Chapter16分子生态学.ppt

1,QQ:1622865111；,基础生态学,主讲：张健华博士,2,左边比较肥的一只老鼠是正常的老鼠，而右边一只通过基因工程锁死ACC2酶的老鼠则比较苗条。,分子生物学的有效性?,3,Chapter16分子生态学简介,1分子生态学概念2常用分子生物学技术与分子标记3生物对逆境胁迫的分子水平适应4生物种群的分子生态学5亲缘地理学,4,1分子生态学概念,一、定义,分子生态学：用分子生物学的原理与方法在分子水平上研究生态学问题的一门分支学科。,5,二、分子生态学的特点,90年代初新兴的一门生态学分支学科，不同学者对分子生态学的概念有着不同的理解。,国内2009年才翻译出版,是在分子水平上研究生物与环境的相互关系。,6,在分子水平上研究大熊猫的适应能力!,7,是分子生物学与生态学的有机结合，即宏观与微观的有机结合。,8,2常用分子生物学技术与分子标记,一、分子标记与生态学,目前在生态学领域应用较多的是分子生物学的分子标记技术。,分子标记技术!,9,分子标记MolecularMarkers,指能反映生物个体或种群间基因组中某种差异的特异性DNA片段。,能反映个体差异的DNA片断!,10,分子标记(技术)的意义,分子标记可用来分析个体间遗传物质内核苷酸序列的变异度，研究DNA水平遗传多态性。,分子标记研究表明南非猎豹遗传多样性低是频临灭绝的主要原因!,11,二、常用分子标记生物学技术,常用分子标记技术,同工酶电泳技术限制片段长度多样性分析小卫星DNA指纹随机扩增多态性DNA技术扩增限制性片段长度多态性分析DNA序列分析单核苷酸多态性分析微卫星定时定量PCR技术,12,同工酶电泳技术简介,利用同工酶电泳技术可根据酶带的变化来判定种群内不同个体间基因位点及等位基因的变异性，并比较不同种群之间遗传变异的差别。,13,随机扩增多态性DNA技术(RAPD),RAPD技术是建立在PCR(聚合酶链反应)基础之上的一种可对整个未知序列的基因组进行多态性分析的分子技术。,14,PCR技术简介,PCR技术是用于放大特定的DNA片段的一种分子生物学技术，可看作生物体外的特殊DNA复制。,15,三、分子标记技术在生态学中解决的问题,深入研究遗传多样性时空变化模式及其机制,人类肤色与适应!,16,探讨物种间的亲缘关系,猿与人的亲缘关系的建立确定人的进化历程,17,追踪物种扩散的历史,福寿螺扩散至广西稻田250亩受灾,18,了解社群内个体间亲缘关系及近交程度等,19,3生物对逆境胁迫的分子水平适应,逆境胁迫因子对生物生存、生长发育的影响研究已深入到分子水平。,生物对寒冷的分子水平适应生物对高温的分子水平适应植物抗旱的分子水平适应植物抗逆境的分子机制小哺乳动物适应低氧环境的分子机制,主要热点,20,生物对寒冷的分子适应研究,生物对寒冷的分子适应机制有两类：,内温动物增加偶联蛋白增加非颤抖性产热,外温动物、植物形成特定蛋白防冻、抗冻,寒冷的分子适应机制,生物对寒冷的主要分子适应产物,21,解偶联蛋白冷休克蛋白抗冻蛋白冷诱导基因细胞膜磷脂的组成变化,主要抗寒适应产物,22,解偶联蛋白uncouplingprotein,小型哺乳动物褐色脂肪组织中的解偶联蛋白启动非颤抖性产热。,褐色脂肪细胞!,23,鸟类与小哺乳类在寒冷环境中主要依赖非颤抖性产热(NST)维持体温恒定。,24,肩胛间褐色脂肪,蝙蝠肩胛间的褐色脂肪组织示意图,25,褐色脂肪细胞与白色脂肪细胞示意图,26,褐色脂肪组织细胞线粒体内膜,具有特殊的解偶联蛋白(UCP1),启动褐色脂肪组织进行解偶联呼吸,释放大量的热,维持寒冷环境下的体温恒定,解偶联蛋白的产热机制,27,冷休克蛋白或冷激蛋白(coldstressprotein),原核生物在寒冷环境中,产生冷休克反应,冷休克反应产生冷休克蛋白,诱发细胞周围结晶,能抵抗寒冷,28,抗冻蛋白coldshockprotein,低温环境下,形成对生物的低温胁迫,合成抗冻蛋白,具热滞效应,具冰晶形态效应,具重结晶抑制效应,29,鱼类抗冻蛋白粘附到细胞冰晶表面抑制冰的生长。,30,越冬昆虫抗冻蛋白诱发细胞周围结晶从而避免细胞内结冰造成冰晶致死性伤害!,31,植物抗冻蛋白通过抑制冰晶的生长来保护细胞免遭低温伤害!,32,33,冷调节基因,在冷驯化植物中，可以分离出一部分冷应激基因并高度表达，称冷调节基因(coldregulated,COR)，在抗冻中发挥重要作用。,拟南芥的COR15a分布在叶绿体内，通过阻止低温下叶绿体内膜向内弯曲以避免膜系统伤害形式的出现，从而提高叶绿体的抗冻性!,34,形成抗冻性状与性能,多个冷调节基因(协同)高度表达,冷驯化低温环境下,形成低温胁迫,形成具有亲水性的多肽产物等,35,膜磷脂组成的变化,生物的一种普通抗冻适应性反应是膜组成的变化，从而增加低温时膜的流动性。,36,原核生物通过改变膜磷脂碳氢链的饱和度，使膜磷脂的不饱和脂肪酸增加，在低温下增加膜的流动性。,放线菌,蓝细菌,37,许多冬眠动物冬眠时会增加心脏细胞膜上可溶性脂肪酸的量之比来调节低温时膜的流动性。,增加磷脂层脂肪酸的量改善膜的流动性!,38,生物对高温的分子水平适应,高温环境,形成热休克蛋白,提高细胞热耐受性,修复热休克变性蛋白质,协同免疫作用,形成多种抗热功能,抗氧化作用,39,植物抗旱的分子水平适应,植物对干旱的抗性是多基因控制的，主要可分两类：,转录因子基因抗旱功能基因,抗旱控制基因,干旱胁迫诱导转录因子迅速表达,进而调节抗旱功能基因的表达,有RD系列基因、水通道蛋白基因、渗透调节蛋白基因等，分别调节膜的水通道、渗透压等。,40,植物抗逆境的其它一些分子机制,在干旱、盐、低温诱导的植物抗性方面还具有一些共同的作用机制：,合成细胞渗透调节小分子合成植物逆境协迫蛋白质,氨基酸类季胺类化合物糖醇类,功能蛋白调节蛋白,其它机制,41,人工怪柳群落黄河三角州抗盐改良土壤工程,42,小哺乳动物适应低氧环境的分子机制,低氧环境,低氧靶性基因高度表达,功能蛋白表型高度表达,诱导表达,调节表达,43,适应低氧环境的功能蛋白类型,主要功能蛋白类型,血管内皮生长因子VEGF促红细胞生成素EPO葡萄糖转运子基因肌红蛋白神经红蛋白细胞红蛋白肿瘤抑制基因-转录因子p53,44,4生物种群的分子生态学,一、是分子生态学的研究热点,分子生态学自形成以来主要解决种群水平上的生态学问题。,种群分子生态学是近代生态学研究的热点。,45,二、种群分子生态学的主要研究内容,种群遗传多样性分析种群的遗传分化基因流,主要研究内容,分析基因变异丰富度,亚种群间的遗传变异,两种群间的基因流动,46,种群遗传多样性分析,46,确定种群的生存适合度,47,种群的遗传分化,分析亚种群间遗传差异与物种形成,48,基因流,分析种群间基因流动的变化,确定种群内基因频率的变化,49,5亲缘地理学,一、定义,亲缘地理学是研究控制亲缘谱系地理分布的原理和过程的一门科学。,1987年，Avise等人在对动物mtDNA多样性研究中发现不同种群mtDNA的谱系关系有明显的地理分布格局，于是首次提出了亲缘地理学这一术语。,50,二、亲缘地理学的主要研究内容,推测生物冰期避难所确定濒危物种的有效保护单元推测近缘物种间的分化时间探讨物种遗传多样性的分布模式比较亲缘地理学,主要研究内容,51,推测近缘物种间的分化时间,推测近缘种或同一物种的不同种群间的：亲缘关系基因流格局进化历史和动力,探讨物种形成与杂交等问题。,52,探讨物种遗传多样性的分布模式,细胞器基因组与核基因组比较研究,了解种群的进化历史和动态,分析两类基因组描述出的谱系,探讨物种遗传多样性的分布模式,53,比较亲缘地理学,自然分布相似的近缘种,进行亲缘地理学研究,分析它们是否具有相似的进化历程,54,三、亲缘地理学的主要研究方法,重建基因谱系,巢式枝序分析,分析种