第一节分子生态学ppt课件.ppt

分子生态学产生与发展、理论基础、研究方法、研究实例。 遗传多样性含义，影响因素、检测方法，研究意义。 研究实例 景观破碎化对千岛湖黄连木复合种群遗传多样性及空间遗传结构的影响。（微卫星引物开发及筛选、分子标记RAPD 鉴定植物性别）,分子生态学概述（Molecular Ecology）,一、分子生态学的产生与发展 二、分子生态学的理论基础 三、分子生态学的研究方法 四、分子生态学的研究实例及展望,目 录,生态系统,一、分子生态学的产生与发展,分子生态学是用DNA和蛋白质的特征, 研究物种的进化、演化及种群生物学。,分子生态学是生态学和种群生态学的交叉, 它主要利用分子生物学的方法研究自然, 人工种群与其环境的关系以及转基因生物(或其产物释放) 所带来的一系列潜在的生态学问题。,Hoelzel 和Dover (1991) Molecular genetic ecology,1992 年创刊的“ Molecular ecology ”的定义:,1、分子生态学的概念,一、分子生态学的产生与发展,分子生态学是用线粒体DNA (mtDNA ) 的变化来帮助和指导种群动态的研究。,Moritz (1994) Applications of mitochondrial DNA analysis in conservation: A critical review ：,分子生态学是用分子生物学手段研究生态和种群生物学的新兴交叉学科。,Bachmann(1994) Molecular markers in plant ecology ：,一、分子生态学的产生与发展,向近敏等(1996) 分子生态学M：,分子生态学是研究细胞内的生物活性分子特别是核酸分子与其分子环境关系的学科。,1、分子生态学的概念,生态学的微观研究层次与领域，它利用分子生物学原理、方法和技术，来研究生命系统与环境系统相互作用的机理及其分子机制的科学，从分子水平探讨生物与环境的关系。,1、分子生态学的概念,一、分子生态学的产生与发展,目前较为一致的看法:,一、 分子生态学的产生与发展,2、分子生态学与其他学科的交叉,系统分类学：物种的鉴定；蛋白质和核酸的序列变化可以在任何生物类群之间进行比较。 进化生物学：自然选择、中性学说、遗传漂变 生态遗传学：基因型、表型、表型可塑性 行为生态学：个体之间亲缘关系、合作关系,一、分子生态学的产生与发展,2、分子生态学与其他学科的交叉,分子生物学,群体遗传学,行为生物学,进化生物学,古地学/古气候学,保护生物学,分子进化,系统发生学,数学,生物地理学,生态学,古生物学,分子生态学,2、分子生态学与其他学科的交叉,一、分子生态学的产生与发展,Higuchi等利用博物馆所存的现已灭绝的斑驴皮提取mt DNA片断的序列，并把这一序列与现有种比较发现，斑驴和平原斑马具有较近的亲缘关系。这标志着一个新研究领域的开始。,1984年,一、分子生态学的产生与发展,3、分子生态学的发展,一、分子生态学的产生与发展 二、分子生态学的理论基础 三、分子生态学的研究方法 四、分子生态学的研究实例及展望,目 录,二、 分子生态学的理论基础,理论核心：分子水平上的绝大多数突变是选择上中性的，因而他们在进化中的命运是随机漂变的，而不是由自然选择决定的。中性理论对种内遗传变异的解释：分子水平上的绝大部分种内遗传变异（即遗传多态现象）是选择上中型的，突变速率和遗传漂变速率决定遗传多态性的变化速率。中性突变与自然选择的辨证统一：少量突变的非中性。中性理论在分子生态中的应用：排除假设的基础。种群遗传进化：选择、突变、随机遗传漂变、迁移、自然灾害、社会结构等。,1、分子进化的中性理论（Neutral Theory）,中性理论下的中性标记并非真的中性 搭乘效应（hitch-hiking）中性标记位点在物理距离上与一个受选择的基因相邻（在同一染色体上），以至于它们之间很少重组，中性标记位点等位基因就与那些基因共分离而表现出受选择的作用。 等位酶有些酶会在外界诱导下选择性的表达，有些并非中性，生活在不同环境下的野生种群中显示出明显的选择性。 核DNA标记选择作用会对包括RAPD、AFLP和微卫星位点或与他们连锁的基因在内的一些分子标记产生影响。,1、分子进化的中性理论（Neutral Theory）,二、 分子生态学的理论基础,二、 分子生态学的理论基础,2、哈迪-温伯格法则 （Hardy-Weinberg principle ）,内涵：在满足下列假设的条件下，生物种群的等位基因频率和基因型频率世代间保持不变。（1）有性繁殖并随机交配；（2）等位基因在雌雄两性中随机交配；（3）种群足够大；（4）世代不重叠；（5）没有自然选择、突变和迁移。 分子生态意义：作为基本判别假设和理论基础（遗传标记方法）,二、 分子生态学的理论基础,3、种群分化是生物进化的必要途径,(1).种群分化的结果： 新种形成；种群的杂合度降低。(2).Wrights F统计方法， F近似地代表等位基因被固定的可能性，又称固定系数。 近交系数 FIS是指在某个基因位点上，一个个体从上代得到两个等同的等位基因的概率，其变化范围在-1和+1之间变动。FIS0或FIS0，说明该位点存在纯合子或杂合子过多的情况；FIS=0表明等位基因频率符合Hardy-Weinberg平衡，该种群在该位点上是随机交配的。,二、 分子生态学的理论基础,4、 随机遗传漂变是种群进化的重要动力,随机遗传漂变是指在一个有限群体内等位基因或单倍型频率从一代到下一代的随机改变。这种变动变化导致某些等位基因的消失，另外一些等位基因的固定，进而改变群体的遗传结构。 小种群中发生遗传漂变的频率比大种群中要大。 一个等位基因被固定的概率等于其此时在种群中的频率， 所以稀有基因更易被淘汰。从而降低种群的遗传多样性。 在metapopulation中，局部种群越小其遗传多样性丧失的 越快，局部种群间的遗传分化就越大。 对所有中性等位基因的作用一致，因此，在没有其它进化动力的条件下，不同的中性位点揭示的进化（演化）规律应相同。,5、联种群（集合种群）的遗传学 复合种群(Metapopulation )占据不同生境板块的亚种群，并且经受间歇性局部地区的消亡及从其他同类群再度移入重建时就会产生联种群。,二、 分子生态学的理论基础,6、基因流与迁移率,实质：基因流（Nm） 指亚种群间每个时代迁移并在迁移后成功繁殖的个体数量。亚种群间基因通过生物个体或它们的配子体进行的迁移，其趋向于阻止亚种群之间产生遗传上的差异 。遗传估算：基于F统计 ：Nm=1/4 (1/Fst1)遗传分化系数Fst ：表示随机选取的每个种群中两个配子间相互关系程度，该指标被广泛用于定量亚种群间的遗传分化程度。,二、 分子生态学的理论基础,距离隔离先估亚种群对之间的Fst值和基因流，再寻找距离造成的隔离作用。区别现时基因流和近期历史上可能的分隔。美国和墨西哥西南部耧斗菜属（Aquilegia）种群间是否有任何基因流的存在。 迁移率的估算最大似然法应用时应注意从更多位点获取信息样（本量足够大），尽可能与直接进行测量的生态学方法（标记重补或放射示踪法）进行对比。,二、 分子生态学的理论基础,6、基因流与迁移率,定义一个种群中能将其基因连续传递到下一代的个体平均数。实际上相当于理想状态下（种群大小的稳定，世代之间没有重叠，所有个人以相同的概率给下一代贡献配子）种群的大小。 影响因素：参与生殖个体性别的比例相差很大；参与生殖个体贡献个下一代的配子数有差异；种群中个体数在短期内呈周期性变化；不同世代之间有重叠；一个物种有多个遗传相对隔离的亚种群构成 。,7、有效种群大小（Ne）,二、 分子生态学的理论基础,估算方法:计算种群世代间等位基因频率的即时变化（不同世代，样品数量，多态位点数量）有效成体繁殖数目（Nb）可用于估算Ne （非离散世代）基于重复取样的最大似然法（被广泛应用）从杂合性的预期关系上估算Ne （适合对整个物种的全部进化时间上的探讨）,7、有效种群大小（Ne）,二、 分子生态学的理论基础,定义：有效种群大小明显下降，这种减少有可能是暂时的，也可能是长久的。 危害：增加有害等位基因的随机固定。瓶颈作用的持续时间越长，造成的等位基因丢失则会越多。 遗传检测：基于瓶颈效应期间的相对于等位基因多样性的杂合度瓦解。（具体分子标记的数量、种类、平均杂合度以及瓶颈效应前后Ne的比值）。,8、种群瓶颈（效应）,二、 分子生态学的理论基础,溯祖过程,演化分支过程,假定种群在个世代保持数目恒定，即每个等位基因有N个拷贝，则种群中任一对基因a在t时代以前的概率为： p=(1-1/N)t-1/N 单倍体朔祖时间N ，二倍体为 2N,二、 分子生态学的理论基础,9、溯祖理论,定义：追溯共同祖先的后代系谱进化特征、动态变化过程和样本特性的群体遗传学理论。,二、 分子生态学的理论基础,10、分子系统发生分析,定义：从生物大分子的信息确定不同生物在进化过程中的地位、分歧时间以及亲缘关系，建立分子系统树，从而推断生物的进化历史。 分子系统发生（异中求同）分析的基本原则：（1）分子标记的中性原则；（2）进化速率恒定原则，符合“分子钟”假设；（3）分子标记在研究类群中直向同源：（4）分子标记具有适当的遗传变异度。,二、 分子生态学的理论基础,10、分子系统发生分析,分子系统发生（异中求同）分析的基本方法：（1）距离法：依据每对单元间的进化距离建立进化树。（2）最大简约法：对于分子数据，该方法计算在最少的碱基替换条件下能够解释整个进化过程的拓扑结构（系统进化树）。（3）最大似然法： 对观察数据符合每种拓扑结构的可能性进行最大化计算，可能性最大的拓扑结构被选为终解进化树。（4）贝斯法：检验观测数据与理论假设的偏离是否大到否定假设的程度，或者现有数据是否足以支持作出有关结论。,一、分子生态学的产生与发展 二、分子生态学的理论基础 三、分子生态学的研究方法 四、分子生态学的研究实例及展望,目 录,三、 分子生态学的研究方法,1、基于蛋白质的方法,同工酶技术,催化同一种反应而结构不同的一簇酶称为同工酶，如果是等位基因决定的同工酶,又称等位酶。,图3.1.1 蛋白质的提取及电泳分析,三、 分子生态学的研究方法,1、基于蛋白质的方法,由于同工酶的分子量和电荷有差异，可以利用凝胶电泳技术将其分开,通过染色和扫描，利用计算机分析软件进行差异分析。可以根据酶带的变化判断种群内不同个体间基因位点及等位基因的变异性，也可以比较不同种群间遗传变异的差别。,同工酶技术的原理,图3.1.3 酯酶同工酶扫描图谱,图3.1.2 同工酶电泳结果图,三、 分子生态学的研究方法,1、基于蛋白质的方法,（1）因为同工酶是基因表达的产物，受到生物在发育过程中基因表达的时序控制，所以同一生物在不同发育期可能表现出不同的同工酶酶谱，同种酶在同一动物不同组织内的表达也可能不同，因此在研究中要特别强调所取样本的一致性。（2）只能反映一小部分功能基因(外显子)的情况，而对大部分功能基因和大量非功能基因无法表现，在比较种群内或种群间遗传变异时往往多态性较低。,同工酶技术的局限性,三、 分子生态学的研究方法,2、基于DNA的方法,限制性片段长度多态性分析技术(RFLP),总核DNA,专一序列的标记DNA探针,自显影显色或发光显示,群内和种群间的差异,缺点：（1）需要大量的实验材料来提取DNA，方能满足酶切后得到明显谱带的要求。（2）探针用放射性同位素标记有危害，操作烦琐，DNA多态性检出的灵敏度不高。,优点：需DNA量少；多态性丰富；重复性好；缺点：（1）探针用放射性同位素标记有危害；（2）对样品DNA质量要求高；多态片段中有共显性表达现象。,扩增限制性片段长度多态性分析技术(AFLP),2、基于DNA的方法,三、 分子生态学的研究方法,优点：（1）技术通用，一套引物可用于不同物种；（2）简单高效快速；（3）需样量少；缺点：重复性差，对实验条件极敏感；有假阳性和假阴性结果；显性标记，不能提供完整的遗传信息。,随机扩增多态性DNA技术（RAPD）,2、 基于DNA的方法,三、 分子生态学的研究方法,微卫星重复序列区,非重复特异序列区,根据特异序列设计引物,PCR,DNA,电泳,位点特异性微卫星分析法,微卫星标记（SSR）,2、基于DNA的方法,三、 分子生态学的研究方法,优点：简单易行； PCR重复稳定；可用于多种遗传性分析。,2、基于DNA的方法,三、 分子生态学的研究方法,内嵌微卫星标记ISSR (inter-simple sequence repeat),优点：所需DNA模板的量少、多态性丰富、结果记录方便、实验成本低、稳定性较高。缺点：PCR 扩增最适反应条件需要摸索。,2、基于DNA的方法,三、 分子生态学的研究方法,单核苷酸多态性(Single nucleotide polymorphism, SNP) 指同一位点的不同等位基因之间个别核苷酸的差异，这种差异包单个碱基的缺失或插入，更常见的是单个核苷酸的替换，且常发生在嘌呤碱基(A 与G) 和嘧啶碱基(C 与T) 之间。可帮助区分两个个体遗传物质的差异，被认为是应用前景最好的遗传标记。,特点：SNP数量多，分布广泛且高度稳定。SNP适于快速、规模化筛查，易于基因分型等。,SNP的检测方法,三、 分子生态学的研究方法,2、基于DNA的方法,表3-1 常用分子标记技术特征的比较,三、 分子生态学的研究方法,三、 分子生态学的研究方法,2、基于DNA的方法,线粒体DNA标记优点：（1）母性遗传，无重组；（2）容易设计保守性通用引物；（3）有效单倍性，即细胞中各线粒体的DNA拷贝的遗传组成等同；（4）哺乳动物线粒体DNA的进化速率约为核DNA的10倍（植物的进化速率很低且基因重组频繁）。缺点：不少物种的核基因组存在与线粒体DNA同源的线粒体假基因，干扰线粒体DNA标记的使用。,叶绿体DNA标记优点：（1）大部分为母性遗传；（2）进化速率小，适合种以上水平的系统发生研究。缺点：（1）不太适合种内遗传变异的研究；（2）由于存在一些父性遗传和双亲遗传的情况，其有效单倍性需要具体分析。,三、 分子生态学的研究方法,3、种群遗传学中选择分子标记的基本原则：,共显性标记（能检测出显性和隐性等位基因，能够区分纯合和杂合基因型的遗传标记）；适合于当前研究要求的多态性水平；对于比较复杂的研究问题或是研究对象最好选择一个以上的标记系统。,4、种群遗传学中选择分子标记时的基本检验 ：,是否每个所研究的种群都在Hardy-Weinberg 平衡中，即确定纯合子和杂合子的预期值与试验检测的等位基因频率是否相一致；是否符合连锁平衡，即不同位点上的等位基因共分离。,一、分子生态学的产生与发展 二、分子生态学的理论基础 三、分子生态学的研究方法 四、分子生态学的研究实例及展望,目 录,1. 保护遗传学,遗传恢复引进“新鲜血液”能恢复近交小种群的生存力，并且这种遗传恢复很可能是越来越重要的保护管理手段。 遗传管理的典范：极北蝰（Vipern berus）1992年 引进20条成年成年蝰放入小种群中1992-1995年 引进的雄性与近交产生的雌性蝰蛇交配1995年8月 存活的引进的雄性被取回放回原地1999年 隔离种群中雄性数量急剧增加,四、分子生态学的研究实例及展望,物种灭绝的发育贯穿于地球的生命史中，但它们当前灭绝的速率却由于人类活动而被大大增强了。,主要研究动物的行为,如迁移、栖息地和繁殖等。DNA标记可以校正野外观察的错误。 张亚平等用微卫星DNA进行圈养大熊猫的亲子鉴定,发现动物园一雌多雄多次交配中,只有个别雄性是有效的,称为有效雄体。该研究结合基因型的鉴定,有助于制订繁殖计划,防止近交衰退。,3、行为生态学,四、分子生态学的研究实例及展望,4、分子环境遗传学,种群生态学和基因流 高等动物完全异交,没有自交,达尔文早就提出近交衰退问题。生境片段化影响基因流,导致近交(相同或相近基因型之间的交配),降低个体生活力,尤其威胁濒危物种的生存。 例如佛罗里达黑豹仅存约50只。为防止近交衰退,计划从得克萨斯引进个体以增加当地种群遗传多样性。也曾考虑从北美其他地方将狼引入黄石公园,因为mtDNA分析证明整个北美狼群有高速基因流,没有近交问题。,四、分子生态学的研究实例及展望,5、遗传上修饰的生物(genetically modified organism, GMO) 主要是转基因动植物环境释放的生态后果是科学界和公众广泛关注的问题。 现在已经有证据说明转基因作物的外源基因已转到近缘的杂草。这是一个有激烈争议并涉及伦理道德等需要专门论述的题目,目前国内已有专家在进行此方面研究。,四、分子生态学的研究实例及展望,6、结语,分子生态学的发展趋势及展望分子生态学也仅仅是一种新的技术手段，只有将它与传统生态学、种群统计、生理学、环境学等学科和方法结合起来，将分子信息与生态的、统计的、生理的野外数据结合起来，才能最终理解种群的结构与动态、物种不同形态及生理特征的实际意义，才能理解物种或种群的进化规律。,四、分子生态学的研究实例及展望,重要期刊分子生态学,高等教育出版社,中山大学出版社,