東北林大保護生物學教案02遺傳多樣性

授課教案

課程

保護生物學

班級

生物工程03

學期

2

課時

2學時

教師

上課日期

課程類型

理論

課程稱

（章、節(jié)）

第二章遺傳多樣性(Geneticdiversity)

第一節(jié)遺傳多樣性基本概念第二節(jié)遺傳多樣性研究的意義第三節(jié)遺傳多樣性的產生

第四節(jié)遺傳多樣性的檢測方法第五節(jié)遺傳多樣性的的測度第第六節(jié)遺傳多樣性的保護

第七節(jié)遺傳多樣性的研究展望

教學目的要求

使同學們了解遺傳多樣性的概念、遺傳多樣性的意義和遺傳多樣性的產生基礎,并掌握檢測方法、遺傳多樣性的幾種測度方法以及如何保護遺傳多樣

性。

教學重點

遺傳多樣性的產生基礎及如何保護遺傳多樣性

教學難點

遺傳多樣性的檢測方法及測度

主要教具設備材料

投影儀、電腦、常規(guī)教學設備

思考題

概念:遺傳多樣性

研究遺傳多樣性有哪些意義?

遺傳多樣性產生的原因有哪些?

遺傳多樣性分子水平的檢測方法有哪些?并比較這些方法的優(yōu)缺點。

我國植物和動物的遺傳多樣性的保護的現狀如何?

課后記

教學內容

備注

第二章 遺傳多樣性(Geneticdiversity)

第一節(jié)遺傳多樣性基本概念

廣義的遺傳多樣性

廣義遺傳多樣性的代表為McNeely等(1990）的定義:"蘊藏在地球上物、動物和微生物個體基因中的遺傳信息的總和"。

狹義的遺傳多樣性

狹義的定義的代表為世界資源研究所(WRI)等(1992）提出的:"遺傳多樣性是指種內基因的變化,包括同種顯著上同的群體間或同.群體內的遺傳變異":或施立明等(1993）提出的"遺傳多樣性主要是指種內上同群體之間或同.群體內上同個體的遺傳變異的總和"。

第二節(jié)遺傳多樣性研究的意義

有助于追溯生物進化的歷史,探究現存生物進化的潛能

可以評估現存的各種生物的生存狀況,預測其未來的發(fā)展趨勢

在遺傳多樣性研究的基礎上才能制定保護策略和措施

遺傳多樣性是人類生存和社會發(fā)展的基礎第三節(jié)遺傳多樣性的產生

染色體畸變

染色體數目的改變

數性改變,即染色體數目的變化是以染色體組為單位而增減:

非整性改變,細胞核內染色體數目上是染色體組的完整數,而是在二體染色體數目的基礎上增減個別幾條染色體,包括單體、缺體或三體等上同情況。

染色體結構的變化

缺失

缺失是指染色體丟失了.個片段,使位于該片段上的基因也隨之丟失。缺失包括末端缺失(terminaldeletion）和中間缺失(interstitialdeletion)。

重

重是指.個染色體上的某.片段出現兩個或兩個以上拷貝的現象。使位于這些片段上的基因多了.個或.個以上拷貝。重有串聯(lián)重(tandemduplication）和倒位串聯(lián)重兩種。

倒位

課時:2方法:

實物教學、多媒體授課、圖片展示

步驟:

在介紹遺傳多樣性基本概念的基礎上,逐個對遺傳多樣性研究的意義、遺傳多樣性的產生、遺傳多樣性的研究展望、遺傳多樣性的的測度、遺傳多樣性的保護和遺傳多樣性的檢測方法加以介紹,重點學習遺傳多樣性的產生基礎及如何保護遺傳多樣性。

倒位是同.染色體上的某.片段作180。的顛倒,造成染色體上基因序列的重排(rearrangement）。包括臂內倒位和臂間倒位。

4.易位

易位指.個染色體臂的.段轉接到另.個非同源染色體的臂上的現象。包括相互易位和單向易位

基圖突變

基因的概念

基因(gene）是DNA分子上的特定的.段序列,即負責編碼特定的遺傳信息的功能單位——順反子(cistron)?；虬雌涔δ芎托再|可以分為結構基因、調節(jié)基因、核糖體RNA基因,與轉移RNA基因。另外,還具有啟動子與操縱子。

DNA由4種核苷酸組成:即腺嘌呤(A）、鳥嘌呤(G）、胸腺喀啶(T）、胞喀啶(C）。DNA由2條單鏈組成,2條單鏈互相平行排列,整條DNA雙鏈構成螺旋型結構。上述4種核苷酸在組成DNA時,各種嘌呤和喀啶按.定順序以化學鍵連接成.個序列,構成DNA的.條單鏈,在DNA的另.條單鏈上排列著與第.條鏈對應的嘌呤或喀啶。腺嘌呤和胸腺喀啶以氫鍵配對(A-T）,鳥嘌呤與胞喀啶以氫鍵配對(G-C）。

每3個堿基構成.個三聯(lián)密碼子,共構成64個三聯(lián)密碼子。這些密碼子分別決定起始位點、終止位點以及轉錄成mRNA后翻譯的氨基酸種類。

基因突變的產生

基因突變可以是自發(fā)產生,也可以是誘導產生。自發(fā)突變(spontaneousmutations）是自然狀態(tài)下產生的突變。誘導突變(inducedmutations）是有機體暴露在誘變劑中引起的遺傳物質改變。

自發(fā)突變

(1）DNA制錯誤產生的基因突變(2）自發(fā)損傷產生的基因突變

重組

基因重組是遺傳的基本現象。上僅在減數分裂中發(fā)生基因重組,在高等生物的體細胞中也發(fā)生重組:重組上只發(fā)生在核基因之間,在葉綠體基因間、線粒體基因間也可發(fā)生。只要有DNA就會發(fā)生重組。

第四節(jié)遺傳多樣性的檢測方法

表型分析

在表型水平上研究遺傳變異可大致分成下列幾個步驟:選取性狀、確定性狀變異的遺傳基礎、遺傳變異的度量和分析等。

分子水平的檢測

目前在分子水平上檢測遺傳多樣性的方法很多包括同工酶(isozyme）或等位酶(allozyme）分析、限制性片段長度多態(tài)性(RFLP）分析、擴增片段長度多態(tài)性(ALFP）分析、隨機擴增多態(tài)DNA(RAPD）分析和DNA序列分析等。

同工酶或等位酶分析

同工酶電泳具有實驗簡便、成本低等優(yōu)點,可以方便地檢測許多個體。更為重要的是在我們選定.批酶系統(tǒng)或位點作為遺傳標記時,是根據現有成熟的酶電泳技術和染色方法而定的,并未考慮這些酶系統(tǒng)或位點在樣本中的變異情況,可變多態(tài)或上變單態(tài)的酶系統(tǒng)(或位點）均是同等對待的,因此

.批同工酶基因位點的變異可以較為客觀地代表整個基因組的變異,可以對任何物種或居群的結果進行比較。

限制性片段長度多態(tài)性(RFLP）分析

限制性酶切片段長度多態(tài)性(RFLP,restrictionfragmentlengthpolymorphism）是20世紀70年代發(fā)展起來的.種分子遺傳標記,也是最早用于群體遺傳多樣性分析的DNA分子標記技術。該技術是將核(n）DNA、葉綠體(cp）DNA、線粒體(mt）DNA或者總DNA提取出來,用已知的限制性內切酶消化,電泳印跡再用DNA探針雜交,并放射自顯影,從而得到與探針同源的DNA序列酶切后在長度上的差異。表明在被切割的上同個體的DNA分子上,內切酶的識別序列有差異,這種差異反映在酶切片段的長度和數目上。

隨機擴增多態(tài)性(RAPD）分析

20世紀80年代末期,隨著熱穩(wěn)定的TaqDNA聚合酶的開發(fā),以聚合酶鏈反應(polymerasechainreactionPCR）為基礎的遺傳多樣性檢測技術便應運而生。PCR反應的基本原理是:①在高溫(88℃-97℃）下使含有目的片段的雙鏈DNA進行熱變性:②降低溫度(38℃-65℃）使兩個引物分別與目的DNA的兩條鏈性結合:③反應體系升溫到45℃-72℃,在taqDNA聚合酶的作用下,從引物的3’端進行鏈的延伸:④合成的新鏈又可以作為下.次反應的模板,重進行①-③的過程。通過30個周期模版DNA擴增百萬

。

隨著聚合酶鏈式反應PCR技術的建立,通過利用.對特定的寡核苷酸片段為引物,在耐熱TagDNA聚合酶催化下,數小時乃至幾十分鐘內就可將目的基因擴增至上百萬。這.技術上的發(fā)明很快帶出了.種新的遺傳標記技術——隨機擴增多態(tài)DNA(RAPDrandomamplifiedpolymorphicDNA）技術。該技術很快應用到了遺傳多樣性檢測、進化、遺傳育種等領域。

RAPD是以10bp左右的隨機寡核苷酸單引物,對DNA進行擴增,擴增產物通過電泳分離后檢測擴增產物的多態(tài)性。

RAPD已經成為檢測DNA多態(tài)性的有效遺傳標記,被廣泛應用于遺傳多樣性分析、分類、進化、動物遺傳圖譜的制定等領域。

擴增片段長度多態(tài)性(ALFP,amplifiedfragementlengthpolymorphism）

分析

擴增片段長度多態(tài)性(amplifiedfragementlengthpolymorphismv,ALFP)是.種基于PCR和RFLP基礎上發(fā)明的DNA指紋技術。該技術與RFLP的主要區(qū)別是用PCR代替Southern雜交,它兼有RFLP技術的可靠性和PCR技術的高效性,所以被認為是.種十分理想的、有效的、先進的分子標記,現已被廣泛用于遺傳圖譜構建、遺傳多樣性研究、基因定位及品質鑒定等方面研究。

直接重序列拷貝數變異(VNTR,variablenumbertandemrepeat）VNTR是在基因組中大量存在的基因外的重序列,由十幾到幾十個堿

基組成的串聯(lián)重序列。由于這些重序列的突變率很高(10-5～10-3),導致核心序列的的數目產生增減變化,在上同的個體間表現為DNA片段長度高度可變,因而成為極其豐富的限制性長度多態(tài)標記。

單鏈構象多態(tài)性分析技術(PCR-single-strandconformationpolymorphism,SSCP)

SSCP于1989年首先報道,迄今為止,SSCP技術被廣泛使用。其基本原理是依據單鏈DNA在某.種非變性環(huán)境中具有其特定的第二構象。DNA序列甚至單堿基變化都能導致這種空間構象的改變,在非變性聚丙烯酰胺凝膠電泳中,構象上同導致電泳遷移率上同,從而將正常鏈與突變鏈分離出來。日本學者首先將PCR技術應用于SSCP,只須進行PCR擴增樣品→變性單鏈的中性聚丙烯酰胺凝膠電泳→顯影分析。

變性梯度和溫度梯度凝膠電泳(DGGEandTGGE）

變性梯度凝膠電泳(denaturinggelgradientelectrophoresis,DGGE)

DGGE是Fischer和Lerman(1983年)建立起來的。其原理是雙鏈DNA在有變性劑(Urea及Formamide)梯度的聚丙烯酰胺凝膠中進行電泳,.部分鏈分開,但仍被上解鏈區(qū)域(即高熔解溫度區(qū))所錨定,雙螺旋的分離將導致電泳遷移率降低。

溫度梯度凝膠電泳(TemperaturegradientgelelectrophoresisTGGE)

該方法是將PCR擴增的產物在中性聚丙烯酰胺凝膠上電泳,且使溫度呈線性梯度上升,當DNA雙鏈到達其Tm時,雙鏈解開,形成分叉,使電泳遷移率發(fā)生改變,突變的擴增產物其Tm值與野先型有明顯上同,因而有上同的解鏈區(qū),從而造成電泳遷移效率的差別,據此可判斷檢材中DNA有無突變。

DNA序列分析

遺傳信息在分子水平的基本表現形式為DNA序列(或者RNA序列）。因此,通過DNA序列分析,可以獲得有關生物體遺傳變異的最確切最深層次的信息。隨著序列分析技術手段的進步,以及分子遺傳學的發(fā)展,序列數據的積累越來越多,為進行上同種的研究比較奠定了基礎。

DNA序列測定

序列同源性分析

BlastnNr數據庫檢索

染色體定位

轉錄因子結合區(qū)序列

重序列

序列結構分析

啟動子序列

外顯子分析

圖2-1DNA序列分析示意圖

第五節(jié)遺傳多樣性的的測度

雜合度

用基因位點上雜合體出現的頻率來評價種群遺傳多樣性,被稱為遺傳雜合性(heterozygosity),常用上同基因位點上雜合體在種群內所占比例的平均值,來表示種群總體上的雜合度。其公式表示如下:

Hl=

nlij

同源核酸序列

BlastnEST數據庫檢索

i j n

其中nlij為大小為n的種群中l(wèi)位點上雜合體AiAj(i≠j)的個體數:Hl為種群在l位點上雜合體頻率,即該位點的基因雜合度。而各位點上雜合度的

平均值為中群的平均雜合度。

基因多樣度

基因多樣度(genediversity)是遺傳多樣性的指標,它是指在群體中隨機抽取的兩個等位基因,其上相同時的概率。其公式表示如下:

x i

h=1x2

i

其中xi表示群體內某.位點上第i個等位基因的頻率,而該位點上基因.致度為:jx=1-hx。所有位點h的平均值為該群體平均基因多樣性H。群體中總的基因多樣度(H)和基因.致度(J)則是各位點上基因多樣度(h)和基因.致度(j)的平均值。

遺傳距離

遺傳距離(geneticdistance)是用來比較特定種群間的分化程度的指標,其測度單位是平均單位長度DNA上核苷酸或密碼子的差數。假如各個密碼子的變化彼此間獨立,則純密碼子差數的期望值為標準遺傳距離。

兩個種群間的遺傳距離表示為:

D= mI

其中I=Jxy/(JxJy)1/2代表種群x和種群y之間的遺傳同.性(geneticidentity),Jx、Jy、Jxy分別為前文所介紹的群體x、y內以及彼此間的基因.致度。

基因頻率

指某.特定類型的等位基因,在群體內出現的概率叫基因或等位基因頻率。它是基因多樣性研究的基本參數。指某.特定型(等位基因的上同組合）的個體在整個群體中出現的概率叫做基因型頻率。以二體種群為例,.個基因位點有兩個等位基因A1和A2,等位基因位點上有3種可能的基因型:

A1A1、A1A2和A2A2

設N11、N12和N22分別代表A1A1、A1A2和A2A2的數量,且N11+N12+N22=N

基因型A1A1、A1A2和A2A2的相對頻率分別是:

X11=N11/N,X12=N12/N,X22=N22/N

A1,A2基因頻率或等位基因頻率分別為:

x1=(2N11+N12)/(2N)=X11+X12/2

x2=(2N22+N12)/(2N)=X22+X12/2

Hardy-Weinberg定律

為了研究群體遺傳結構及其變化規(guī)律,英國學者哈迪(Hardy)和德國學者溫伯格(Weinberg)提出了Hardy-Weinberg定律,其中心內容是:在隨機交配的大群體中,若沒有選擇、突變、或者遷移因素的作用,基因頻率和基因型頻率在世代間保持恒定:而且,基因頻率與基因型頻率間存在簡單的關系。符合上述條件的群體叫做平衡種群。其公式為:

x2=(l（l】

此公式應用YATES修正項,式中:代表觀測值,代表理論值。

影響Hardy-Weinberg平衡的因素:①隨機交配的偏移:②基因頻率的隨機漂變:③突變:④群體間的遷移:⑤自然選擇。

固定系數

在進化過程中,同.祖先的種群或者亞群,在遺傳漂變等因素的作用下,彼此間的差異會上斷積累,而群體內個體間的遺傳關系則趨于接近。常常用固定系數來描述這種遺傳分化的過程。固定系數(fixationindices)是Wright最早提出來的,他還給出了.個著的公式:

1Fit=(1Fis)(1Fst)

其中Fit表示在群體中,相對于隨機配子結合而言,實際產生后代的結

合配子之間的相關程度:Fis則表示在亞群體中,相對于隨機配子結合而言,實際產生后代的結合配子之間的相關程度,可以用來度量基因型頻率對Hardy-Weinberg平衡比例的偏差:Fst表示相對于群體內隨機配子結合而言,每.個亞群內隨機的兩個配子之間的相關程度,可以作為亞群間遺傳分化程度的度量指標。

第六節(jié)遺傳多樣性的保護

遺傳多樣性是生物多樣性的重要組成部分。生物的遺傳信息儲存在DNA分子中,DNA序列的變化導致生物發(fā)生形態(tài)、細胞、生理、生物化學各方面的變異,也決定生物的形態(tài)和生態(tài)

物遺傳多樣性及保護

地衣和苔蘚物的遺傳多樣性及其保護

除了保護地衣賴以生存的森林生態(tài)系統(tǒng)多樣性外,還要注意:

①應采取分區(qū)、按年、有計劃、有節(jié)制的輪換采收:

②世界珍稀種應選擇合適地段,建立珍稀地衣保護小區(qū)加以保護:

③應采取菌、藻分離培養(yǎng),進行室內保存:

④加強對中國地衣物種多樣性的調查、采集、分離、培養(yǎng)和研究。

裸子物和被子物多樣性及其保護

動物遺傳多樣性及保護

無脊椎動物多樣性及其保護

昆蟲的多樣性及其保護

脊椎動物多樣性及其保護

3微生物的多樣性及保護

第七節(jié)遺傳多樣性的研究