《群体遗传学》PPT课件.ppt

群体遗传学导论,讲授:张蜀宁,一、群体的遗传结构,群体（population）是具有共同特征的个体（person）所组成的集团。 广义上讲的生物群体可能包含所有生物个体，如动、植、微生物等的种群。 孟德尔群体（Mendelian population）群体 即遗传学所定义的群体,是指个体间可以相互交配并能繁殖后代的一个自然群体。在这个群体中孟德尔的遗传因子以各种方式从一代传递到下一代。 它可以是一个种。一个包含变异的品种（或品系）甚至某个个体间杂交后的特定世代。,基因库（gene pool） 同一群体内，不同个体的基因有不同的组合，但就一个群体的总体而言所具有基因是一定的，一个群体中全部个体所有基因的总和称为。 群体结构（genetic structure of population） 将一个群体内基因的种类及其比率、基因型的种类及其比率定义为。通常用基因频率和基因型频率作为一个群体遗传特征特性的标志。 群体遗传学（population genetics）是研究群体遗传结构及其变化规律的遗传学分支学科。根据遗传学原理，采用数学、统计学等方法，分析群体内控制质量性状的基因变化规律，以及生物种群演化的规律。,基因型频率和基因频率,基因型频率(genotype frequency)： 一个群体内某种特定基因型占群体全部基因型的比例。 例如，一个群体AA70个，Aa17个，aa13个，则AA、Aa和aa基因型频率分别为0.7、0.17和0.13。 一个群体内由许多不同基因型的个体所组成。 基因型是受精时由父母本基因组成基因型频率 需从F2的表现型比例推算出来，再从F3加以验证。,基因型频率和基因频率,基因频率（gene frequency）或等位基因频率（allelic frequency） ： 一个群体内特定基因座某一等位基因占该基因座等位基因总数的比例。 例如，某一座位a基因300个，A基因700个，a基因频率为300/1000=0.3，A基因频率为0.7。 基因型频率推算出基因频率 基因频率决定群体基因性质的基本因素。,例： P A1A1A2A2 F1 A1A2 F2 1 A1A1 : 2 A1A2 : 1 A2A2 PF1F2基因型频率改变，但基因在各代中是复制自己，代代相传而不改变孟德尔群体的基本特征。,基因型频率和基因频率推算：, 设一对同源染色体某一基因座有一对等位基因A1A2 。 其中A1频率为p，A2频率为q， 则p+ q = 1 由这一对基因可以构成三种不同基因型 A1A1 A1A2 A2A2 个体数分别为 N11 N12 N22 设群体总个体数为N，即 N11+N12+N22= N, 二倍体生物各基因型由两个等位基因组成 如A1A1、 A1A2 、A2A2 其中：A1基因有 2N11+N12， A2基因有 N12+2N22。 3种基因型的频率见下表： 基因型频率的计算公式, 二倍体生物各基因型由两个等位基因组成 如A1A1、 A1A2 、A2A2 其中：A1基因有 2N11+N12， A2基因有 N12+2N22。 2种基因的频率见下表： 基因频率的计算公式,在一个自然群体中，只要知道基因型频率就能计算基因频率，反之则不一定。只有在群体达到Hardy-Weinberg平衡时，才可以利用基因频率和基因型频率的函数关系，由基因频率计算基因型频率。 一般难以分析整个群体的所有个体就难以得到群体基因型频率（P11、P12、P22）和等位基因频率（p1、p2）。 在群体中抽取一些个体样本群体 计算基因型数（n11、n12、n22）和等位基因数（n1、n2） 估算群体的基因型频率、等位基因频率和相应的标准差。 基因型频率或等位基因频率估计值的标准差度量参数的抽样变异。,二、Hardy-Weinberg定律,1908年英国数学家和德国医生分别提出了描述一个随机交配大群体内基因频率和基因型频率的关系学说，后经充分科学论证，发展成为群体遗传学的一条基本定律，即遗传平衡定律，Hardy-Weinberg定律。,（一）定律的推导：,Aa 位于常染色体，设一个原始群体亲代（或者 0 世代）： 三种基因型频率： AA Aa aa D0 H0 R0 基因频率： p0 D0 1/2 H0 q0 R0 1/2 H0 根据孟德尔群体的定义，如果该群体随机交配一代，即A（p0）和a（q0）的雌雄配子可以随机结合成合子：,子代： 基因型频率：AA ：D1 P02 Aa ：H12p0q0 aa ：R1 q02 基因频率：p1D11/2 H1p02 1/22p0q0p0 (p0q0) p0 q1R11/2 H1q02 1/22p0q0q0 (p0q0) q0, A（ p0 ） a（q0） A（p0） AA（p02） Aa（p0q0） a（q0） Aa （p0q0） aa （q02）,规律： 随机交配一代之后得到的子代与原始群体相比： 基因型频率与亲代没有直接相关。 基因频率不变：P1p0，q1q0 子代基因型频率（p+q）,2,2,（二）HardyWeinberg 定律,1、在随机交配的大群体中，若没有选择、突变或迁移等因素的作用，基因频率和基因型频率在世代间保持恒定； 2、在任何一个大群体内，无论上一代的基因型频率如何，只要进行一次随机交配基因型频率就达到平衡，只要基因频率不发生变化，以后每代都经过随机交配，这种平衡状态就能始终保持。 3、处于平衡状态的群体称为平衡群体或理想群体，Hardy-Weinberg平衡。平衡群体基因型频率和基因频率间有如下函数关系 D=p2； p=D；R=q2；q=R；H=2pq。 遗传平衡群体：基因型频率（p + q）2,（二）HardyWeinberg 定律,只有在等位基因分离正常、亲本育性相同，配子受精能力相同，雌雄基因频率相同、生活力相同、没有选择、随机交配的大群体等条件满足情况下，才应用该定律。 这些条件只是针对所研究性状有关的基因型而言的，如随机交配、选择等因素，对非研究性状基因型的进行选择或非随机交配，不会影响到研究该性状的研究结果。 随机交配（random mating）是指在特定地域范围内，一个有性繁殖的生物群体中的任何一个雌性或雄性的个体具有同等机会与任何一个相反性别的个体交配，随机交配不是自由交配。,（三）定律的论证,Hardy-Weinberg定律的关键点是基因频率世代间不变；基因型频率世代间不变；只经过一代随机交配群体就能达到平衡状态。需要证明这3个关键点。 设在常染色体上的一对等位基因A和a，群体中可能的基因型有AA、Aa和aa。设某一世代（定义为零世代）具有的基因型频率和基因频率如表1所示 表1 零世代基因型频率和基因频率,按H-W定律 D=p2； R=q2；H=2pq。,表2 零世代交配类型及其后代基因型频率,推导,零世代个体间进行随机交配表2产生一世代个体， 则一世代个体基因型频率为： D1=p02; H1=2p0q0; R1=q02 一世代基因频率为： p1= D1+1/2 H1= p02+ p0q0= p0(p0+ q0)= p0 q1=R1+1/2 H1=q02+ p0q0= q0(p0+ q0)= q0 再经过一代随机交配，群体的基因型频率和基因频率： D2=p12= p02; H2=2p1q1=2p0q0; R2=q12= q02 P2= D2+1/2 H2= p02+1/22 p0q0= p0(p0+ q0)= p0 q2=R2+1/2 H2=q02+1/22 p0q0= q0(p0+ q0)= q0,推导,如此继续随机交配下去，只要没有其他因素干扰，群体中基因型频率为： Dn=Dn-1=D5=D4=D3=D2= p02 Hn=Hn-1=H5=H4=H3=H2=2 p0q0 Rn=Rn-1=R5=R4=R3=R2= q02 基因频率为 pn=pn-1=p5=p4=p3=p2= p0 qn=qn-1=q5=q4=q3=q2= q0,推导,由此看出后代群体的基因频率和基因型频率与亲代群体完全相同， 还可看出Hardy-Weinberg所描述的基因频率和基因型频率也适合于同一世代，而且后代的基因频率只取决于亲本的基因频率，不取决于亲本的基因型频率。 同理可证明，一个随机交配的大群体，对于多对等位基因都可以达到Hardy-Weinberg平衡。,定律意义：,哈德 魏伯格定律在群体遗传学中的重要性揭示 基因频率和基因型频率的规律。 只要群体内个体间能进行随机交配该群体能够保持 平衡状态和相对稳定。 即使由于突变、选择、迁移和杂交等因素改变了群体 的基因频率和基因型频率但只要这些因素不再继续产生 作用而进行随机交配时，则该群体仍将保持平衡。,在自然界或栽培条件下，许多因素可以影响群体遗传平衡，如突变、选择、迁移和遗传漂变等，这些因素都是促进生物进化的原因。 其中突变和选择是主要的。 一个物种，即是一个平衡的孟德尔群体。但是生物的繁 衍不可能没有“干扰”，因此， 平衡： 相对的、物种保持种性的基础。 不平衡：绝对的、物种进化。 平衡 不平衡 新的平衡,打破平衡的意义,在人工控制下通过选择、杂交或人工诱变等途径，就可以打破这种平衡促使生物个体发生变异群体(如亚种、变种、品种或品系) 遗传特性将随之改变。 为动、植物育种中选育新类型提供了有利的条件。 改变群体基因频率和基因型频率，打破遗传平衡 是目前动、植物育种中的主要手段。,三、群体遗传结构的改变,（一）突变对基因频率的影响 基因突变（mutation）可分为频发性突变（recurrent mutation）和非频发性突变（non-recurrent mutation）后者一般对于大的群体内的gene frequency没有永久的影响，但recurrent mutation 则会造成群体间gene frequency的世代间变化。,三、群体遗传结构的改变,（1）单向突变 假定某一对等位基因allele，每代以固定的突变率由Aa, 零世代A的初始频率为p0，a为q0， 经n代突变之后，A和a的频率分别为pn和qn，有pn+ qn=1。 随着突变代数增加，基因A越来越少，a逐渐增加， a每代的增量为p0。,Aa, A基因频率是 P1= p0 -p0= p0(1-) P2= p1 p1= p1(1-)= p0(1-)2 Pn= pn-1 pn-1= p0(1-)n (1-)n= Pn / p0 =(1- qn)/(1- q0) 由于突变率很小，所以 (1-)n=e-n Pn=p0(1-)n= p0 e-n,a基因频率是 qn=1- Pn=1- p0 e-n =1-(1- q0) e-n 若基因a的基因频率有突变初始q0变为qn，需要世代数为 e-n=(1-)n=(1- qn)/(1- q0) n=ln(1- q0)/(1- qn)/ 自然条件下，基因的突变频率非常小，大约在10-510-7即10万100万个配子中有一个配子携带特定座位的新突变基因。如=10-5，p由0.6降到0.5，需要2万代。从物种进化的历史长河来看，这种变异是非常重要的，尤其是微生物的变异。,（2）双向突变,事实上很多情况下基因突变是双向的，即Aa,且不一定相等. A a的突变频率为，a A的突变频率为v。 a的变化率为:p=p-vq 当pvq时，p0，a的基因频率逐代， 反之pvq时，p0，a的基因频率逐代。 当两个方向的突变达到平衡时，基因频率不再变化， 既p = vq，p= 0 p-vq=0，（1-q）vq =0， qvq =0, q = ; 同理p =,（2）双向突变,由此可见平衡状态下的基因频率p和q只取决于突变频率和v的数值大小，与初始基因频率p0和q0无关。 回复突变研究发现，反向突变率一般仅相当于正向突变的10%左右。在平衡状态下，野生型基因应占10%左右，属于少数类型；而突变基因应是普遍型，占90%，这与自然界所发生的实际情况恰恰相反，说明自然群体内的基因频率平衡值，决不仅是突变一个因素促成的。 q = ; 同理p =,(二)选择对基因频率的影响,选择（selection）可以发生在生物体生命周期的任何阶段，对群体中的基因频率改变具有重要作用。 生物体适应度：自然选择的作用大小可以数量化为。 绝对适应度（absolute fitness）:生物个体的生活力与育性乘积， 相对适应度（relative fitness）或称相对繁殖率（表示）:两种基因型绝对适应度的比值。 生活力（survival）:是指达到繁育年龄的个体占个体总数的比例。 育性（fertility）：指每个繁育个体的平均后代数。,例如,表4 一对等位基因的3种基因型的适应度,对AA个体，生活力3/4，育性6/3， 绝对适应度= 3/4 6/3=1.5，aa=0.5/1.5=1/3 群体遗传学中常用相对适应度来表示生物体的适应度，并把具有最高繁殖率基因型的适应度定为1。隐性致死基因的纯合体在成熟前死亡，其适应度为0，一个群体的适应度等于群体内全部个体适应度的平均值。,选择系数（selection coefficient）,选择系数 是指某一基因型在群体中不利于生存和繁殖的相对程度，用以度量某一基因型的选择强度，常用s表示。 S在0和1之间，如s=10-3指对某基因型来说将有千分之一的个体不能繁殖后代。对于致死的隐性个体s=1，对于中性的性状（既无益处又无危害的性状）s=0 适应度与选择系数s有如下关系： s=1- 或 =1-s 选择的作用，集中表现于它对群体基因频率的影响。,1基因突变对于改变群体遗传组成的作用,例如：玉米致死基因 设：正常绿色基因C和等位白苗基因c 的基因频率为0.5。经过一代繁殖，子代群体中将出现1/4隐性纯合体白苗死亡。 1/4CC;1/2Cc;1/4cc (死亡) 1/3CC;2/3Cc 则：子代C频率=D+1/2H=1/3+1/22/3=2/3、c 频率只有1/3。 由此形成的下一代个体的频率为(p+q)2,(2/3)2CC;2(2/3)(1/3)Cc;(1/3)2cc 其中(1/3)2cc的白化苗个体又被淘汰。,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 红花 红花3/4 : 白花1/4 选留白花 迅速消除群体中的红花。 红花基因频率为0，白花基因频率升至1。,设：在一个随机交配群体中： 红花株(CC和Cc)占84%、白花株(cc)占16%。 白花基因频率 pa = 0.4 红花 pA = 1 pa = 1 0.4 = 0.6 如果把16%的白花植株选留下来，下一代都是白花植株。 这时pa =1、 pA =0， 基因频率迅速发生改变。,2、不利于隐性纯合体的选择,例如:一对等位基因在完全显性时,淘汰或不利于隐性个体的选择,见下表. 表5 选择对隐性纯合体不利时的选择作用,表中,选择后基因频率=起始频率适应度 选择后基因a 相对频率为q1=R+1/2H q1= (1-s) q2+ pq / (1-s q2) =（q（q+p）-sq2）/ (1-s q2) = (q-sq2)/ (1-s q2) 式中分母当平衡群体=1，现在1，故用(1-s q2),q1 = (q-sq2)/ (1-s q2) 选择前后基因a频率的改变量为 q = q1q = (q-sq2) / (1-s q2) q = - s q2(1q) / (1-s q2) 由此可见，选择对基因频率的影响依赖于选择系数s和原基因频率q。 如果s=1,则 q1=(q-sq2)/ (1-s q2)= q (1-q)/ (1- q2)=q / (1+q),q1 = (q-sq2) / (1-s q2) 如果s=1,则: q1 = q / (1+q) 连续推导此公式，可以得到第n世代的a基因频率为 q1 = q / (1+nq) 若从群体中完全淘汰隐性个体，计算出淘汰a基因速度为： 当nq=1时，隐性基因才减少一半， 假定起始频率q=0.01，则 n=1/q=1/0.01=100， 即经过100个世代的完全淘汰隐性个体，其基因频率才减少一半，也说明只从表现型淘汰隐性个体是很缓慢的。,3、有利于杂合体而不利于纯合体的选择,表6 选择有利于杂合体而不利于两个纯合体的选择作用,假定对AA的选择系数s1, aa s2.选择后,被保留下来的个体频率为 1- s1 P2-s2q2 选择后基因a 相对频率为 q1= R+1/2H = （q2(1- S2)+ pq） / （1- S1 P2- S2q2） = q（q+ P- S2q） / （1- S1 P2- S2q2） = q（1- S2q） / （1- S1 P2- S2q2）,选择后基因a 相对频率为 q1 = q（1- S2q） /（1- S1 P2- S2q2） 选择前后基因a频率的改变量为 q=q1q= q（1- S2q） /（1- S1 P2- S2q2） - q = pq（S1 P- S2q） / （1- S1 P2- S2q2） 当S1 P=S2q时，q=0，群体达到平衡，基因频率不变化。 S1（1- q）=S2q；S1 P=S2（1- P） q = S1/（S1+ S2） P = S2/（S1+ S2） 由此可见,遗传平衡时的基因频率决定于选择系数,与群体的起始频率无关.,3、选择的一般模型,表7 在完全显性时一对等位基因选择的一般模型,选择后基因a 相对频率为 q1= R+1/2H = =,选择后基因a 相对频率为 q1= R+1/2H = = 基因a频率的改变为 q=q1q = - q =pq,3、选择的一般模型,基因a频率的改变为 q=q1q = - q =pq,3、选择的一般模型,式中分母项P2 1 + 2pq 2 + q2 3称为群体的平均适合度 q值主要取决于初始频率q和选择系数s,符号取决于选择方向 当q=0.5时，选择效率最为有效。而偏离0.5时选择效率降低。尤其对稀少的隐性基因进行选择时，选择效率最低。 若s或q接近0时，式中分母接近1， q的近似公式： q =sq(1-q ),4、其他情况的选择,表中 1.选择不利于aa； .选择不利于Aa；.选择不利于AA； 4.选择有利于AA； .选择有利于Aa；.选择有利于aa,(三)遗传漂移,生物繁殖大量配子,但参与受精少量配子 即配子取样过程将亲本基因传递给后代。 无干扰大群体取样过程随机大样本配子基因频率世代间保持不变。 小群体受精配子数量有限取样误差基因频率世代间随机波动。 这种由误差引起的小群体内基因频率随机变化的现象称为随机遗传漂移（random genetic drift ）或遗传漂移 它也是影响群体平衡的重要因素，可以随机改变群体基因频率作用方向，难以预测。,遗传漂移的度量,虽然遗传漂移是随机的,难以预测漂移后基因频率的变化,但取样误差是和群体大小相关利用这种关系可以定量描述 假定Ap,aq。每次取Ne个样本繁殖样本基因频率方差和标准差为：,此标准差可以用来计算95%的基因频率置信界限。 例如在p=0.6 Ne,=50群体中，有95%的把握可以预测下一代群体基因频率变化幅度为（正态离差值0.05=1.96）,遗传漂移的度量,此标准差可以用来计算95%的基因频率置信界限。 例如在p=0.6 Ne,=50群体中，有95%的把握可以预测下一代群体基因频率变化幅度为（正态离差值0.05=1.96） p-1.96 Sp p+1.96 Sp,=0.46 0.74 表 基因频率方差与有效群体大小之间的关系（p=q=0.5）,遗传漂移的度量,表 基因频率方差Sp2与有效群体大小Ne之间的关系（p=q=0.5）,由表看出群体，基因频率方差（或标准差）。基因频率在世代间的随机漂移现象越明显。 随着群体的加大，基因频率方差越来越小，故大群体内的基因频率在没有影响因素的作用下，可以在世代间保持稳定。,右图为群体大小与遗传漂变的关系， 3种群体个体数分别是50、500和5000, 初始等位基因频率约为0.5。 漂变使随机交配小群体（50）的等位基因在3060代就被固定。 群体增大至500个个体以后，经过100代随机交配等位基因频率逐渐偏离0.5。 个体数达5000群体至100代，等位基因频率仍接近初始值0.5。 小群体的遗传漂变不仅能够改变等位基因频率，还会增加群体内的近交程度。,遗传漂移的度量,由于群体中雌雄数目不等将会影响下一代等位基因的存在，所以在计算Sp2时，需将实际群体个数换算成有效群体大小Ne 若雌雄个体数目相等，每个体产生后代数量相等， 那么Ne =该群体中交配的个体数。 若雌雄数目不相等，有效群体大小为： 式中为Nf雌性个体数， Nm 雄性数。 例如在一个70个雌性和2个雄性的群体中，每个雄性为下一代总的基因数贡献1/21/2=0.25；雌性为1/21/70=0.0071， 有效群体大小为,770个雌性和2个雄性的群体，其遗传漂移相当于只有4个交配雌性和4个雄性小群体的遗传漂移。,许多中性或不利性状的存在不一定能用自然选择来解释，可能是遗传漂变的作用进化。 遗传漂变作用 可以将那些中性或无利的性状在群体中继续保留下来，而不被消灭。,建立者效应和瓶颈效应,当一个群体是由少数几个个体繁衍而来时，就发生随机漂移的极端情况即建立者效应（founder e