分子生態(tài)學(xué)的原理和方法

1、分子生態(tài)學(xué)的原理和方法1分子生態(tài)學(xué)使生態(tài)學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)入分子水平生物與環(huán)境之間的相互經(jīng)，是地球上的生命出現(xiàn)以來(lái)就普遍存在的一種自然現(xiàn)象。但生態(tài)學(xué)自1866年誕生以來(lái)，人類(lèi)對(duì)其規(guī)律性的認(rèn)識(shí)則經(jīng)歷了一個(gè)由淺入深，由片面到全面的較長(zhǎng)歷史過(guò)程。表現(xiàn)在方法上，從逐漸擺脫直接觀察的“猜測(cè)思辨法”，到野外定性描述的“經(jīng)驗(yàn)歸納法”，再到野外定位定量測(cè)試與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的“系統(tǒng)綜合法”。上述方法雖然有力地推動(dòng)生態(tài)學(xué)取得了長(zhǎng)足發(fā)展，但其研究視野仍局限在宏觀水平上，因而表現(xiàn)出外貌或形態(tài)相同的生命有機(jī)體，由于所處的環(huán)境條件不同，其生理功能也不相同；親代外貌、形態(tài)和生理功能相同的生命有機(jī)體，子代卻由于所處的環(huán)境條件不同

2、而產(chǎn)生新的變異，因此，宏觀生態(tài)現(xiàn)象的多樣性需要用微觀的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析來(lái)揭示其生態(tài)本質(zhì)的一致性也就成為生態(tài)學(xué)宏觀與微觀相結(jié)合發(fā)展的必然趨勢(shì)。分子生物學(xué)原理和技術(shù)應(yīng)用于生態(tài)學(xué)研究而形成的生態(tài)學(xué)新的分支科學(xué)分子生態(tài)學(xué)，使生態(tài)學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究一躍進(jìn)入分子水平。分子生態(tài)學(xué)的興趣，首先建立在組成生命有機(jī)體的基本物質(zhì)核酸和蛋白質(zhì)等生物大分子以及環(huán)境對(duì)這些基本物質(zhì)的影響上。生命有機(jī)體遺傳信息的攜帶者是核酸。遺傳信息通過(guò)DNA分子半保留復(fù)制而代代相傳。遺傳信息由DNA到RAN再到多肽鏈合成蛋白質(zhì)的過(guò)程稱之為中心法則。合成的蛋白質(zhì)作為一切生命活動(dòng)的承擔(dān)者，實(shí)現(xiàn)了生命有機(jī)體新陳代謝，生長(zhǎng)發(fā)育以及對(duì)外界環(huán)境變化的反應(yīng)，并調(diào)

3、控著信息的傳遞和表達(dá)。雖然糖類(lèi)不像核酸直接參與生命現(xiàn)象的延續(xù)，也不像蛋白質(zhì)那樣直接承擔(dān)生命活動(dòng)的體現(xiàn)，但它與分子之間的相互識(shí)別有密切的關(guān)系，因而在生命有機(jī)體信息傳遞中發(fā)揮著重要作用（鄒承魯，1996）。攜帶蛋白質(zhì)所需信息的DNA片段稱為基因（gene），它是DNA上決定生命有機(jī)體外部形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和生理功能的基本單位，按功能分為可被轉(zhuǎn)錄形成mDNA，進(jìn)而轉(zhuǎn)譯成多肽，構(gòu)成各種結(jié)構(gòu)蛋白和催化各種生化反應(yīng)的酶和激素等的結(jié)構(gòu)基因以及可調(diào)節(jié)控制結(jié)構(gòu)基因表達(dá)的基因的調(diào)節(jié)基因。基因由丹麥遺傳學(xué)家Johansen W于1909年提出以稱謂“孟德?tīng)栆蜃印被蛎系聽(tīng)栕约菏褂玫摹靶誀顔挝唬–haracter unit

4、）”或“單位因子（Unit factor）”，而現(xiàn)代定義則為“遺傳信息的結(jié)構(gòu)和功能單位”。每個(gè)DNA分子含有很多因基因，基因的復(fù)制過(guò)程就是4種堿基按A配T，G配C的互補(bǔ)配對(duì)原則進(jìn)行。因DNA分子是由兩條多核苷酸組成雙螺旋結(jié)構(gòu)，故復(fù)制時(shí)，DNA在酶的催化作用下，原來(lái)的兩條鏈先解旋成單鏈，然后各條鏈以自己為模板，配成相應(yīng)的新鏈。這樣，1個(gè)母DNA分子便復(fù)制成兩個(gè)完全相像的分子，它說(shuō)明了為什么子代和親代想像的道理，即遺傳的實(shí)質(zhì)是堿基序列的復(fù)制過(guò)程?；蜃钪匾奶卣魇瞧鋸挠H代到子代相似的復(fù)制能力，以保證生命有機(jī)體遺傳的穩(wěn)定性。然而，如果遺傳信息始終不變，就不可能有新的生命有機(jī)體類(lèi)型的產(chǎn)生。事實(shí)上，地球

5、上生物多樣性的存在已充分證明了遺傳信息攜帶者的基因具有變化的特征，即基因突變（Mutation）。所有發(fā)生在基因的DNA序列中是由堿基替代（Base substitution）、堿基插入（Base insertion）和堿基缺失（Base deletion）等改變引起的，可以通過(guò)復(fù)制而遺傳的任何持續(xù)性改變改變都叫基因突變，它可發(fā)生在生殖細(xì)胞，也可發(fā)生在體細(xì)胞。其中，堿基數(shù)量的變化是基因突變的一個(gè)重要原因。因?yàn)樵诓煌纳袡C(jī)體類(lèi)型之間，堿基的數(shù)量是不同的，DNA以其加倍的4個(gè)符號(hào)，可以編譯成的MM藍(lán)本是無(wú)限的，說(shuō)明基因突變是無(wú)限的。其次，堿基的內(nèi)容不同，也會(huì)導(dǎo)致基因突變，如ACA和UCA，雖只

6、一個(gè)堿基之差，但含義是不同的。另外，堿基排列次序的變化，也是導(dǎo)致基因突變的一個(gè)，如UCA和CUA，CGG和GGC，他們的堿基完全相同，只是排列次序不同，因而其含義也不同?；蚴沁z傳信息的攜帶者，而生命活動(dòng)的執(zhí)行者卻是蛋白質(zhì)，即基因表達(dá)的產(chǎn)物。然而，生命有機(jī)體中的基因并非同時(shí)全部表達(dá)，其表達(dá)程度也各不相同。只有按一定的表達(dá)模式表達(dá)的基因，才能使遺傳信息與生命活動(dòng)之間建立直接的聯(lián)系。因此，真正執(zhí)行生命活動(dòng)的蛋白質(zhì)是在基因調(diào)控下不斷變化的（王志珍，鄒承魯，2000）。此外，蛋白質(zhì)分子，除有以氨基酸組成的并有一定順序的肽鏈結(jié)構(gòu)外，還具有肽鏈在空間的卷曲折疊而形成的三維空間結(jié)構(gòu)，也只有處在這種特定的三維

7、結(jié)構(gòu)中的蛋白質(zhì)分子，才能真正發(fā)揮生物功能。因此，即使肽鏈的氨基酸序列不變，只要空間結(jié)構(gòu)被破壞，就會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)功能的喪失。分子生物學(xué)在其迅速發(fā)展中起來(lái)越深刻地認(rèn)識(shí)到基因與環(huán)境的相互作用是產(chǎn)生基因突變和基因多態(tài)的源泉。因此，分子生物學(xué)對(duì)分子生態(tài)學(xué)最本質(zhì)的貢獻(xiàn)是闡明了外界環(huán)境對(duì)以中心法則為基礎(chǔ)的基因突變，基因表達(dá)和蛋白質(zhì)活性施以深刻的影響，因此生命有機(jī)體隨著外界環(huán)境和內(nèi)部生理狀態(tài)的不同而表現(xiàn)出不同的基因突變、基因表達(dá)和蛋白質(zhì)活性差異，且這種差異存在著嚴(yán)格的時(shí)空特異性。依據(jù)這一分子生物學(xué)原理，我們即可在分子水平上研究和揭示生命有機(jī)體和環(huán)境之間相互作用的分子基礎(chǔ)和分子機(jī)理。既然分子生物學(xué)規(guī)范意義上的分子

8、水平是核酸和蛋白質(zhì)等生物大分子，分子生態(tài)學(xué)規(guī)范意義上的分子水平也應(yīng)該是核酸和蛋白質(zhì)等生物大分子。因此，無(wú)機(jī)分子，有機(jī)分子，除核酸和蛋白質(zhì)等生物大分子以外的生物分子或生物活性分子，都不是分子生態(tài)學(xué)規(guī)范意義上的分子水平。就其環(huán)境而言，從微觀的核內(nèi)超微環(huán)境，到中觀的體內(nèi)環(huán)境，再到宏觀的體外環(huán)境，直至到宇觀的全球環(huán)境，都對(duì)基因突變、基因表達(dá)和蛋白質(zhì)活性施以深刻的影響，但限于目前的實(shí)驗(yàn)手段有對(duì)宏觀的體外環(huán)境參數(shù)進(jìn)行精確的定量測(cè)試，因此除膜電位以外，中觀和微觀環(huán)境因子對(duì)基因突變、基因表達(dá)和蛋白質(zhì)活性影響的精確定量測(cè)試目前尚在努力的探索之中。2分子生態(tài)學(xué)的主流任務(wù)是在分子水平上研究種群與環(huán)境的相互作用生態(tài)學(xué)

9、研究的生物有機(jī)體是一個(gè)層次復(fù)雜的生命系統(tǒng)，個(gè)體物種在宏觀水平上能夠體現(xiàn)出生命有機(jī)體新陳代謝、自我繁殖、自我調(diào)節(jié)，變異進(jìn)化等生命的基本特征，但不能表征由于所處環(huán)境的異質(zhì)性而導(dǎo)致的不同環(huán)境中同種個(gè)體在新陳代謝、自我繁殖、自我調(diào)節(jié)、變異進(jìn)化等方面的差異。事實(shí)上，任何一個(gè)個(gè)體物種都不是以單一個(gè)體的形式存在于自然環(huán)境中，而是以群體物種的形式有存在于自然環(huán)境中。生態(tài)學(xué)上將同種生物在特定空間的個(gè)體集群稱為種群，它既有數(shù)量特征和空間特征，又有遺傳特征，即有一定的遺傳組成，世代傳遞基因頻率，通過(guò)改變基因頻率來(lái)適應(yīng)環(huán)境的不斷變化，它是生態(tài)層次的基本結(jié)構(gòu)單位，也是生態(tài)系統(tǒng)的基本功能單位。從分子生物學(xué)的角度上看，種群

10、是指能自由交配和繁殖的一群同種個(gè)體，它在一定的時(shí)間內(nèi)擁有全部基因的總和稱為該種群的基因庫(kù)（Gene pool），而攜帶的全部遺傳信息的總和又稱為該種群的基因組（Genome）。結(jié)合生態(tài)學(xué)和分子生物學(xué)對(duì)種群的定義和理解，分子生態(tài)學(xué)也將在分子水平上，從結(jié)構(gòu)研究（分子基礎(chǔ)和功能研究）和分子機(jī)制兩方面來(lái)研究種群與環(huán)境的相互作用，并將其作為該學(xué)科的主流任務(wù)。21種群基因型與表現(xiàn)型的分子基礎(chǔ)在分子水平上研究種群與環(huán)境之間的相互作用，首先要研究種群的基因與環(huán)境的相互作用。種群內(nèi)個(gè)體基因組成叫做基因型（Genotype），由相同的顯性基因或相同的隱性基因組成的基因型叫做純合體（Homozygote）；有一個(gè)顯

11、性基因和一個(gè)相對(duì)的隱性基因組成的基因型叫做雜合體（Heterozygosity）。種群內(nèi)個(gè)體的基因型通過(guò)與內(nèi)、外環(huán)境相互作用，使其基因控制種群新陳代謝中的一系列生化反應(yīng)影響種群的發(fā)育，從而決定種群的形態(tài)特征和生理功能等形狀的形成，產(chǎn)生表現(xiàn)型（Phenotype）。因此，表現(xiàn)型是基因型與內(nèi)、外環(huán)境相互作用的結(jié)果，基因型是決定表現(xiàn)型的遺傳基礎(chǔ)。由于DNA轉(zhuǎn)錄及RNA的翻譯過(guò)程中存在著DNA與RNA間以及RNA與氨基酸序列間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而功能蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)卻不一定由其氨基酸序列決定?；谶@種特性，可以認(rèn)為，表現(xiàn)型的基因表達(dá)始于蛋白質(zhì)的形成。然而，DNA中只有部分被轉(zhuǎn)錄成RNA，形成的RNA中也只有部分

12、被加工成mRNA并翻譯成蛋白質(zhì)，其余RNA則被降解或形成功能產(chǎn)物如rRNA、tRNA。因此，DNA、RNA及蛋白質(zhì)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系也有一定差異，而且這種差異隨種群內(nèi)個(gè)體的不同有所不同。雖然RNA是由DNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的，但二者之間質(zhì)和量的表達(dá)均有差異，因而導(dǎo)致了種群內(nèi)個(gè)體表現(xiàn)型的差異，這說(shuō)明表現(xiàn)型的差異受基因型的影響，是基因與環(huán)境之間相互作用的結(jié)果（五亞馥，戴灼華，2002）。一般說(shuō)來(lái)，環(huán)境因素所誘導(dǎo)的表現(xiàn)型類(lèi)似于基因突變所產(chǎn)生的表現(xiàn)型，這種現(xiàn)象稱為擬表型（Phenocopy），一定基因型的個(gè)體在特定的環(huán)境中形成的預(yù)期表現(xiàn)型比率稱為外顯率（Penetrance），而雜合體在不同的遺傳背景或環(huán)境因素影

13、響下個(gè)體間基因的表達(dá)程度則為表現(xiàn)度（Expressivety）。22種群遺傳結(jié)構(gòu)的分子基礎(chǔ)在分子水平上研究種群與環(huán)境之間的相互作用，還要研究種群的遺傳結(jié)構(gòu)，即種群中各種基因的頻率以及由不同的交配體制所帶來(lái)各種基因型在數(shù)量上的分布。種群遺傳結(jié)構(gòu)的一個(gè)最基本的測(cè)試就是基因頻率（Gene/Alleles frequency），它是種群內(nèi)某一等位基因占該位點(diǎn)上等位基因總數(shù)的比率，而基因型頻率（Genotype frequency）則表示種群內(nèi)不同基因型所點(diǎn)的比例?；蝾l率和基因型頻率是種群遺傳結(jié)構(gòu)的基本標(biāo)志。自然種群的遺傳結(jié)構(gòu)分析表明，種群內(nèi)大多數(shù)基因位點(diǎn)上存在一系列的等位基因，它們以不同的頻率存在于

14、種群中。所以，種群內(nèi)大多數(shù)個(gè)體在多數(shù)位點(diǎn)上是不同等位基因的雜合體，這種雜合性是種群遺傳結(jié)構(gòu)的基本屬性之一，它在同一個(gè)體中表現(xiàn)為等位基因的異質(zhì)結(jié)合，在個(gè)體之間表現(xiàn)為等位基因之間的差異。因此，種群的雜合性可以保證種群的多樣性（沈銀柱，2002）。假設(shè)在沒(méi)有自然選擇、沒(méi)有遷移（Migration）、沒(méi)有突變的理想條件下，一個(gè)足夠大的種群在個(gè)體間進(jìn)行隨機(jī)交配的過(guò)程中，從一代到另一代，沒(méi)有基因頻率和基因型頻率的變化，這就是著名的Hardy-Weinberg基因平衡定律。這一定律指出，在研究種群的遺傳結(jié)構(gòu)發(fā)生變化之前，種群的遺傳本身并不發(fā)生變化。然而，在自然種群中，這種理想的條件實(shí)際上是不存在的，自然選擇

15、、遷移和基因突變均在有性繁殖過(guò)程中對(duì)種群的遺傳結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生影響，因而導(dǎo)致基因頻率和基因型頻率發(fā)生變化，并將這種變化傳遞到未來(lái)的世代中去。例如，基因突變本身就是影響種群基因頻率的一種力量，同時(shí)也會(huì)自然選擇提供了原始材料，如果突變從一個(gè)純合體開(kāi)始，那么，突變壓則要增加遺傳變異直到有兩個(gè)相對(duì)的突變率所決定的每個(gè)基因的平衡值出現(xiàn)為止；再如：自然選擇的過(guò)程是與種群對(duì)環(huán)境的適應(yīng)相關(guān)的，因?yàn)榫哂信c環(huán)境適應(yīng)較好的表現(xiàn)型的種群在競(jìng)爭(zhēng)中有更多的生存機(jī)會(huì)，從而留下較多的后代。在種群中，一個(gè)已知基因型的個(gè)體，把它們的基因傳遞到其后代基因庫(kù)中去的相對(duì)能力就是該基因型個(gè)體的適合度（Fitness），也叫適應(yīng)值（Adapt

16、ive value），表示一種基因型的個(gè)體在某種環(huán)境下相對(duì)的繁殖效率或生殖有效性。相反，在自然選擇作用下某一種群降低了適合度，因而不利于某一基因型在該種群中生存的程度叫選擇系統(tǒng)（Selective coefficient），也叫選擇壓（Selection pressure）；又如：在自然條件下，基因突變和自然選擇往往會(huì)在一個(gè)種群中同時(shí)起作用，若這兩種作用相同，該種群改變供其基因頻率的速度加快，若這兩種作用不同而相互抵消，該種群的遺傳結(jié)構(gòu)將處于穩(wěn)定的平衡；還如：遷移，也叫基因流動(dòng)/漂移（Gene flow），是遷移種群在遷入地參與土著種群的交配繁殖而導(dǎo)致基因在這兩個(gè)小種群間的流動(dòng)，進(jìn)一步引起遷入

17、地種群基因頻率的變化；最后，如果某一種群規(guī)模很小，對(duì)其隨機(jī)取樣時(shí)產(chǎn)生的誤差可造成該種群基因頻率的隨機(jī)波動(dòng)，稱為隨機(jī)的遺傳漂變（Random genetic drift），它可能固定一個(gè)不利于該種群的等位基因，也可能淘汰一個(gè)對(duì)該種群有利的等位基因。23種群遺傳多態(tài)性的分子基礎(chǔ)存在于任意種群內(nèi)的遺傳變異可以在不同層次上表現(xiàn)出遺傳多態(tài)性及分子多態(tài)性。首先，如果DNA序列中某特定位點(diǎn)的變異頻率低于1%稱為基因突變，高于1%稱為DNA序列多態(tài)性，包括微衛(wèi)星DNA的多態(tài)性，它源于其核心序列的重復(fù)次數(shù)不同，重復(fù)次數(shù)越多，提供的信息量越高，是一種多等位基因形式的多態(tài)性；單核苷酸多態(tài)性（SNP），是指由單個(gè)核苷

18、酸替代、插入或缺失而形成的分子多態(tài)性，有時(shí)也包括由多個(gè)核苷酸插入或缺失造成的點(diǎn)，是一咱雙等位基因形式的多態(tài)性；ALUL序列多態(tài)性，是一種短的重復(fù)序列。其次，在結(jié)構(gòu)基因編碼的多肽層次上，如果以結(jié)構(gòu)基因上有一個(gè)非冗余MM子，如由GGU到GAU，那么多肽在翻譯時(shí)就將有一個(gè)氨基酸被替換，因而表現(xiàn)出蛋白質(zhì)多態(tài)性。另外，一個(gè)基因若在一個(gè)種群內(nèi)有多于一種形式，它就是基因多態(tài)性，以種群中多態(tài)基因的比例來(lái)表示基因多態(tài)性的大小。24種群生態(tài)適應(yīng)與生態(tài)進(jìn)化的分子機(jī)制生態(tài)適應(yīng)（Ecological adaptation）和生態(tài)進(jìn)化（Ecological evolution）是生態(tài)學(xué)中的普遍生態(tài)現(xiàn)象和基本生態(tài)過(guò)程，是生

19、態(tài)學(xué)研究的核心內(nèi)容。生態(tài)適應(yīng)與生態(tài)進(jìn)化的實(shí)質(zhì)是生物與環(huán)境之間的信息交換，即生物與環(huán)境之間產(chǎn)生的信息傳遞在生物的結(jié)構(gòu)和功能方面表現(xiàn)出以自我調(diào)節(jié)為特征的生態(tài)適應(yīng)，其產(chǎn)生的信息積累則表現(xiàn)在生物的結(jié)構(gòu)和功能方面出現(xiàn)以始祖基因通過(guò)加倍與大規(guī)模的遺傳擴(kuò)展，而使其有序度和組織程度提高為特點(diǎn)的生態(tài)進(jìn)化。生態(tài)適應(yīng)和生態(tài)進(jìn)化表現(xiàn)在生物微觀和宏觀的各個(gè)層次上，但基本的結(jié)構(gòu)和功能單位是種群，基本的原因是種群所攜帶的遺傳信息在環(huán)境的影響下所發(fā)生的逐代改變。因此，種群在外部形態(tài)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的復(fù)雜性和多樣性的增長(zhǎng)或生理功能上表現(xiàn)出的強(qiáng)化、擴(kuò)大和更替等生態(tài)適應(yīng)和生態(tài)進(jìn)化特征，在生物大分子水平上均具有內(nèi)在的分子機(jī)制。從分子生態(tài)學(xué)

20、的角度來(lái)看，種群基因組里包含的遺傳信息不是固定不變的，實(shí)際上基因組總是處在一種動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定狀況中。首先，外界環(huán)境因素（宇宙射線、紫外線等）均能使基因組產(chǎn)生新的變異，導(dǎo)致基因組中的基因突變；其次生命有機(jī)體所處環(huán)境中的遺傳物質(zhì)可以通過(guò)各種方式進(jìn)入基因組；第三，基因組中相當(dāng)大部分的基因是由重復(fù)序列構(gòu)成的，大量重復(fù)序列的存在，可彌補(bǔ)由于基因結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定而引起的基因丟失。這表明基因組具有很大的可塑性。在基因組內(nèi)，攜帶遺傳信息的不僅有結(jié)構(gòu)基因，還有操縱基因和調(diào)節(jié)基因。結(jié)構(gòu)基因是具有儲(chǔ)存遺傳信息MM功能的基因，調(diào)節(jié)基因可能調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)基因的作用和功能，而操縱基因既控制結(jié)構(gòu)基因合成信息RNA（mRNA），又受調(diào)節(jié)基因

21、產(chǎn)生的阻遏蛋白控制。當(dāng)阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因就不能發(fā)生作用。但是，在外界環(huán)境或其它物質(zhì)與阻遏蛋白相作用時(shí)，即推動(dòng)對(duì)操縱基因的抑制作用，于是操縱基因乃與結(jié)構(gòu)基因結(jié)合，就恢復(fù)了結(jié)構(gòu)基因的作用，重新合成蛋白質(zhì)。此外，在基因組內(nèi)，編碼各類(lèi)結(jié)構(gòu)蛋白的結(jié)構(gòu)蛋白基因多數(shù)為組成型表達(dá)類(lèi)型，由環(huán)境誘導(dǎo)而特異表達(dá)的基因?yàn)閮?yōu)勢(shì)表達(dá)類(lèi)型。其中，環(huán)境誘導(dǎo)基因是種群由于內(nèi)、外環(huán)境的變化，以及外部各種脅迫而誘導(dǎo)表達(dá)的一類(lèi)基因。對(duì)于植物種群而言，雖然外界環(huán)境為植物種群提供了必備的生存條件，但植物種群還必須存在一套防御機(jī)制適應(yīng)環(huán)境不利因素的出現(xiàn)。在這個(gè)過(guò)程中，環(huán)境誘導(dǎo)基因的表達(dá)起著關(guān)鍵的作用。用于環(huán)境誘導(dǎo)基因的誘導(dǎo)

22、因子主要包括激素、溫度、病原、水、光等。這說(shuō)明，種群基因組并非表達(dá)所有的基因，被表達(dá)的基因類(lèi)型即表達(dá)程度隨種群所處的環(huán)境和生理狀態(tài)的不同而表現(xiàn)出極大的差異，且這種差異存在著嚴(yán)格調(diào)控的時(shí)空特異性，這使人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到基因組與環(huán)境間的相互作用無(wú)時(shí)無(wú)刻不存在，基因突變和多態(tài)性的產(chǎn)生又總是與環(huán)境的影響分不開(kāi)。由此看來(lái)，在種群生態(tài)進(jìn)化分子機(jī)制的研究中，從整體上研究基因組，著眼于種群整個(gè)基因組的所有基因，分析整個(gè)基因組的堿基序列，整體闡明包括中性突變和環(huán)境誘導(dǎo)在內(nèi)的生態(tài)進(jìn)行基因表達(dá)譜，即可深入探索生態(tài)進(jìn)化中的“多重調(diào)控”和“調(diào)控網(wǎng)絡(luò)”的分子機(jī)制。從分子生態(tài)學(xué)的角度來(lái)看，種群蛋白質(zhì)組中的蛋白質(zhì)可分為結(jié)構(gòu)蛋白

23、和調(diào)節(jié)蛋白兩大類(lèi)。與基因組中存在大量重復(fù)基因而導(dǎo)致信息冗余一樣，蛋白質(zhì)組也存在著大量的信息冗余，同樣具有重復(fù)多拷貝性和容量可調(diào)節(jié)性的特點(diǎn)。當(dāng)種群受到外界某種不良的環(huán)境因素影響而遭受損失時(shí)，蛋白質(zhì)組內(nèi)丟掉一個(gè)或幾個(gè)拷貝，種群仍可通過(guò)剩余的拷貝完成其生命史和物種延續(xù)。當(dāng)外界環(huán)境條件超常優(yōu)越有利于種群的生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)，信息冗余的量增大，使得蛋白質(zhì)組的集團(tuán)效應(yīng)在一定條件下予以強(qiáng)化，在種群遭受外界某種不良環(huán)境因子作用時(shí)保持穩(wěn)定而不受影響（李躍強(qiáng)，盛承發(fā)，1997）。需要強(qiáng)調(diào)的是，酶在生理活動(dòng)中起著重要作用，通過(guò)調(diào)節(jié)，其化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)。目前，在生態(tài)適應(yīng)的分子水平的研究中，“生態(tài)酶”的概念和功能也令人矚目；“

24、適應(yīng)酶”具有更多的多態(tài)型，這種多態(tài)型無(wú)疑與外表形態(tài)、性狀和生理特性密切相關(guān)；同時(shí)，新的環(huán)境條件下也能夠誘導(dǎo)出大量不同的“調(diào)節(jié)性酶”。近年的研究還發(fā)展，許多蛋白由多個(gè)從結(jié)構(gòu)到功能都具有相對(duì)獨(dú)立的片段，稱為功能域，它可介導(dǎo)蛋白與蛋白質(zhì)間產(chǎn)生相互作用，因而大大加速了人們對(duì)蛋白質(zhì)功能和生態(tài)過(guò)程的分子機(jī)制的認(rèn)識(shí)。此外，蛋白質(zhì)作為啟動(dòng)因子可能在環(huán)境改變時(shí)激活某些基因的表達(dá)，從而產(chǎn)生新的蛋白質(zhì)即環(huán)境誘導(dǎo)蛋白來(lái)調(diào)節(jié)生命系統(tǒng)的生理代謝活動(dòng)，從而進(jìn)行生態(tài)適應(yīng)。因蛋白質(zhì)是基因的產(chǎn)物，故基因組有多樣性，蛋白質(zhì)組就有多態(tài)性，蛋白質(zhì)組對(duì)環(huán)境的生態(tài)應(yīng)用就有多效性。25生物大分子結(jié)構(gòu)與功能的整合作用與種群與環(huán)境相互作用的機(jī)制

25、蛋白質(zhì)與核酸等生物大分子是生命的主要體現(xiàn)者，但不是生命本身。核酸和蛋白質(zhì)是相互依存和彼此制約的，沒(méi)有核酸就沒(méi)有蛋白質(zhì)，沒(méi)有蛋白質(zhì)，核酸是沒(méi)有功能的。生命的本質(zhì)是這些生物大分子之間，以及它們與環(huán)境之間復(fù)雜而有序的相互聯(lián)系和相互作用。目前，人們關(guān)于蛋白質(zhì)和核酸整合作用的知識(shí)仍是相當(dāng)有限的，而這些發(fā)生在各種水平上的DNA復(fù)制和表達(dá)及其諸多調(diào)節(jié)過(guò)程在生命活動(dòng)中極其重要。只有透徹分析核酸和蛋白質(zhì)的整合作用，才能深入探討種群與環(huán)境之間相互作用的分子機(jī)制。1970年Temin和Baltimore發(fā)現(xiàn)DNA和RNA間存在逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象，而且這一現(xiàn)象不斷在真核生物中被發(fā)現(xiàn)，因而中心法則被修改。現(xiàn)在越來(lái)越多的證據(jù)表明

26、這種逆轉(zhuǎn)錄機(jī)制廣布于正常細(xì)胞的代謝之中。例如：斷裂基因（內(nèi)含子、外顯子）、假基因（加工基因）、重疊基因、重復(fù)基因（重復(fù)序列）等基因現(xiàn)象，進(jìn)一步證明了蛋白質(zhì)和核酸之間的整合作用及其與環(huán)境之間的相互作用。在一定的環(huán)境（包括生長(zhǎng)發(fā)育、生理需要等內(nèi)部環(huán)境和外界一切環(huán)境）條件下，種群某一遺傳效應(yīng)的DNA片段（遺傳信息的貯存庫(kù)）得到表達(dá)，產(chǎn)生這一遺傳效應(yīng)的RNA（遺傳信息的施工圖），RNA轉(zhuǎn)譯產(chǎn)生相應(yīng)的蛋白質(zhì)，這種蛋白質(zhì)及其表現(xiàn)出的生理作用、生化功能、形態(tài)結(jié)構(gòu)等應(yīng)用環(huán)境條件。在環(huán)境條件仍然滿足其種群遺傳效應(yīng)的表達(dá)時(shí)，就會(huì)通過(guò)影響蛋白質(zhì)，進(jìn)一步對(duì)RNA進(jìn)行調(diào)控，使其DNA片段得以充分表達(dá)，產(chǎn)生大量的這一遺傳

27、效應(yīng)的RNA，在高濃度的RNA條件下，逆轉(zhuǎn)錄成cDNA的可能性增大，形成的cDNA通過(guò)插入、整合，從而形成這一遺傳效應(yīng)的DNA重復(fù)序列，從而更加強(qiáng)了這一遺傳效應(yīng)。種群所處的環(huán)境是不斷變化的（包括自身內(nèi)部環(huán)境），其變化的影響是由淺入深的，可以表現(xiàn)為形態(tài)的、生理的、生化的、轉(zhuǎn)錄與復(fù)制的。環(huán)境影響時(shí)間短、強(qiáng)度小，則可能表現(xiàn)為遺傳進(jìn)化。長(zhǎng)期促進(jìn)RNA轉(zhuǎn)錄，是在環(huán)境條件有利的情況下，它形成RNA的調(diào)頻表達(dá)的這段DNA，再表達(dá)且穩(wěn)定遺傳時(shí)即為進(jìn)化。長(zhǎng)期抑制RNA轉(zhuǎn)錄，是在不利的環(huán)境條件下，性狀表達(dá)的該DNA鏈區(qū)長(zhǎng)期得不到利用或轉(zhuǎn)錄，從而易被封閉或丟失，形成痕跡性狀或完全消失，即為退化?；蛑亟M、染色體加倍

28、等變化，也無(wú)不遵守這一規(guī)律。種群隨著環(huán)境環(huán)境逐漸地變化而不斷改變自己，使自己不斷適應(yīng)逐漸改變的環(huán)境。26分子生態(tài)學(xué)的深入發(fā)展依賴分子標(biāo)記和檢測(cè)技術(shù)的重大突破客觀地說(shuō)，分子生態(tài)學(xué)還是一門(mén)十分年輕的學(xué)科，它沒(méi)有公認(rèn)的學(xué)科創(chuàng)始人和標(biāo)識(shí)性的學(xué)術(shù)論著，其發(fā)展主要通過(guò)跟蹤精確的分子標(biāo)記技術(shù)和分子檢測(cè)技術(shù)來(lái)準(zhǔn)確地鑒別生物大分子結(jié)構(gòu)與功能的差異，借此來(lái)揭示生物與環(huán)境相互作用的分子機(jī)制，這是分子生物學(xué)最顯著的學(xué)科特征。分子生態(tài)學(xué)研究始終依賴和跟蹤分子標(biāo)記技術(shù)和分子檢測(cè)技術(shù)。分子標(biāo)記技術(shù)包括限制性片斷長(zhǎng)度多態(tài)（Restriction fragment length polymorphism, RFLP）、單核苷酸

29、多態(tài)（Single nucleotide polymorphisms, SNP）、擴(kuò)增片段長(zhǎng)度多態(tài)性（Amplified fragment length polymorphism, AFLP）、隨機(jī)擴(kuò)增DNA多態(tài)性（Random amplified polymorphism DNA, RAPD）、可變的串連重復(fù)多態(tài)（Variable number of tandem repeats polymorphism, VNTRP）和PCR技術(shù)；分子檢測(cè)技術(shù)包括DNA（或RNA）序列分析、片段分析（長(zhǎng)度分析），單鏈構(gòu)象多態(tài)性（Single strand conformation polymorphism

30、, SSCP）、變性梯度（Denaturing gradient gel electrophoresis, DGGE），溫度梯度凝膠電泳（Temperature gradient gel electrophoresis, TGGE）、變性高效液相色譜（Denaturing high performance liquid chromatography, DHPLC）。Weber（1989）通過(guò)PCR擴(kuò)增和直接的序列測(cè)定發(fā)現(xiàn)了一類(lèi)特殊的VNTR，其串連重復(fù)的核心單元僅由2個(gè)堿基組成，稱為微衛(wèi)星（Microsatellites），它與等位酶和RFLP一樣是很好的共顯性標(biāo)記物。隨著基因組測(cè)序計(jì)劃的開(kāi)展

31、以及更多的蛋白質(zhì)序列和結(jié)構(gòu)的測(cè)定，微衛(wèi)星可以揭示出更高水平的多態(tài)性。分子生態(tài)學(xué)的結(jié)構(gòu)和功能研究可能基于核酸技術(shù)，也可以有基于蛋白質(zhì)技術(shù)，即直接研究基因的表達(dá)產(chǎn)物。基于核酸的技術(shù)主要有兩種：一種是基因表達(dá)順序分析法，即首先分離到細(xì)胞的信使RNA（mRNA），也就是正在發(fā)揮作用的基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，再逆轉(zhuǎn)錄成互補(bǔ)DNA（cDNA），經(jīng)標(biāo)記和酶切，再用聚合酶鏈反應(yīng)主（PCR）復(fù)制擴(kuò)增，通過(guò)對(duì)這些基因片段的序列分析來(lái)研究基因的活動(dòng)規(guī)律。另一種技術(shù)是顯微排陣法，主要是利用標(biāo)記cDNA和mRNA的雜交在一種顯微體系中進(jìn)行排列，使其可以在較大規(guī)模上來(lái)研究基因表達(dá)的模式和規(guī)律。這兩種技術(shù)都可以用于檢測(cè)在不同條件下

32、的基因表達(dá)情況。然而，細(xì)胞內(nèi)mRNA的信息還不能代表基因產(chǎn)物最終功能形成蛋白質(zhì)的信息，mRNA的豐度并不一定與最終表達(dá)產(chǎn)物蛋白質(zhì)有直接關(guān)系，更何況許多功能蛋白還有翻譯后修飾和加工，包括蛋白質(zhì)剪接，所以最終還是要用蛋白質(zhì)研究來(lái)補(bǔ)充核酸分析數(shù)據(jù)。相對(duì)于基因組研究的進(jìn)展速度，蛋白質(zhì)組的研究顯得相對(duì)滯后，主要原因是研究手段中多技術(shù)問(wèn)題尚未很好解決。分析全部10萬(wàn)個(gè)基因的功能，最直接的是蛋白質(zhì)組研究。而從這幾年中對(duì)基因組全序列分析已經(jīng)完成的一些低等生物蛋白質(zhì)組的研究看來(lái)，目前最現(xiàn)實(shí)、最有效的技術(shù)是雙向凝膠電泳分離純化蛋白質(zhì)，結(jié)合計(jì)算機(jī)定量分析圖譜進(jìn)一步用質(zhì)譜對(duì)分離到的蛋白質(zhì)進(jìn)行鑒定，并運(yùn)用現(xiàn)代生物信息學(xué)

33、的知識(shí)和技術(shù)對(duì)所得到的天文數(shù)字的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)蛋白質(zhì)組的研究可分為兩個(gè)階段：第一階段，建立一個(gè)細(xì)胞或一個(gè)組織或一個(gè)機(jī)體在“正?！睏l件下的蛋白質(zhì)二維凝膠圖譜，或稱參考圖譜，即所謂“組成蛋白質(zhì)組”。第二階段，則要研究在各種條件下的蛋白質(zhì)組的變化，從中總結(jié)出生命活動(dòng)的規(guī)律，可以稱為“功能蛋白質(zhì)組”。目前，分子生態(tài)學(xué)主要的技術(shù)手段是VNTR技術(shù)，其次是PCR技術(shù)，核酸測(cè)序和序列分析技術(shù)正在迅速發(fā)展，等位酶技術(shù)所占的比重較小。雖然基因組測(cè)序研究已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，但成功破譯基因組序列的物種或種群仍寥寥無(wú)幾，生物與環(huán)境相互作用的分子機(jī)制研究期待著對(duì)每一個(gè)物種及種群基因組序列的了解，顯然，這還要經(jīng)歷生個(gè)較長(zhǎng)的發(fā)展歷程。蛋白質(zhì)組測(cè)序的開(kāi)展使分子生態(tài)學(xué)研究又展現(xiàn)出新的曙光，使得人們能夠更容易的在微觀的、更真實(shí)直接的水平上了解生物與環(huán)境之間的