《分子生态学》PPT课件.ppt

第三章 分子生态学 王 根 轩 电话：86971083，E-Mail: 内容 1 分子生态学的产生与发展 2 分子生态学的理论基础 3 分子生态学的研究方法 4 前沿进展举例 2-1:分子生态学的产生与发展 一、分子生态学与生命科学 生态系统的三个层次： 以个体为基础的宏观生态系统 以细胞为基础的微生态学统 以核酸分子和其他生物活性分子为基础的分子生态 系统 分子生态学（Burk, 1994)：是分子生物学与生态学融 合而成的新的生物学分枝学科。而不仅只是应用分 子生物学技术研究生态学问题。 向近敏等（2000）：应当是研究生物活性分子在其 显示与生命关联的活动中所牵连到的分子环境问题 。其定义有两层含义：1、运用现代分子生物学技术 研究传统生态学问题；2、生物活性分子表现其生命 活动时的分子生态条件的规律性。 10-9 10-6 10-3 1 103 106 109 Scale (m) 生理学 细胞学 分子生物学 生态学 分 子 生 态 学 尺 度 与 学 科 的 关 系 示 意 图 分子生态学的多学科交叉特性 分子生物学 多学科交叉的复合学科： 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 Model of DNA built by Watson and Francis Crick at Cambridge University, 1953. 分子生物学与生态学紧密联系：基因研究 首先从生物的生态特征和适应入手。 An overview depicting several of the most important early discoveries on the nature of the gene. 二、分子生态学的起源 1950s: 凝胶电泳技术（Smithies, 1955)和蛋白质组织化 学染色方法（Hunter 线粒体DNA遗 传变异性的发现（Brown DNA测序 （Sanger et al. 1977); DNA克隆技术（Maniatis et al. 1978) 1980s: PCR; 热稳定DNA聚合酶（Saiki et al. 1985,1988). 1992: The Journal of “Molecular Ecology” . 2-2:分子生态学的理论基础 一 分子进化的中性理论（neutral theory of molecular evolution): 1、 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。 2 、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。 二、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。 三 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。 亚种群相对于整个种群的近交系数：FST= (HT-HS)/HT 个体相对于所属亚种群的近交系数： FIS= (HS-HI)/HS 个体相对于整个种群的近交系数： FIT= (HT-HI)/HT HI ,HS ,HT 分别表示个体、亚种群和种群的平均 杂合度；(1- FIS)(1- FST)=(1- FIT) 四 随机遗传漂变是种群进化的重要动力 小种群比大种群发生漂变的速度快，所以等位基 因在小种群中被固定的平均时间比大种群短。 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。 随机遗传漂变降低种群的遗传多样性。 因为新突变被固定的概率等于其此时在种群中的 频率，所以，新突变在小种群中被固定的可能性 大于在大种群中。 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。 五 朔祖理论（Coalecent theory) Hudson(1990): 朔 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 六 分子系统发生分析 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 六 分子系统发生分析 1 距离法 依据每对单元间的进化距离建立进化树； 2 简约法 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（Shoemaker et al. 1998). 2-3 分子生态学的研究方法 1 、突变体的筛选与使用。 2、分子标记 （蛋白质，DNA） 线粒体DNA标记 叶绿体DNA标记 细胞核DNA标记（单拷贝DNA，核糖体DNA, 微卫 星和小卫星， AFLP, RAPD） 3、 遗传变异检测 序列分析 片段分析 一 、突变体的筛选与使用 突变体的筛选与使用在重要生态功能的 分子基础（分子生态学）研究中发挥着 重要作用，并被欧美一流的学者首选。 诱导突变 一定生态条件下筛选 基因定位和测序 得到基因突变与生态功能的关系 已有的突变材料 生态功能对比研究 得到基因突变与生态功能的关系 二、分子标记 蛋白质标记系统： 同工酶分析 DNA标记系统 1、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。 2、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：不太适合种内遗传变异的研究； 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。 3、单拷贝核DNA标记 单拷贝核DNA：核基因组中拷贝数为1的DNA 序列（scnDNA)； 优点：对运用朔祖理论进行进化谱系分析非常 重要且十分有效； 缺点： （1）目前通用的scnDNA 标记较少，不得不为 每一研究对象建立一套scnDNA标记； （2）二倍体或多倍体杂合性的存在，使单倍 型分析很困难； （3）基因重组的广泛存在，使数据分析难度 增加。 4、核糖体(r)DNA标记 rDNA标记的优点： （1）重复序列拷贝数服从协同进化规律，因而表现 出有效单倍性； （2）由编码区和非编码区嵌合存在，可以根据保守 性强的编码区设计通用引物； 缺点： （1）变异速率低，种内变异研究的价值因种而 异； （2）需要检验符合协同进化规律的程度，因为有例 外。 *协同进化Concerted evolution: The process by which a series of nucleotide sequences or different members of a gene family remain similar or identical through time. Coevolution: Evolutionary changes in one or more species in response to changes in othre species in the same community. 5、微卫星和小卫星DNA标记 微卫星DNA：重复单位 16个核苷酸； 如： （GT)n 优点：主要表现为拷贝数n的变化，便于分析，应用日广。 小卫星DNA：重复单位 6个核苷酸,通常 1030核苷酸； 标记长度大，基因型自动分析不方便， 使用频率在下降。 5、微卫星和小卫星DNA标记 1、多位点微卫星指纹分析法： 总核DNA 内切酶解 酶解DNA片段 微卫星DNA探针 杂交 遗传变异检测 缺点：1、对DNA 的质量和数量要 求较高； 2、难以对数据进 行深度进化遗传 学分析。 5、微卫星和小卫星DNA标记 2、基于PCR的多位点微卫星分析法 核DNA样品 合成微卫星序 列引物 PCR 电泳，对比条带差异 优点：简单易行； 缺点：隐含不确定性 ，不宜用于种群遗传 进化研究： （1）PCR重复不稳 定性； （2）带型有效性 （3）条带同源性。 5、微卫星和小卫星DNA标记 3、位点特异性微卫星分析法： 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 6、AFLP标记 AFLP：Amplified fragment length polymorphism, 扩增片段长度多态性。 Zabeau Marc erecta mutant; complemented TERer1 line. Scale bar, 75mm (rosettes), 180mm (mature plants), 30mm (pods). d, e, Mutant complementation restores wild- type D and transpiration efficiency values (data are mean s.e.m.). Nature 2005， 436：866- 970 Figure 3 | Leaf anatomical features contributing to the effects of ERECTA on transpiration efficiency. a, Stomatal densities (means s.e.m.; adaxial epidermis). b, Relationship between stomatal conductance and stomatal density. Open symbols, Ter2 (squares), Ter105 (triangles) and Ler (diamonds); filled symbols, complemented lines. c, Coordinated effects of ERECTA on epidermal cell size and stomatal densities (data for adaxial epidermis, same pair of lines as for a with contours of cells outlined to facilitate comparison; scale bar, 155mm). d, Stomatal index was unchanged. e, Cross- sections of leaves showing reduced mesophyll development andincreased intercellular spaces in erecta leaves. Scale bar, 150mm. Figure 4 | ERECTA improved transpiration efficiency under both wellwatered and drought conditions. a, Response of instantaneous leaf transpiration efficiency to leaf-to-air vapour pressure difference for Ter105 (open squares) and TERer105 (black squares) or Col-0 (red squares). Vapour pressure difference was varied by changing the humidity of air entering the chamber, keeping leaf temperature constant. Lines were fitted by nonlinear regression; ER plants had greater transpiration effici