙脈胞菌和酵母菌的某些腺嘌呤缺陷型分泌紅色色素。所有的突變型可以認為都是生化突變型，最為常見的是營養缺陷型�？顾幮酝蛔円彩俏⑸镞z傳學中常用的一類生化突變型。因為任何突變，不論是影響形態的或是致死的，都必然有它的生化基礎。突變型的這一區分不是本質性的。
2.1.3. 按突變的條件和原因劃分，突變可以分為自發突變和誘發突變。
自發突變 是指某種微生物在自然條件下，沒有人工參與而發生的基因突變。在過去相當長的時間里，人們認為自發突變是由于自然界中存在的輻射因素和環境誘變劑所引起的。然而深入研究表明這種看法不夠完全。絕大多數的自發突變起源于細胞內部的一些生命活動過程，如遺傳重組的差錯和DNA復制的差錯，這些差錯的產生與酶的活動相關聯。
DNA復制是非常精確的，細菌的DNA多聚酶具有聚合3’至5’的外切功能，它可以切除摻入到合成鏈的3’端和樣板鏈不互補的錯配堿基。通過這種復制中的校正作用，大大減少了堿基的錯配，提高了復制合成的精確度。根據計算，這種校正可以把復制錯誤減少到10-10／堿基對，即每復制1010堿基對，只發生一次錯誤的摻入。細菌堿基組含有3×l06堿基對，復制一次發生錯誤的機會是3×10-4，假設基因的大小為l03堿基對，則可推算出細菌在一個增殖世代中，每個基因的突變率平均為10-7左右�？紤]到自發突變中的大多數是檢測不出來的沉默突變，所以，對于多數可檢突變來講，自發突變率為10-8左右。
DNA復制中的堿基錯配、跳格，DNA聚合酶結構變異等均是提高自發突變的原因。在序列相似的DNA片段間的重組過程中，特別容易發生重組差錯，從而造成一個或幾個堿基的重復和缺失；基因重組是由重組酶來催化的，重組酶結構的變異也會影響基因的自發突變率�？傊�，各種DNA復制和基因重組過程有關的酶和蛋白，對維持生物基因自發突變率起著重要的，決定性的作用。
誘發突變 是利用物理的或化學的因素處理微生物群體，促使少數個體細胞的DNA分子結構發生改變，基因內部堿基配對發生錯誤，引起微生物的遺傳性狀發生突變。凡能顯著提高突變率的因素都稱誘發因素或誘變劑。
物理誘變 利用物理因素引起基因突變的稱物理誘變。物理誘變因素有：紫外線、X-射線、γ-射線、快中子、β-射線、激光和等離子等。
化學誘變 利用化學物質對微生物進行誘變，引起基因突變或真核生物染色體的畸變稱為化學誘變�；瘜W誘變的物質很多，但只有少數幾種效果明顯，如烷化劑、吖啶類化合物等。
復合處理及其協同效應 誘變劑的復合處理常有一定的協同效應，增強誘變效果，其突變率普遍比單獨處理的高，這對育種很有意義。復合處理有幾類：同一種誘變劑的重復使用，兩種或多種誘變劑先后使用，兩種或多種誘變劑同時使用。
定向培育和馴化 定向培育是人為用某一特定環境條件長期處理某一微生物群體，同時不斷將他們進行移種傳代，以達到累積和選擇合適的自發突變體的一種古老的育種方法。由于自發突變的變異頻率較低，變異程度較輕，故變異過程均比誘變育種和雜交育種慢得多。
2.2. 基因突變的特點
在生物界中由于遺傳變異的物質基礎是相同的，因此顯示在遺傳變異的本質上也具有相同的規律，這在基因突變的水平上尤其顯得突出。
自發性 由于自然界環境因素的影響和微生物內在的生理生化特點，在沒有人為誘發因素的情況下，各種遺傳性狀的改變可以自發地產生。
稀有性 自發突變雖然不可避免，并可能隨時發生，但是突變的頻率極低，一般在10-6~10-9之間。
誘變性 通過各種物理、化學誘發因素的作用，可以提高突變率，一般可提高10~106倍。
突變的結果與原因之間的不對應性 即突變后表現的性狀與引起突變的原因之間無直接對應關系。例如抗紫外線突變體不是由紫外線而引起，抗青霉素突變體并也不是由于接觸青霉素所引起。
獨立性 在一個群體中，各種形狀都可能發生突變，但彼此之間獨立進行。
穩定性 突變基因和野生型基因一樣，是一個相對穩定的結構，由此而產生的新的遺傳性狀也是相對穩定的，可以一代一代地傳下去。
可逆性 原始的野生型基因可以通過變異成為突變型基因，此過程稱為正向突變；相反，突變型基因也可以恢復到原來的野生型基因，稱回復突變。實驗證明任何突變既有可能正向突變，也可發生回復突變，二者發生的頻率基本相同。
2.3. 基因突變的機制
DNA分子中堿基對的變化可以在自然條件下自發地發生，也可以人為的應用物理、化學因素誘導發生，它們的變化機制主要有以下幾類：
2.3.1. 自發突變機制
雖然自發突變是指微生物在沒有人工參與的條件下發生的突變，但是這決不意味這種突變是沒有原因的，只是人們到現在對它還沒有認識清楚而已。下面討論幾種自發突變的可能機制。
多因素低劑量的誘變效應 不少自發突變實質上是由于一些原因不詳的低劑量誘變因素長期作用的綜合結果。早在20世紀30年代中就認為任何劑量的X射線都足以誘發突變，因此有人認為宇宙空間擁有的各種短波輻射是自發突變的原因之一。根據計算，它至多只能說明自發突變的1%。自然界中還存在著能誘發突變的低濃度物質，由于偶然接觸它們可能引起自發突變。除此以外，熱也是誘發自發突變的一種影響因素，例如噬菌體T 4在370 C中每天每一GC堿基對以4×10-8這一頻率發生變化，因此一些自發突變來自熱的誘變作用。
A、 B正常配對；C、D、E、F嘌呤-嘧啶錯配；G、H、I、J嘌呤-嘌呤錯配
圖5－9. 各種堿基錯配
微生物自身代謝產物的誘變效應 已經發現在一些微生物中具有誘變作用的物質，例如咖啡堿、硫氰化合物、二硫化二丙烯、重氮絲氨酸等。過氧化氫是微生物正常代謝的一種產物，它對脈胞菌具有誘變作用，如果同時加入過氧化氫酶抑制劑，則可提高誘變的效率。這說明過氧化氫有可能是引起自發突變的一種內源誘變劑。
互變異構效應 由于DNA分子中的A、T、G、C四種堿基的第六位碳原子上的酮基(T、G)和氨基(A、C)，胸腺嘧啶（T）和鳥嘌呤（G）不是酮式就是烯醇式，胞嘧啶（C）和腺嘌呤（A）不是氨基式就是亞氨基式。所以有人認為T和G會以酮式和烯醇式兩種互變異構的形式出現，而A和C則以氨基式或亞氨基式兩種狀態出現。由于化學結構的平衡一般趨向于酮式和亞氨基式，因此，在DNA雙鏈結構中一般總是以AT與GC堿基配對的形式出現（圖5－9A、B ）�？墒窃谂既磺闆r下，T也會以烯醇式形式出現，恰好DNA的合成到達這位置的一瞬間，通過DNA多聚酶的作用，在它相對應的位置上出現配對堿基G，而不出現常規的A（圖5－9D）。當DNA再次復制時，通過G和C配對，就使原來的AT轉變為GC。同樣如果C以亞氨基形式出現，在DNA復制的合成到達這位置的一瞬間，DNA對應鏈上將是A，而不是G（圖5－9 C）。以此類推，這些可能是引起自發突變的重要原因之一。
除了由于酮式—烯醇式互變和氨基式—亞氨基式互變而造成的堿基錯配以外，還可能發生另一種嘌呤-嘌呤錯配。這種錯配來源于另一種由于堿基-脫氧核糖鍵旋轉而造成的稱為正-反的互變。根據DNA模型制作結果，證明腺嘌呤的亞氨基式能和腺嘌呤或鳥嘌呤的正式配對(圖5－9G、I)，鳥嘌呤的烯醇兼亞氨基式能和鳥嘌呤或腺嘌呤的正式配對(圖5－9H、J)，這些錯配也能通過DNA復制而造成轉換和顛換(圖5－10)。
從圖5－10可以看到，由酮式—烯醇式互變或氨基式—亞氨基式互變可以引起轉換，由正式—反式互變可以引起顛換。正式—亞氨基式配對或正式—烯醇式兼正式配對不容易形成，所以顛換應少于轉換。
圖5－10. 由錯配所引起的突變
環狀突變效應 近來還有人提出另一種造成自發突變的原因，它可以稱為環狀突變效應或簡稱環出效應。如圖5－11A所示，當DNA復制到C時，模板鏈G向外環出；當復制繼續進行時模板又恢復正常。結果在原來應出現GC 堿基對的 地方出現了GA堿基對。再經一次DNA復制時，便會出現TA，因此造成了GC -TA顛換。圖5－11B 中，環出的是兩個核苷酸，這樣就會導致相鄰的兩對堿基發生變化。如果這兩對堿基屬于兩個密碼，那么一次突變可以使兩個密碼發生變化，帶來兩個氨基酸的改變。關于這一突變機制模型還缺乏實驗根據，但它同樣指出，DNA結構的另一種瞬時的可逆性變化，可能導致基因突變。自然突變的偶然性在這里可以得到解釋。
—T—T—C— —T—T—C—A— —T—T—C—A—A—T—
A —A—A—G—G—T—A —A—A—G T—A— —A—A—G—G—T—A—
\ /
G
—G—T— —G—T—A—T— —G—T—A—T—A—T—
B —C—A—A—G—T—A— —C—A T—A— —C—A—A—G—T—A—
A—G
A單個核苷酸環出 B兩個核苷酸環出
圖5－11. 核苷酸環出誘變
2.3.2. 誘發突變的機制
誘發突變就是人類對突變過程的某種干擾，這種干擾往往是了解、掌握和改變自然變化的起點。誘發突變為我們研究突變機理創造了條件。誘發機制主要有以下幾類：
堿基對的置換 在DNA分子上，堿基對置換屬于一種微小的損傷，它只涉及一對堿基被另一對堿基所置換。堿基對的置換可分成兩類：一類是轉換；另一類是顛換。對某一種具體的誘變劑引起的堿基對置換。即可同時有轉換和顛換兩類，也可只具有其中的一個功能。堿基對的置換絕大多數是由化學誘變劑通過直接或間接的方式引起，因此可以把置換的機制分為兩類。
直接引起置換的誘變劑是一類可直接與核酸堿基發生化學反應的誘變劑，不論在生物體內或離體條件下均有作用。這類誘變劑的種類很多，常用的主要有各種烷化劑、亞硝酸和羥胺。它們可以與一個或幾個核苷酸發生化學反應，從而引起DNA復制時堿基對的轉換，并進一步使微生物發生變異。在這些誘變劑中，除羥胺只引起GC—AT轉換外其余都是GC---AT互變的。
烷化劑是誘變育種極其重要的一類誘變劑，它們的化學結構都帶有一個或多個活性烷基，并能轉移到其它分子中電子密度極高的位置上去。這種活性烷基的數目表示它具有單功能、雙功能或多功能。常見的烷化劑有硫酸二乙酯(DES)、甲基磺酸乙酯(EMS)、N-甲基-N’-硝基-N-亞硝基胍(NG)、N-亞硝基-N-甲基-氨基甲酸乙酯 (NMU)、乙烯亞氨(EI)、環氧乙酸(EO)、氮芥(NM)等，所有這些物質通過烷化磷酸基、烷化嘌呤和烷化嘧啶與DNA作用，其中烷化鳥嘌呤是最易發生的作用，且形成7-烷基鳥嘌呤。烷化劑對于點突變的誘變作用可能主要是由于引起堿基的錯誤配對。另外烷化劑還能誘發染色體畸變，由于染色體畸變常為輻射所誘發，所以這些物質又稱為擬輻射物質。
亞硝酸常用于誘發真菌突變，是一種對含有氨基的堿基對直接作用而誘發堿基對轉換的誘變劑。它能使堿基中的氨基氧化脫去，從而使胞嘧啶(C)變成尿嘧啶(U)，引起GC-AT的轉換；腺嘌呤(A)變成次黃嘌呤(H)，引起AT-GC的轉換；鳥嘌呤(G)變成黃嘌呤( (X)，不引起堿基對的轉換。亞硝酸還能引起DNA兩鏈間的交聯而引起DNA結構上的缺失作用。它很不穩定，易分解為水和亞硝酐 。
羥胺幾乎只和胞嘧啶發生反應而不和其它三種堿基發生，故幾乎只引起GC- AT的轉換，而不引起AT -GC的轉換。羥胺還能和細胞中的其他一些物質發生反應而產生過氧化氫等，而過氧化氫則是一種非專一性的誘變劑。所以羥胺對于游離噬菌體和轉化因子等能引起非常專一性的突變，可是對于活體來講則專一性就比較差了。
間接引起置換的誘變劑是一些堿基結構類似物，例如5-溴尿嘧啶(5-BU)、5-氨基尿嘧啶(5-AU)、8-氮鳥嘌呤(8-NG)、2-氨基嘌呤(2-AP)及6-氮嘌呤(6-NP)等。機體缺乏天然堿基時，易通過活化細胞的代謝活動摻人到DNA分子中去，引起堿基配對發生錯誤。在這些堿基類似物中，最常被應用的是5-溴尿嘧啶(5-BU)和2-氨基嘌呤(2-AP)。5-溴尿嘧啶(5-BU)是胸腺嘧啶(T)的結構類似物。當微生物生長于含有5-BU的培養液中并合成DNA時，如果5-BU以烯醇式狀態存在于DNA中，與它配對的是鳥嘌呤，進而經DNA復制，引起AT至CG的轉換；如果5-BU 以酮式狀態存在于DNA中，就不會引起堿基對的置換；另外，5-BU也可以通過烯醇式和酮式結構的變化，引起GC至AT的回復突變過程。但是在5-BU的酮式和烯醇]式兩種結構中，出現烯醇式的幾率更多，這樣也就增加了AT轉換變為GC的突變幾率。2-氨基嘌呤是腺嘌呤的結構類似物，它能代替A進入DNA分子中與T配對有兩個氫鍵，結合的程度較牢固；它也能與C形成只有一個氫鍵的堿基對，結合得較弱。隨后經DNA復制，C與G配對完成AT至CG的轉換，且這種轉換多是單方向的，因為2-氨基嘌呤較難代替G而被C吸引。
移碼突變 這是由于DNA分子中一對或少數幾對核苷酸的增加或缺失而造成的基因突變。由于遺傳信息是以三對核苷酸為一組的密碼形式表達的，所以一對或少數幾對核苷酸的增加或缺失往往造成增加或缺失位置后面的密碼意義全部發生錯誤。與染色體畸變相比，移碼突變也屬于DNA分子中的微小損傷。吖啶類染料及其化合物是有效的移碼突變誘變劑，例如吖啶、吖啶黃、吖啶橙，5-氨基吖啶。吖啶類化合物的誘變機制目前還不很清楚�，F普遍認為，由于吖啶類化合物是一種平面型三環分子，結構與一個嘌呤-嘧啶堿基對相似，因此能夠插入DNA分子中兩個相鄰的堿基之間，使得DNA分子的長度增加，造成雙螺旋一定程度的延長和部分解開。從而在復制過程中，會使鏈上增加或缺失一個堿基，結果引起增加或缺失位置之后全部遺傳密碼轉錄翻譯的錯誤，造成移碼突變。
染色體畸變 是指引起DNA分子較大損傷的誘變，包括染色體結構上的易位、倒位、缺失、重復等。紫外線、x射線、γ射線等射線、亞硝酸及烷化劑等均是引起染色體畸變的有效的誘變劑。它們能引起DNA分子多處較大的損傷，如DNA鏈的斷裂，DNA分子內兩條單鏈的交聯，胞嘧啶和尿嘧啶的水合作用以及嘧啶二聚體的形成等。烷化劑根據其烷化作用分單功能、雙功能、三功能的烷化劑，其中一些單功能烷化劑（如NG、EMS等）常被稱為超誘變劑，它們雖然殺傷力較低但卻有較強的誘變作用。烷化劑分子能烷化DNA分子上的堿基，造成一條單鏈的斷裂或兩條單鏈的交聯等，引起染色體畸變。紫外線作用的主要機制是：在同鏈DNA相鄰的嘧啶間或在互補雙鏈間形成以共價鍵結合的嘧啶二聚體。胸腺嘧啶二聚體如在互補鏈間形成就會妨礙雙鏈的解開，從而影響DNA復制和轉錄，并使細胞死亡；如在同鏈DNA上形成就會減弱或消除DNA雙鏈間氫鍵的作用，并引起雙鏈結構的扭曲變形，阻礙堿基間正常的配對，從而引起突變或死亡。微生物能以多種形式去修復被紫外線損傷后的DNA，主要方式有光復活、切除修復、重組修復、緊急呼救修復等。
光復活作用 經紫外線照射后的微生物暴露于可見光下時，可明顯的降低其死亡率的現象稱為光復活作用。光復活作用首先于1949年在放線菌中發現。引起的原因是可見光所激活的酶在起作用，經紫外線照射后形成胸腺嘧啶二聚體的DNA分子，在黑暗中會與一種光激活酶結合形成復合物，當再暴露在下可見光時，復合物會因獲得光能而使酶與DNA分子解離，從而使胸腺嘧啶二聚體重新分散成兩個胸腺嘧啶單體，同時光激活酶也從復合物中釋放出來。由于微生物中一般都存在著光復活作用，因此用紫外線照射菌液時，要在紅燈下進行操作處理，然后再于暗室中或用黑布包起來培養。
切除修復作用 也稱暗修復作用，這種修復作用與光無關，整個修復過程是在四種酶的協同作用下進行的將胸腺嘧啶切除的 DNA損傷修復：核酸內切酶胸腺嘧啶在胸腺嘧啶二聚體的5’一側切開一個3’-OH和5’-P的單鏈缺口；核酸外切酶從5’-P至3’-0H方向切除二聚體；cDNA聚合酶以DNA的另一條互補鏈作模板，從原有鏈上暴露的3’-0H端起逐漸延長，重新合成一段缺損的DNA鏈；通過連接酶的作用，把新合成的那段DNA 的3’-OH末端與原來的5’-P末端相連接，形成一個完整的雙鏈結構。
重組修復作用 又稱為復制后修復，必須在DNA進行復制的情況下進行。重組修復可以在不切除胸腺嘧啶二聚體的情況下，以帶有二聚體的這一單鏈為模板而合成互補單鏈，可是在每一個二聚體附近留下一個空隙。一般認為通過染色體交換，空隙部位就不再面對著胸腺嘧啶二聚體而是面對著正常的單鏈，在這種情況下DNA多聚酶和連接酶便能起作用而把空隙部分進行修復。
緊急呼救(SOS)修復系統 這是細胞經誘導產生的一種修復系統。它的修復功能依賴于某些蛋白質的誘導合成，而且這些蛋白質是不穩定的。SOS修復功能和細菌的一系列生理活動有關，如細胞的分裂抑制、λ噬菌體的誘導釋放，以及引起DNA損傷的因素和抑制DNA復制的許多因素都能引起SOS反應。
x射線和γ射線屬于能量很高的電離輻射，能產生電離作用，直接或間接地使DNA結構發生改變。直接的效應是堿基的化學鍵、脫氧核糖的化學鍵和糖酸相連接的化學鍵斷裂；間接的效應是電離輻射使水或有機分子產生自由基，這些自由基作用于DNA分子，引起缺失和損傷。此外還能引起染色體畸變，導致染色體結構上的缺失、重復、倒位和易位。
突變是指遺傳物質突然發生穩定的可遺傳的變化，它有兩個意義：一是指與野生型不同的個體所攜帶和傳遞的基因組變異結構，這種變異結構可以是基因水平的，也可以是染色體水平的；突變的另一個意義是指上述變異結構發生的過程。對微生物來講，基因突變最常見，最重要，而由于重組或附加體等外源遺傳物質的整合而引起DNA的改變，則不屬突變的范圍。
在微生物純種群體或混合群體中，都可能偶爾出現個別微生物在形態、生理生化或其他方面的性狀發生改變。改變了的性狀可以遺傳，這時的微生物發生變異，成了變種或變株。
2.1. 突變的類型
突變的類型是多種多樣，從突變涉及的范圍，可以把突變分為基因突變和染色體畸變。在粗糙脈孢菌中，染色體畸變的研究已經相當深入了。在電子顯微鏡下現在已經可以觀察病毒的染色體畸變。不過就遺傳學研究較為深人的大腸桿菌、沙門氏菌、枯草桿菌等細菌以及其它多數微生物來講，突變的研究主要是在基因突變方面。下面就分類的依據不同，探討一下突變的類型。
2.1.1. 從突變涉及范圍，可以把突變分為基因突變和染色體畸變。
基因突變，又稱點突變。是發生于一個基因座位內部的遺傳物質結構變異。往往只涉及一對堿基或少數幾個堿基對。點突變可以是堿基對的替代，也可以是堿基對的增減。前者可分為轉換和顛換（圖5－8）。轉換是指一種嘌呤—嘧啶對變為另一種嘌呤—嘧啶對，或一種嘧啶—嘌呤對變為另一種嘧啶—嘌呤對；顛換是指一種嘧啶—嘌呤對變為另一種嘌呤—嘧啶對，或反過來一種嘌呤—嘧啶對變為另一種嘧啶—嘌呤對。這兩種堿基的替代突變改變了遺傳密碼的結構和該密碼所編碼的氨基酸。堿基對的增減則造成增減變異點以后全部密碼及其編碼的氨基酸，所以稱為移碼突變。
圖5－8. 各種類型的轉換和顛換 (實線代表轉換，虛線代表顛換)
染色體畸變 染色體畸變是一些不發生染色體數目變化而在染色體上有較大范圍結構改變的變異，是由DNA(RNA)的片段缺失、重復或重排而造成染色體異常的突變。其中包括以下變化：一是易位，指兩條非同源染色體之間部分相連的現象。它包括一個染色體的一部分連接到某一非同源染色體上的單向易位以及兩個非同源染色體部分相互交換連接的相互易位。二是倒位，指一個染色體的某一部分旋轉180度后以顛倒的順序出現在原來位置的現象。三是缺失，指在一條染色體上失去一個或多個基因的片段，這是造成畸變的缺失。四是重復，指在一條染色體上增加了一段染色體片段，使同一染色體上某些基因重復出現的突變。發生染色體畸變的微生物往往易致死，所以微生物中突變類型的研究主要是在基因突變方面。
2.1.2. 從突變所帶來的表型的改變來講，突變的類型可以分為以下幾 類：
形態突變型 指細胞形態結構發生變化或引起菌落形態改變的那些突變類型。包括影響細胞形態的突變型以及影響細菌、霉菌、放線菌等的菌落形態以及影響噬菌體的噬菌斑的突變型。例如細菌的鞭毛、芽孢或莢膜的有無，菌落的大小，外形的光滑或粗糙及顏色的變異；放線菌或真菌產孢子的多少，外形及顏色的變異；噬菌斑的大小和清晰程度的變異等。
致死突變型 指由于基因突變而造成個體死亡的突變類型，造成個體生活力下降的突變型稱為半致死突變型。一個隱性的致死突變基因可以在二倍體生物中以雜合狀態保存下來，可是不能在單倍體生物中保存下來，所以致死突變在微生物中研究得不多。
條件致死突變型 這類突變型的個體只是在特定條件，即限定條件下表達突變性狀或致死效應，而在許可條件下的表型是正常的。廣泛應用的一類是溫度敏感突變型，這些突變型在一個溫度中并不致死，所以可以在這種溫度中保 存下來；它們在另一溫度中是致死的，通過它們的致死作用，可以用來研究基因的作用等問題。
營養缺陷突變型 是一類重要的生化突變型。是指某種微生物經基因突變而引起微生物代謝過程中某些酶合成能力喪失的突變型，它們必須在原有培養基中添加相應的營養成分才能正常生長繁殖。這種突變型在微生物遺傳學研究中應用非常廣泛，它們在科研和生產中也有著重要的應用價值。
抗性突變型 是指一類能抵抗有害理化因素的突變型，細胞或個體能在某種抑制生長的因素(如抗生素或代謝活性物質的結構類似物)存在時繼續生長與繁殖。根據其抵抗的對象分抗藥性、抗紫外線、抗噬菌體等突變類型。這些突變類型在遺傳學基本理論的研究中非常有用，常以抗性突變為選擇標記，特別在融合試驗、協同轉染實驗中用得最多。
抗原突變型 是指細胞成分，特別是細胞表面成分如細胞壁、莢膜、鞭毛的細致變異而引起抗原性變化的突變型。
其它突變型 如毒力、糖發酵能力、代謝產物的種類和數量以及對某種藥物的依賴性等的突變型。
這幾類突變型并不是彼此排斥的。營養缺陷型也可以認為是一種條件致死突變型，因為在沒有補充給它們所需要的物質的培養基上它們不能生長。某些營養缺陷型也具有明顯的形態改變。例如粗糙脈胞菌和酵母菌的某些腺嘌呤缺陷型分泌紅色色素。所有的突變型可以認為都是生化突變型，最為常見的是營養缺陷型�？顾幮酝蛔円彩俏⑸镞z傳學中常用的一類生化突變型。因為任何突變，不論是影響形態的或是致死的，都必然有它的生化基礎。突變型的這一區分不是本質性的。
2.1.3. 按突變的條件和原因劃分，突變可以分為自發突變和誘發突變。
自發突變 是指某種微生物在自然條件下，沒有人工參與而發生的基因突變。在過去相當長的時間里，人們認為自發突變是由于自然界中存在的輻射因素和環境誘變劑所引起的。然而深入研究表明這種看法不夠完全。絕大多數的自發突變起源于細胞內部的一些生命活動過程，如遺傳重組的差錯和DNA復制的差錯，這些差錯的產生與酶的活動相關聯。
DNA復制是非常精確的，細菌的DNA多聚酶具有聚合3’至5’的外切功能，它可以切除摻入到合成鏈的3’端和樣板鏈不互補的錯配堿基。通過這種復制中的校正作用，大大減少了堿基的錯配，提高了復制合成的精確度。根據計算，這種校正可以把復制錯誤減少到10-10／堿基對，即每復制1010堿基對，只發生一次錯誤的摻入。細菌堿基組含有3×l06堿基對，復制一次發生錯誤的機會是3×10-4，假設基因的大小為l03堿基對，則可推算出細菌在一個增殖世代中，每個基因的突變率平均為10-7左右�？紤]到自發突變中的大多數是檢測不出來的沉默突變，所以，對于多數可檢突變來講，自發突變率為10-8左右。
DNA復制中的堿基錯配、跳格，DNA聚合酶結構變異等均是提高自發突變的原因。在序列相似的DNA片段間的重組過程中，特別容易發生重組差錯，從而造成一個或幾個堿基的重復和缺失；基因重組是由重組酶來催化的，重組酶結構的變異也會影響基因的自發突變率�？傊�，各種DNA復制和基因重組過程有關的酶和蛋白，對維持生物基因自發突變率起著重要的，決定性的作用。
誘發突變 是利用物理的或化學的因素處理微生物群體，促使少數個體細胞的DNA分子結構發生改變，基因內部堿基配對發生錯誤，引起微生物的遺傳性狀發生突變。凡能顯著提高突變率的因素都稱誘發因素或誘變劑。
物理誘變 利用物理因素引起基因突變的稱物理誘變。物理誘變因素有：紫外線、X-射線、γ-射線、快中子、β-射線、激光和等離子等。
化學誘變 利用化學物質對微生物進行誘變，引起基因突變或真核生物染色體的畸變稱為化學誘變�；瘜W誘變的物質很多，但只有少數幾種效果明顯，如烷化劑、吖啶類化合物等。
復合處理及其協同效應 誘變劑的復合處理常有一定的協同效應，增強誘變效果，其突變率普遍比單獨處理的高，這對育種很有意義。復合處理有幾類：同一種誘變劑的重復使用，兩種或多種誘變劑先后使用，兩種或多種誘變劑同時使用。
定向培育和馴化 定向培育是人為用某一特定環境條件長期處理某一微生物群體，同時不斷將他們進行移種傳代，以達到累積和選擇合適的自發突變體的一種古老的育種方法。由于自發突變的變異頻率較低，變異程度較輕，故變異過程均比誘變育種和雜交育種慢得多。
2.2. 基因突變的特點
在生物界中由于遺傳變異的物質基礎是相同的，因此顯示在遺傳變異的本質上也具有相同的規律，這在基因突變的水平上尤其顯得突出。
自發性 由于自然界環境因素的影響和微生物內在的生理生化特點，在沒有人為誘發因素的情況下，各種遺傳性狀的改變可以自發地產生。
稀有性 自發突變雖然不可避免，并可能隨時發生，但是突變的頻率極低，一般在10-6~10-9之間。
誘變性 通過各種物理、化學誘發因素的作用，可以提高突變率，一般可提高10~106倍。
突變的結果與原因之間的不對應性 即突變后表現的性狀與引起突變的原因之間無直接對應關系。例如抗紫外線突變體不是由紫外線而引起，抗青霉素突變體并也不是由于接觸青霉素所引起。
獨立性 在一個群體中，各種形狀都可能發生突變，但彼此之間獨立進行。
穩定性 突變基因和野生型基因一樣，是一個相對穩定的結構，由此而產生的新的遺傳性狀也是相對穩定的，可以一代一代地傳下去。
可逆性 原始的野生型基因可以通過變異成為突變型基因，此過程稱為正向突變；相反，突變型基因也可以恢復到原來的野生型基因，稱回復突變。實驗證明任何突變既有可能正向突變，也可發生回復突變，二者發生的頻率基本相同。
2.3. 基因突變的機制
DNA分子中堿基對的變化可以在自然條件下自發地發生，也可以人為的應用物理、化學因素誘導發生，它們的變化機制主要有以下幾類：
2.3.1. 自發突變機制
雖然自發突變是指微生物在沒有人工參與的條件下發生的突變，但是這決不意味這種突變是沒有原因的，只是人們到現在對它還沒有認識清楚而已。下面討論幾種自發突變的可能機制。
多因素低劑量的誘變效應 不少自發突變實質上是由于一些原因不詳的低劑量誘變因素長期作用的綜合結果。早在20世紀30年代中就認為任何劑量的X射線都足以誘發突變，因此有人認為宇宙空間擁有的各種短波輻射是自發突變的原因之一。根據計算，它至多只能說明自發突變的1%。自然界中還存在著能誘發突變的低濃度物質，由于偶然接觸它們可能引起自發突變。除此以外，熱也是誘發自發突變的一種影響因素，例如噬菌體T 4在370 C中每天每一GC堿基對以4×10-8這一頻率發生變化，因此一些自發突變來自熱的誘變作用。
A、 B正常配對；C、D、E、F嘌呤-嘧啶錯配；G、H、I、J嘌呤-嘌呤錯配
圖5－9. 各種堿基錯配
微生物自身代謝產物的誘變效應 已經發現在一些微生物中具有誘變作用的物質，例如咖啡堿、硫氰化合物、二硫化二丙烯、重氮絲氨酸等。過氧化氫是微生物正常代謝的一種產物，它對脈胞菌具有誘變作用，如果同時加入過氧化氫酶抑制劑，則可提高誘變的效率。這說明過氧化氫有可能是引起自發突變的一種內源誘變劑。
互變異構效應 由于DNA分子中的A、T、G、C四種堿基的第六位碳原子上的酮基(T、G)和氨基(A、C)，胸腺嘧啶（T）和鳥嘌呤（G）不是酮式就是烯醇式，胞嘧啶（C）和腺嘌呤（A）不是氨基式就是亞氨基式。所以有人認為T和G會以酮式和烯醇式兩種互變異構的形式出現，而A和C則以氨基式或亞氨基式兩種狀態出現。由于化學結構的平衡一般趨向于酮式和亞氨基式，因此，在DNA雙鏈結構中一般總是以AT與GC堿基配對的形式出現（圖5－9A、B ）�？墒窃谂既磺闆r下，T也會以烯醇式形式出現，恰好DNA的合成到達這位置的一瞬間，通過DNA多聚酶的作用，在它相對應的位置上出現配對堿基G，而不出現常規的A（圖5－9D）。當DNA再次復制時，通過G和C配對，就使原來的AT轉變為GC。同樣如果C以亞氨基形式出現，在DNA復制的合成到達這位置的一瞬間，DNA對應鏈上將是A，而不是G（圖5－9 C）。以此類推，這些可能是引起自發突變的重要原因之一。
除了由于酮式—烯醇式互變和氨基式—亞氨基式互變而造成的堿基錯配以外，還可能發生另一種嘌呤-嘌呤錯配。這種錯配來源于另一種由于堿基-脫氧核糖鍵旋轉而造成的稱為正-反的互變。根據DNA模型制作結果，證明腺嘌呤的亞氨基式能和腺嘌呤或鳥嘌呤的正式配對(圖5－9G、I)，鳥嘌呤的烯醇兼亞氨基式能和鳥嘌呤或腺嘌呤的正式配對(圖5－9H、J)，這些錯配也能通過DNA復制而造成轉換和顛換(圖5－10)。
從圖5－10可以看到，由酮式—烯醇式互變或氨基式—亞氨基式互變可以引起轉換，由正式—反式互變可以引起顛換。正式—亞氨基式配對或正式—烯醇式兼正式配對不容易形成，所以顛換應少于轉換。
圖5－10. 由錯配所引起的突變
環狀突變效應 近來還有人提出另一種造成自發突變的原因，它可以稱為環狀突變效應或簡稱環出效應。如圖5－11A所示，當DNA復制到C時，模板鏈G向外環出；當復制繼續進行時模板又恢復正常。結果在原來應出現GC 堿基對的 地方出現了GA堿基對。再經一次DNA復制時，便會出現TA，因此造成了GC -TA顛換。圖5－11B 中，環出的是兩個核苷酸，這樣就會導致相鄰的兩對堿基發生變化。如果這兩對堿基屬于兩個密碼，那么一次突變可以使兩個密碼發生變化，帶來兩個氨基酸的改變。關于這一突變機制模型還缺乏實驗根據，但它同樣指出，DNA結構的另一種瞬時的可逆性變化，可能導致基因突變。自然突變的偶然性在這里可以得到解釋。
—T—T—C— —T—T—C—A— —T—T—C—A—A—T—
A —A—A—G—G—T—A —A—A—G T—A— —A—A—G—G—T—A—
\ /
G
—G—T— —G—T—A—T— —G—T—A—T—A—T—
B —C—A—A—G—T—A— —C—A T—A— —C—A—A—G—T—A—
A—G
A單個核苷酸環出 B兩個核苷酸環出
圖5－11. 核苷酸環出誘變
2.3.2. 誘發突變的機制
誘發突變就是人類對突變過程的某種干擾，這種干擾往往是了解、掌握和改變自然變化的起點。誘發突變為我們研究突變機理創造了條件。誘發機制主要有以下幾類：
堿基對的置換 在DNA分子上，堿基對置換屬于一種微小的損傷，它只涉及一對堿基被另一對堿基所置換。堿基對的置換可分成兩類：一類是轉換；另一類是顛換。對某一種具體的誘變劑引起的堿基對置換。即可同時有轉換和顛換兩類，也可只具有其中的一個功能。堿基對的置換絕大多數是由化學誘變劑通過直接或間接的方式引起，因此可以把置換的機制分為兩類。
直接引起置換的誘變劑是一類可直接與核酸堿基發生化學反應的誘變劑，不論在生物體內或離體條件下均有作用。這類誘變劑的種類很多，常用的主要有各種烷化劑、亞硝酸和羥胺。它們可以與一個或幾個核苷酸發生化學反應，從而引起DNA復制時堿基對的轉換，并進一步使微生物發生變異。在這些誘變劑中，除羥胺只引起GC—AT轉換外其余都是GC---AT互變的。
烷化劑是誘變育種極其重要的一類誘變劑，它們的化學結構都帶有一個或多個活性烷基，并能轉移到其它分子中電子密度極高的位置上去。這種活性烷基的數目表示它具有單功能、雙功能或多功能。常見的烷化劑有硫酸二乙酯(DES)、甲基磺酸乙酯(EMS)、N-甲基-N’-硝基-N-亞硝基胍(NG)、N-亞硝基-N-甲基-氨基甲酸乙酯 (NMU)、乙烯亞氨(EI)、環氧乙酸(EO)、氮芥(NM)等，所有這些物質通過烷化磷酸基、烷化嘌呤和烷化嘧啶與DNA作用，其中烷化鳥嘌呤是最易發生的作用，且形成7-烷基鳥嘌呤。烷化劑對于點突變的誘變作用可能主要是由于引起堿基的錯誤配對。另外烷化劑還能誘發染色體畸變，由于染色體畸變常為輻射所誘發，所以這些物質又稱為擬輻射物質。
亞硝酸常用于誘發真菌突變，是一種對含有氨基的堿基對直接作用而誘發堿基對轉換的誘變劑。它能使堿基中的氨基氧化脫去，從而使胞嘧啶(C)變成尿嘧啶(U)，引起GC-AT的轉換；腺嘌呤(A)變成次黃嘌呤(H)，引起AT-GC的轉換；鳥嘌呤(G)變成黃嘌呤( (X)，不引起堿基對的轉換。亞硝酸還能引起DNA兩鏈間的交聯而引起DNA結構上的缺失作用。它很不穩定，易分解為水和亞硝酐 。
羥胺幾乎只和胞嘧啶發生反應而不和其它三種堿基發生，故幾乎只引起GC- AT的轉換，而不引起AT -GC的轉換。羥胺還能和細胞中的其他一些物質發生反應而產生過氧化氫等，而過氧化氫則是一種非專一性的誘變劑。所以羥胺對于游離噬菌體和轉化因子等能引起非常專一性的突變，可是對于活體來講則專一性就比較差了。
間接引起置換的誘變劑是一些堿基結構類似物，例如5-溴尿嘧啶(5-BU)、5-氨基尿嘧啶(5-AU)、8-氮鳥嘌呤(8-NG)、2-氨基嘌呤(2-AP)及6-氮嘌呤(6-NP)等。機體缺乏天然堿基時，易通過活化細胞的代謝活動摻人到DNA分子中去，引起堿基配對發生錯誤。在這些堿基類似物中，最常被應用的是5-溴尿嘧啶(5-BU)和2-氨基嘌呤(2-AP)。5-溴尿嘧啶(5-BU)是胸腺嘧啶(T)的結構類似物。當微生物生長于含有5-BU的培養液中并合成DNA時，如果5-BU以烯醇式狀態存在于DNA中，與它配對的是鳥嘌呤，進而經DNA復制，引起AT至CG的轉換；如果5-BU 以酮式狀態存在于DNA中，就不會引起堿基對的置換；另外，5-BU也可以通過烯醇式和酮式結構的變化，引起GC至AT的回復突變過程。但是在5-BU的酮式和烯醇]式兩種結構中，出現烯醇式的幾率更多，這樣也就增加了AT轉換變為GC的突變幾率。2-氨基嘌呤是腺嘌呤的結構類似物，它能代替A進入DNA分子中與T配對有兩個氫鍵，結合的程度較牢固；它也能與C形成只有一個氫鍵的堿基對，結合得較弱。隨后經DNA復制，C與G配對完成AT至CG的轉換，且這種轉換多是單方向的，因為2-氨基嘌呤較難代替G而被C吸引。
移碼突變 這是由于DNA分子中一對或少數幾對核苷酸的增加或缺失而造成的基因突變。由于遺傳信息是以三對核苷酸為一組的密碼形式表達的，所以一對或少數幾對核苷酸的增加或缺失往往造成增加或缺失位置后面的密碼意義全部發生錯誤。與染色體畸變相比，移碼突變也屬于DNA分子中的微小損傷。吖啶類染料及其化合物是有效的移碼突變誘變劑，例如吖啶、吖啶黃、吖啶橙，5-氨基吖啶。吖啶類化合物的誘變機制目前還不很清楚�，F普遍認為，由于吖啶類化合物是一種平面型三環分子，結構與一個嘌呤-嘧啶堿基對相似，因此能夠插入DNA分子中兩個相鄰的堿基之間，使得DNA分子的長度增加，造成雙螺旋一定程度的延長和部分解開。從而在復制過程中，會使鏈上增加或缺失一個堿基，結果引起增加或缺失位置之后全部遺傳密碼轉錄翻譯的錯誤，造成移碼突變。
染色體畸變 是指引起DNA分子較大損傷的誘變，包括染色體結構上的易位、倒位、缺失、重復等。紫外線、x射線、γ射線等射線、亞硝酸及烷化劑等均是引起染色體畸變的有效的誘變劑。它們能引起DNA分子多處較大的損傷，如DNA鏈的斷裂，DNA分子內兩條單鏈的交聯，胞嘧啶和尿嘧啶的水合作用以及嘧啶二聚體的形成等。烷化劑根據其烷化作用分單功能、雙功能、三功能的烷化劑，其中一些單功能烷化劑（如NG、EMS等）常被稱為超誘變劑，它們雖然殺傷力較低但卻有較強的誘變作用。烷化劑分子能烷化DNA分子上的堿基，造成一條單鏈的斷裂或兩條單鏈的交聯等，引起染色體畸變。紫外線作用的主要機制是：在同鏈DNA相鄰的嘧啶間或在互補雙鏈間形成以共價鍵結合的嘧啶二聚體。胸腺嘧啶二聚體如在互補鏈間形成就會妨礙雙鏈的解開，從而影響DNA復制和轉錄，并使細胞死亡；如在同鏈DNA上形成就會減弱或消除DNA雙鏈間氫鍵的作用，并引起雙鏈結構的扭曲變形，阻礙堿基間正常的配對，從而引起突變或死亡。微生物能以多種形式去修復被紫外線損傷后的DNA，主要方式有光復活、切除修復、重組修復、緊急呼救修復等。
光復活作用 經紫外線照射后的微生物暴露于可見光下時，可明顯的降低其死亡率的現象稱為光復活作用。光復活作用首先于1949年在放線菌中發現。引起的原因是可見光所激活的酶在起作用，經紫外線照射后形成胸腺嘧啶二聚體的DNA分子，在黑暗中會與一種光激活酶結合形成復合物，當再暴露在下可見光時，復合物會因獲得光能而使酶與DNA分子解離，從而使胸腺嘧啶二聚體重新分散成兩個胸腺嘧啶單體，同時光激活酶也從復合物中釋放出來。由于微生物中一般都存在著光復活作用，因此用紫外線照射菌液時，要在紅燈下進行操作處理，然后再于暗室中或用黑布包起來培養。
切除修復作用 也稱暗修復作用，這種修復作用與光無關，整個修復過程是在四種酶的協同作用下進行的將胸腺嘧啶切除的 DNA損傷修復：核酸內切酶胸腺嘧啶在胸腺嘧啶二聚體的5’一側切開一個3’-OH和5’-P的單鏈缺口；核酸外切酶從5’-P至3’-0H方向切除二聚體；cDNA聚合酶以DNA的另一條互補鏈作模板，從原有鏈上暴露的3’-0H端起逐漸延長，重新合成一段缺損的DNA鏈；通過連接酶的作用，把新合成的那段DNA 的3’-OH末端與原來的5’-P末端相連接，形成一個完整的雙鏈結構。
重組修復作用 又稱為復制后修復，必須在DNA進行復制的情況下進行。重組修復可以在不切除胸腺嘧啶二聚體的情況下，以帶有二聚體的這一單鏈為模板而合成互補單鏈，可是在每一個二聚體附近留下一個空隙。一般認為通過染色體交換，空隙部位就不再面對著胸腺嘧啶二聚體而是面對著正常的單鏈，在這種情況下DNA多聚酶和連接酶便能起作用而把空隙部分進行修復。
緊急呼救(SOS)修復系統 這是細胞經誘導產生的一種修復系統。它的修復功能依賴于某些蛋白質的誘導合成，而且這些蛋白質是不穩定的。SOS修復功能和細菌的一系列生理活動有關，如細胞的分裂抑制、λ噬菌體的誘導釋放，以及引起DNA損傷的因素和抑制DNA復制的許多因素都能引起SOS反應。
x射線和γ射線屬于能量很高的電離輻射，能產生電離作用，直接或間接地使DNA結構發生改變。直接的效應是堿基的化學鍵、脫氧核糖的化學鍵和糖酸相連接的化學鍵斷裂；間接的效應是電離輻射使水或有機分子產生自由基，這些自由基作用于DNA分子，引起缺失和損傷。此外還能引起染色體畸變，導致染色體結構上的缺失、重復、倒位和易位。