Как в природе, так и в опытах мутации возникают под влиянием различных воздействий, называемых мутагенными факторами, или мутагенами.
Применяемые для искусственного получения мутаций мутагены делятся на физические (радиация, температура, механические воздействия) и химические. Из физических мутагенов особенно широко применяют электромагнитные и корпускулярные излучения.
Под действием облучения частота мутаций у растений по сравнению с естественным процессом мутирования увеличивается примерно в 1000 раз. Число возникающих мутаций зависит от дозы облучения: с увеличением ее до известных пределов число мутаций пропорционально увеличивается. За единицу дозы облучения принят один рентген (Р) — количество излучения, вызывающее образование в 1 см3 сухого воздуха при 0 °С и давлении 760 мм ртутного столба 2,1 • 109 пар ионов. При облучении растений и животных дозу измеряют килорентгеиами (кР). Например, гамма-лучи (60Со) при воздействии на сухие семена применяют в дозе 5—10 кР.
Различают летальную (смертельную для организма) и критическую дозы облучения. Критической считают такую дозу, при которой наблюдается сильное угнетение организмов, но значительная часть их все-таки выживает и дает большое число мутаций. Так, для большинства видов критические дозы радиации гамма — лучей, при воздействии которых на сухие семена выживает около половины растений, лежат за пределами 10 кР. К наименее радиочувствительным относятся лен и представители семейства капустных. Высокой радиочувствительностью отличаются горох, подсолнечник и клубни картофеля.
Среди химических мутагенов наиболее широко распространены этиленимин (ЭИ), диэтилсульфат (ДЭС), диметилсульфат (ДМС), нитрозоэтилмочевина (НЭМ), нитрозометилмочевииа (НММ), а также 1,4-бисдиазоацетилбутан (ДАБ), перекись водорода, азотистая кислота, горчичный газ (иприт) и др. Химические вещества, обладающие особенно высокой активностью, такие как ацетилбутан, НЭМ, этилметансульфонат (ЭМС) и некоторые другие, способны вызывать до 100 % мутаций. Их называют супермутагенами. Обычно химические мутагены применяют в виде водных растворов различной концентрации (обычно в пределах 0,01—0,2 %). В них намачивают семена в течение 12—24 ч.
Действие мутагенов на наследственные структуры клеточного ядра носит многообразный характер. Классификация известных типов мутаций позволила выявить в качестве основных следующие из них.
I. Изменения числа хромосом (перестройки генома).
II. Изменения структуры хромосом.
III. Изменения структуры гена — генные, или точковые, мутации — результат изменения молекулярной структуры ДНК.
Ионизирующие излучения вызывают главным образом хромосомные перестройки, сопровождающиеся резким изменением строения и функций организмов. Большинство их вредно. Химические же мутагены вызывают преимущественно точковые (генные) мутации, влияющие на физиологические и количественные признаки.
Репарации генетических повреждений. Бактерии, грибы и клетки высших организмов могут репарировать (исправлять) некоторые генетические повреждения после воздействия мутагенов. Например, ультрафиолетовые лучи в момент своего действия на клетки бактерий вызывают только потенциальные повреждения ДНК. Если сразу же после обработки клеток ультрафиолетовым светом облучать их видимым светом, то реактивируется более 95 % возможных мутаций.
Способность к репарации зависит от генотипа организма и физиологических условий, в которых оказываются клетки после облучения или обработки химическими мутагенами. Одни организмы обладают очень мощными репарирующими системами и проявляют большую устойчивость к мутагенным воздействиям, у других репарирующие системы оказываются малоэффективными. У одних и тех же организмов работа репарирующих систем и вероятность исправления генетических повреждений очень сильно зависят от условий, в которых находится клетка, особенно от температуры, света и состава питательной среды.