第七章：群体的遗传分析

第七章、群体的遗传分析教师：张光祥Email:教学安排学时数： 4年 2月 四川师范大学生科院张光祥群体遗传的研究特点与任务群体遗传研究的任务：研究群体的遗传结构变化规律、原因以及在生物进化与物种形成中的作用群体遗传的研究特点：以群体为基本研究单位以基因频率和基因型频率描述群体遗传结构 ;采用数学和统计方法进行研究；群体遗传研究为揭示生物的物种起源与演变及其生物进化机制，种群遗传多样性演变规律与生物保护策略等提供了有效手段年 2月 四川师范大学生科院张光祥第一节：群体的遗传平衡一、孟德尔 群体 :1、群体F(生态学 )群体：某一空间内生物个体的总和包括全部物种的生物个体F种群、地区群体 /居群 :地理隔离会造成基因交流障碍，所以群体遗传学研究生活在同一区域内，能够相互交配的同种生物的个体群F遗传学和进化论中研究的群体是孟德尔群体：同一物种内有相互交配关系、能自由进行基因交流的所有个体。年 2月 四川师范大学生科院张光祥2、孟德尔群体及其有关概念孟德尔 群体 的 本质特征是：群体内每个个体的 配子 (或 配子 )具有相等的机会 与其他任何一个个体的与其他任何一个个体的 配子 (或或 配子配子 )结结合。所以，孟德尔群体又叫随机交配群体合。所以，孟德尔群体又叫随机交配群体 。最大的孟德尔群体就是整个物种（不存在生殖隔离）。群体内不同个体的基因型可以不同。由于复等位基因的广泛存在，不同个体所具有的等位基因也可能不一样，但群体中所有的基因是一定的。基因库 (gene pool)指一个群体中包含的所有基因总数，这里的 “ 所有基因 ” 是指群体内存在于所有基因座（ gene loci）上的 全部等位基因。生物体在繁殖过程中，并不能把个体的基因型传递给子代，传递给子代的只是基因。年 2月 四川师范大学生科院张光祥二、基因型频率与基因频率1、基因型频率：一个群体内某个特定基因型所占的比例。在一个个体数为的二倍体生物群体 (居群 )中 ,一对等位基因 (A,a)的三种基因型的频率表示如下 :基因型 频 率个体数P + H + QQ = q/NH = h/NP = p/N符号N = 100000N 型 : 16000MN 型 :48000M 型 : 36000MN血型 实 例Nqhp符号1合 计Q = 0.16aaH = 0.48AaP = 0.36AAMN血型 实 例基因型一个群体即使所有个体都具有相同繁殖效率 ,也只有在随机交配前提下 , 基因型频率才能维持不变。只要不是随机交配，基因型频率就会发生变化。比如F2通过自交产生的 F3群体基因型频率就变了。年 2月 四川师范大学生科院张光祥2、基因频率基因频率：群体内某个特定基因座 (locus)上一个特定等位基因占该基因座位所有等位基因总数的比例，也称为等位基因频率。基因 频 率基因型 频 率p + q = 1a基因 : qA基因 : p符号P + H + Q = 10.160.480.36实 例1QHP符号合 计aaQ+ H = 0.4AaP + H = 0.6AA实 例基因型一个群体只要所有个体都具有相同的繁殖效率，无论随机交配还是通过自交，产生的子代群体内基因频率都维持不变。在一个个体数为的二倍体生物群体中，一对等位基因 (A,a)的基因座位共有 2N份，两个等位基因的频率表示如下：年 2月 四川师范大学生科院张光祥三、哈德魏伯格定律1. 在一个完全随机交配的群体内，如果没有其它因素（如突变、选择、迁移等），那么，基因频率和基因型频率可以保持恒定，各代不变。这一现象是德国医生Weinberg W. 和英国数学家哈德 Hardy G.H. 于 1908年分别发现的，故称：哈德魏伯格定律。 设：在一个随机交配群内基因 A的频率为 p, 基因 a 的频率为 q， p + q = 1； 则：三种基因型的频率为： P = p2、 H = 2pq、 Q = q2当 3 种不同基因型个体间充分随机交配，下一代基因型频率和亲代完全一样，不会发生改变：子代基因型子代基因型 频频 率仍率仍 维维 持不持不 变变频频 率率q频频 率率p频频 率率 p频频 率率 qaaq2Aapq配子配子aAapq配子配子 aAAp2配子配子A配子配子 A 年 2月 四川师范大学生科院张光祥2、平衡群体中基因 (型 )频率的计算在英国无爱滋病死亡的大人群中在英国无爱滋病死亡的大人群中 , 检测出检测出 32/ 32的的基因型频率假如为基因型频率假如为 Q = 0.01。由于由于 人类大群体一般可视为孟德尔群体人类大群体一般可视为孟德尔群体 ，按照按照 Q = q2， 可算出：可算出： q = 0.1, p = 1 q = 0.9；基因型基因型 +/+ 的频率的频率 P = p2 = 0.81；杂合子杂合子 +/ 32频率：频率： H = 2pq = 20.10.9 = 0.18人类人类 3 号染色体的细胞表面蛋白基因号染色体的细胞表面蛋白基因 CCR5， 编码区编码区缺失缺失 32bp突变成突变成 32后导致易感后导致易感 HIV。 32/ 32易感染易感染且发病快；杂合体易感染但发病慢；且发病快；杂合体易感染但发病慢； +/+ 不易感染。通不易感染。通过培养细胞的易感性试验和分子手段都可鉴定基因型。过培养细胞的易感性试验和分子手段都可鉴定基因型。我国人群中我国人群中 32的频率为的频率为 2 （王福生等（王福生等 , 1999）。）。年 2月 四川师范大学生科院张光祥93、非平衡群体的判断以细胞表面蛋白基因以细胞表面蛋白基因 CCR5的的 32bp缺失突变为例缺失突变为例。在英国无爱滋病死亡地区的大人群中假如已知。在英国无爱滋病死亡地区的大人群中假如已知有有 :q = 0.1, p = 0.9, P = 0.81, H = 0.18, Q = 0.01。假如有一半的假如有一半的 32/ 32因感染因感染 HIV而死亡，则群体中而死亡，则群体中的的 Q、 P和和 H就变成了：就变成了：Q1 = 0.005/0.995 = 0.005， P1 = 0.81/0.995 = 0.814H1 = (1P1Q1) = 0.18/0.995 = 0.181相应地：相应地： p1 = P1 + H1 = 0.9045, q1 = 1 p1 = 0.0955由于由于 p12 P1, 2 p1q1 H1, q12 Q1，突变基因，突变基因纯合子死亡一半后的群体就为非平衡群体。纯合子死亡一半后的群体就为非平衡群体。4、利用共显性基因 (标记 )进行分析判断例： 我国某人群中测定了 1050人 对苯硫脲的尝味能力 ,其中 410人 (TT)有尝味能力、杂合的有 500人 (Tt)、 味盲者有 140人 (tt)。 问是否是达到 Hardy-weiberg平衡？由于： T 基因的频率 p = (2410 500)/(10502) = 0.63t 的基因频率 q = (2140 500)/(10502) = 0.37根据遗传平衡定律可算出基因型频率和频数理论值 (C):c2 = 0.4310.0970.2250.109(Ci Oi)2/CiN= 1050Nq2= 143.742Npq= 489.51Np2= 416.75预 期 频 数 ( C )1050 = N140500410实际频 数 ( O )合 计ttTtTT由于在实际调查中存在抽样误差 ,需理应卡平方检验法进行适合性检验： c2 = S (Ci Oi)2/Ci ， H0: Ci Oi = eic 2 = 0.431 c 2a=0.05 = 3.841,符合 遗传 平衡群体特征。年 2月 四川师范大学生科院张光祥5、从不平衡到平衡只需 1 代随机交配由于在 32/ 32被淘汰一半后的初始群体中：H1 = 0.181, P1 = 0.814, Q1 = 0.005, p1 = 0.9045, q1 = 0.0955P2 = 0.8181， Q2 = 0.0091， H2 = 20.0864 = 0.1728基因 频 率不 变 ： P= p2, H = 2pq, Q = q2, 即已达平衡。而且 : p12 = 0.90452 = 0.8181P1，q12 = 0.09552 = 0.0091Q1， 2p1q1= 0.1728 H1也就是说 说明群体处于非平衡状态。再来看看经过一次随机交配后的子代群体：p1 = 0.9045q1 = 0.0955 32/32q12=0.0091CCR5/32p1q1=0.0864配子 : 32q1 = 0.0955 CCR5/32p1q1=0.0864配子 : 32CCR5/CCR5p12=0.8181配子 : CCR5p1 = 0.9045配子 : CCR5群体内 配子群体内 配子年 2月 四川师范大学生科院张光祥6、哈德魏伯格定律要点总结 在随机交配的大群体中在随机交配的大群体中 ，如果没有其它因素干扰，则各代的基因频率保持不变； 任何一个大群体内任何一个大群体内 ，不论初始基因频率和基因型频率如何，只需经过一代的随机交配就可达到平衡； 当一个群体达到平衡状态后当一个群体达到平衡状态后 ，基因频率和基因型频率关系是：P = p2， H = 2pq， Q = q2 哈德魏伯格定律哈德魏伯格定律也叫遗传平衡定律也叫遗传平衡定律年 2月 四川师范大学生科院张光祥四、 遗传平衡定律的意义1、遗传平衡定律是群体遗传分析的理论基础。2、除自花授粉植物外 ,高等生物的自然群体一般接近于随机交配 ,且都是很大的群体。所以 ,遗传平衡定律基本适用于分析、研究这类群体，具有广泛的实用性。3、根据遗传平衡定律 ,在随机交配条件下 ,如果没有明显的明显的 迁移、选择和增加突变等因素的 干扰干扰 ，平衡群体的基因频率和基因型频率世世代代保持不变 ,即平衡群体的遗传结构是稳定不变的。4、群体的遗传平衡是有条件的 ,研究影响遗传平衡的因素，以及在这些因素作用下群体结构发生变化的规律 ，便可揭示生物进化的规律。年 2月 四川师范大学生科院张光祥五、群体遗传平衡的条件群体维持遗传平衡的主要条件有：1、随机交配； 2、大群体； 3、无选择；4、无突变或正反向突变相抵；5、无其它基因掺入形式 (主要是迁移 )。突突 变变无突 变随机无大无群体平衡 稳 定选选 型交配与型交配与近近 亲亲 交配交配迁移迁移遗传遗传漂漂 变变选择选择群体平衡群体平衡扰动扰动 交配繁殖迁移群体选择因素群体遗传学研究的重点，正是研究上述条件不满足时群体遗传学研究的重点，正是研究上述条件不满足时，群体遗传结构的变化及其对进化的作用。，群体遗传结构的变化及其对进化的作用。在这些因素中，突变和选择是主要的，遗传漂变和迁在这些因素中，突变和选择是主要的，遗传漂变和迁移也有一定的作用。移也有一定的作用。但是在自然界中，偶尔会有一些因素发生变化，如 一一定范围的极端气候定范围的极端气候 、 严重污染事件严重污染事件 、 小群体迁移小群体迁移 等，每次这样的事件都将造成群体遗传结构的扰动 ：年 2月 四川师范大学生科院张光祥第二节、改变遗传平衡的因素基因基因 突变突变 对群体遗传结构的影响对群体遗传结构的影响选择选择 对群体遗传结构的影响对群体遗传结构的影响突变与选择的联合作用突变与选择的联合作用迁移迁移 对群体遗传结构的影响对群体遗传结构的影响遗传漂变及其作用遗传漂变及其作用一、 基因 突变 对群体遗传结构的影响1、 突变压 (mutation pressure)：基因突变 造成 的基因频率 改变量，等于 基因频率与突变率的乘积。基因频率与突变率的乘积。A auv基因 突变 一是 为自然选择提供原始材料 ， 二是 直接导 致群体基因频率改变 。令 u = 正突变频率； v = 反突变频率：一对基因的突变有正突变，也有反突变，所以：A a 的频率即 A的减少率为 pu (正突变压正突变压 )；a A 的频率即 A的增加率为 qv (反突变压反突变压 )。在没有其他因素影响时：设某一世代中，一对基因 A, a的频率分别为 p 和 q 。 则：则：突变对突变对 A 基因 频率的影响为： Dp = qv pu年 2月 四川师范大学生科院张光祥2、 pu = qv 时 的基因频率与突变率关系当群体内当群体内 pu = qv 时时 ，并不改变群体内的基因频率，群体仍然处于平衡状态群体仍然处于平衡状态 ：由于 p = qv pu = 0， 且 q = 1 pA的增量的增量 A减少量减少量所以： pu = qv = ( 1 p ) v = v pv也就是： pu pv = v, 改写为 p ( u v ) = vvuuq+=同理可得：由于： A a的正突变率为 u； a A的 反突变率为 v。群体中 A 的频率为 p ， a 的频率为 q， p q = 1。vu + vp 故： = 在没有其他因素干扰时，平衡群在没有其他因素干扰时，平衡群体的基因频率由正、反突变频率大体的基因频率由正、反突变频率大小决定小决定 。如实验查明一对等位基因的正、反突变率，就可利用左边公式计算出平衡状态下的基因频率。年 2月 四川师范大学生科院张光祥当群体内正、反突变压相等时，可以根据突变率计算基因频率例如 ： Aa 的突变率为 1/100万， 即 u = 1 10-6 ；aA 的 反突变率为 0.5/100万，即 v = 5 10-7在 pu = qv 的前提下，有 p = v/(u v) 。所以，根据公式： p = v/(u v) 可算出：p = 0.0000005/(0.0000005 0.000001) = 也就是在群体中， A 基因占基因占 , a 基因占基因占 (1 p) = 。这时的正突变压 pu = (110-6) = 10-6这时的反突变压 qv = (510-7) = 10-6所以， 正反突变压 相等 正反突变率 相等如果等位基因的正反突变率相等 (即 v = u), 同时 正反突变压也相等 (pu = qv), 则必然是 q = p = 0.5年 2月 四川师范大学生科院张光祥3当群体内正、反突变压 不相等 时根据前面的知识， p = qv pu, 且 p q = 1。在 u 和 v 维持不变的情况下，如果 pu qv， 即 A 承受的突变压 比 a 承受的突变压 大。也就是说在群体内，与 a 突变成 A 相比，有更多的 A 突变成 a。一个世代后 , 与上一代相比 p 变小了： p1 = p0 p 。 p 的 这个减量 ( p) 就是 q 的增量 ( q)： q1 = q0 + q 。总之总之 , 在突变率不变的情况下在突变率不变的情况下 , 如果正、反突变压不相如果正、反突变压不相等等 , 则这种突变则这种突变 压差压差 的作用下的作用下 , 会使会使 A、 a 的基因频率向的基因频率向缩小突变压差的方向改变缩小突变压差的方向改变 , 最终使突变压相等最终使突变压相等 。由于基因的突变频率一般都很低 (1/104 1/107)，因此 , 突变压差对基因频率的明显改变要经过很多世代 。对于繁殖周期很短的生物，可在较短时间内引起基因频率的明显改变。年 2月 四川师范大学生科院张光祥举例说明突变对基因频率的影响 (了解 )已知果蝇在正常条件下，灰体已知果蝇在正常条件下，灰体 Y 黄体黄体 y 的突变率：的突变率：u = 0.0001; 黄体黄体 y 灰体灰体 Y 的突变频率的突变频率 v = 0.00000004现在有一个灰体现在有一个灰体 (YY) 黄体黄体 (yy)的的 F2群体，即群体，即 p0 = q0 = 0.5, 准备让其随机交配观察基因频率的变化。准备让其随机交配观察基因频率的变化。C2 （ n=2）C1（ n=1）0.4999000450.49995002pn-4.99750000008105-4.998 105 pn-12.00019992 1082108qn-1v4.9995002 1055105pn-1u突变压突变压 p0u = 0.0001 0.5 = 0.00005,q0v = 0.00000004 0.5 = 0.00000002 p = qv pu = 0.00000002 0.00005 = 0.00004998突变经配子传递给子代突变经配子传递给子代 , 影响群体的基因频率。所以影响群体的基因频率。所以 , 子子代代 p1 = 0.5 0.00004998 = 0.49995002, q = 0.50004998年 2月 四川师范大学生科院张光祥二 、 选择 对群体遗传结构的影响1、 概念：概念： 选择选择 是指是指 群体群体 内内 不同基因型不同基因型 个体个体 在特定条件在特定条件下下 将自身的基因传递给子代的几率将自身的基因传递给子代的几率 存在存在 差异差异 的现象 。改变基因频率 的最主要因素 。 自然选择、人工选择。其中 ()2cc的白化苗个体又会被淘汰。适合度适合度 (w)： 特定条件特定条件 下下 群体中某一基因型的个体与最优群体中某一基因型的个体与最优基因型相比，将自身基因传递给子代的相对能力基因型相比，将自身基因传递给子代的相对能力 。选择压选择压 (S)： 特定条件特定条件 下下 群体中某一基因型的个体将自身群体中某一基因型的个体将自身基因传递给子代的基因传递给子代的 能力受到削弱的程度能力受到削弱的程度 ; S = 1-w2 群体内隐性致死基因的淘汰：群体内隐性致死基因的淘汰：例如：玉米致死基因突变体的选择效应例如：玉米致死基因突变体的选择效应 ：设：设： 绿色基因 C 和白化苗基因 c 的频率各 0.5。经一代繁殖，子代群体将有 白苗白苗 全部死亡。则：则： 剩下的群体中 C 频率为频率为 、 c 频率频率 只有 由此形成的 下一代个体的频率下一代个体的频率 为：年 2月 四川师范大学生科院张光祥3、淘汰隐性性状 (即 S=1)时 基因频率改变的规律前述群体中：白花基因的 q = 0.4, 红花基因的 p = 0.6设： 此群体为初始群体， 白花基因 a 的 频率为 q0 = 0.4淘汰 白花 (aa， 即即 S=1)， 随机交配的子代群体隐性基因频率 q1 可从杂合子所占的比值中求出。q1 = 0.4/1.4= 0.2857连续 n代淘汰后，隐性等位基因频率为： qnn+1 = qn2/(1 + qn)； n = 1/qn 1/q0：淘汰隐性性状的速度很慢淘汰隐性性状的速度很慢 ,效果随世代的增加而变差效果随世代的增加而变差 。8q = 0.199849898483需世代需世代 nq = 0.001q = 0.002q = 0.01q = 0.02q = 0.2目目 标标由于 a 只占杂合体基因的一半， 所以， a 在总个体中所占的比值为：年 2月 四川师范大学生科院张光祥玉米致死基因突变体的选择效应 (续 )经 n 代淘汰后 ，群体内三种基因型的频率为：例如淘汰至第十代时： 第十代时，在 100株苗中的白化苗个体已不到 1株 (0.83%)年 2月 四川师范大学生科院张光祥4、群体内显性致死基因的淘汰淘汰显性性状可以迅速改变基因频率，只需自交一代，选留具有隐性性状的个体即可成功。例如 :红花 白花 F1 红花 F2 : 红花 : 白花如：一个随机交配群体有红花株 84% 、白花株 16% 。 白花基因频率 q = 0.4红花基因频率 p = 1 q = 0.6如果把全部红花植株都淘汰(S=1), 下一代就全是白花植株。这时， p = 0、 q = 1, 基因频率发生改变的迅速很快。年 2月 四川师范大学生科院张光祥5、选择影响隐性基因频率的规律总结(1)、 基因频率越小，选择使频率降低的幅度越小；当基因频率越小，选择使频率降低的幅度越小；当隐性基因很少时，几乎完全存在于杂合体中隐性基因很少时，几乎完全存在于杂合体中 。当选择压 S = 1 时，根据 qnn+1 = qn2/(1 + qn) :(2)、对隐性基因的不完全选择，即 0 S 1时，设初始群体为平衡群体 ( p2AA + 2pqAa + q2aa = 1):基因型 AA Aa aa 全群体起始 频 率 p02 2p0q0 q02 1选择 系数 S 0 0 S选择 后 p02 2p0q0 q02(1-S) 1-Sq02相 对频 率 P02/(1-Sq02) 2p0q0/(1-Sq02) q02(1-S)/(1-Sq02) 1q1 = 2p0q0 /(1-Sq02) + q02(1-S)/(1-Sq02) = q0(1-Sq0)/(1-Sq02)即：即： qn+1 = qn(1 Sqn) / (1 Sqn2)0.050-0.0091q0=0.10.0667-0.0333q0=0.29.9910-7-0.1143-0.1667-0.3556-0.4263q 010.000990.0800.08330.08890.090q0=0.001q0=0.4q0=0.5q0=0.8q0=0.9q10年 2月 四川师范大学生科院张光祥不同选择压 S下 对隐性性状 选择的效果 (了解 )由于： qn+1 = qn(1 Sqn) / (1 Sqn2) qnn+1 = qn+1 qn = Sqn2 (1 qn) / (1Sqn2) 基因 频 率 q的改 变 不同 选择压 S下 选择 所需的世代数q0 qn S=1(致死 ) S=0.5 S=0.1 S=0.010.99 0.5 1 11 56 5590.5 0.1 8 20 102 10200.02 51890.001 0.0001 9000 18005 90023 900230当 q0 很小，比如 0.0001时，分母 (1 Sq02)1， 进行一个世代的选择，引起的基因频率改变量 ： qnn+1 = qn+1 qn S qn2 (1 qn) 由此可推出由此可推出 下列公式 (以 代替 q，见 p480)：S n = (q0 qn)/q0qn + 2.3031log10q0(1 qn)/qn(1 q0)dqdn年 2月 四川师范大学生科院张光祥一次选择对隐性等位基因频率的影响主要决定于初始频率年 2月 四川师范大学生科院张光祥三、突变与选择的联合作用 (了解 )1、 aa 个体承受的选择压为个体承受的选择压为 S 。设 A 对 a 完全显性， a 的频率为 q， Aa 突变率为 u， aA 突变率为 v 。q 的变化：突变产生的增量 qm = u (1 q) vq 因 选择引起的损失量 qS = Sq2(1q) 当当 突变产生的增量 qm 与选择引起的损失量 qS 相等时 :u(1 q) vq = Sq2(1q) , 即即 u = Sq2 + vq/(1 q) 。当当 S=1(致死或无生育能力致死或无生育能力 )时：时： uq2 。即是说在一个随机交配大群体中，如没有大规模的迁即是说在一个随机交配大群体中，如没有大规模的迁移，也没有突变率的剧烈变化，且移，也没有突变率的剧烈变化，且 S = 1 时，群体通常时，群体通常呈动态平衡状态，可以用呈动态平衡状态，可以用 基因频率基因频率 q 来估算来估算 突变率突变率 u 。如果自然突变率很低，群体内如果自然突变率很低，群体内 a 又很少又很少 (严重遗传病严重遗传病 )时，时，vq 可忽略不计，这时：可忽略不计，这时： u Sq2， 即即 q 。2、如果选择是对完全显性的等为基因淘汰、如果选择是对完全显性的等为基因淘汰 ，则：，则：p S = 发病率发病率 (1/2) = v，当，当 S=1时时 (如没有生育机会的如没有生育机会的严重显性遗传基因严重显性遗传基因 )， p = 发病