分子生態(tài)學(xué)課件

概念與誕生背景分子生態(tài)學(xué):分子生物學(xué)與生態(tài)學(xué)的結(jié)合,利用分子生物學(xué)技術(shù)研究生態(tài)學(xué)問(wèn)題.因?yàn)樯鷳B(tài)學(xué)范圍很廣,因此,分子生態(tài)學(xué)研究的范圍也很廣.研究遺傳多樣性時(shí)空變化模式與機(jī)制,辨認(rèn)物種,探討物種間親緣關(guān)系,追蹤物種擴(kuò)散歷史,了解種群內(nèi)個(gè)體間親緣關(guān)系和近交程度等等,都屬于分子生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域.是新興學(xué)科,上個(gè)世紀(jì)末才作為獨(dú)立學(xué)科被認(rèn)可,1992年分子生態(tài)學(xué)雜志創(chuàng)刊.群體遺傳學(xué),生態(tài)遺傳學(xué),進(jìn)化遺傳學(xué)這三個(gè)學(xué)科的發(fā)展為分子生態(tài)學(xué)的建立奠定了基礎(chǔ).主要依靠的分子生物學(xué)技術(shù)同工酶電泳技術(shù)限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性分析技術(shù)小衛(wèi)星DNA指紋技術(shù)隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA技術(shù)微衛(wèi)星DNA分析技術(shù)DNA序列分析技術(shù)同工酶技術(shù)

催化同一種反應(yīng)而結(jié)構(gòu)不同的一簇酶.如果是等位基因決定的同工酶,又稱(chēng)等位酶.由于同工酶的分子量和電荷有差異,可以利用凝膠電泳技術(shù)將其分開(kāi),通過(guò)染色和掃描,利用計(jì)算機(jī)分析軟件進(jìn)行差異分析.可以根據(jù)酶帶的變化判斷種群內(nèi)不同個(gè)體間基因位點(diǎn)及等位基因的變異性,也可以比較不同種群間遺傳變異的差別.酯酶同工酶掃描圖譜

同工酶電泳技術(shù)的局限性因?yàn)橥っ甘腔虮磉_(dá)的產(chǎn)物,受到生物在發(fā)育過(guò)程中基因表達(dá)的時(shí)序控制,所以同一生物在不同發(fā)育期可能表現(xiàn)出不同的同工酶酶譜,同種酶在同一動(dòng)物不同組織內(nèi)的表達(dá)也可能不同,因此在研究中要特別強(qiáng)調(diào)所取樣本的一致性.只能反映一小部分功能基因(外顯子)的情況,而對(duì)大部分功能基因和大量非功能基因無(wú)法表現(xiàn),在比較種群內(nèi)或種群間遺傳變異時(shí)往往多態(tài)性較低.限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性分析技術(shù)(RFLP)用限制性?xún)?nèi)切酶消化從生物中提取的模板DNA,使其成為不同長(zhǎng)度的DNA片段,再用瓊脂糖電泳將這些片段分離,并轉(zhuǎn)移到硝酸纖維素或尼龍膜上.用專(zhuān)一序列的標(biāo)記DNA探針在膜上與膜板DNA雜交,用自顯影顯色或發(fā)光顯示與探針同源的DNA片段.分析其種群內(nèi)和種群間的差異.因?yàn)橄拗菩詢(xún)?nèi)切酶識(shí)別專(zhuān)一的堿基序列,因此DNA序列的變異會(huì)導(dǎo)致酶切位點(diǎn)的消失或增加,使限制性片段的長(zhǎng)度發(fā)生變化,從而顯示多樣性.限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性分析技術(shù)的局限性需要大量的實(shí)驗(yàn)材料來(lái)提取DNA,方能滿足酶切后得到明顯譜帶的要求.探針用放射性同位素標(biāo)記有危害,操作煩瑣,DNA多態(tài)性檢出的靈敏度不高.現(xiàn)在該方法已經(jīng)有了明顯改進(jìn)(擴(kuò)增限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性分析技術(shù)).擴(kuò)增限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性

分析技術(shù)(AFLP)

是PCR技術(shù)與限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性分析技術(shù)的結(jié)合,兼具前者的高效性與后者的可靠性.其缺點(diǎn)仍然是煩瑣與放射線標(biāo)記,目前也有各種改進(jìn)辦法來(lái)改進(jìn)其缺點(diǎn),(生物素標(biāo)記,酶聯(lián)免疫方法顯色或使用發(fā)光底物提高靈敏度).PCR技術(shù):聚合酶鏈反應(yīng)技術(shù).能快速特異地?cái)U(kuò)增所希望的目標(biāo)基因或DNA片段,使微微克水平的起始物迅速達(dá)到微克水平的量,實(shí)現(xiàn)了可以用很微量的DNA進(jìn)行遺傳分析.小衛(wèi)星DNA指紋技術(shù)同工酶技術(shù)和限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性分析技術(shù)可以較好地檢測(cè)種群間的遺傳差異,但其表達(dá)的多態(tài)性較低,難以用于個(gè)體識(shí)別.在親緣關(guān)系檢測(cè)中效果不好.小衛(wèi)星DNA指紋技術(shù)可以有效檢測(cè)個(gè)體間親緣關(guān)系.

DNA序列中存在三種類(lèi)型：?jiǎn)慰截愋蛄小⒅械瘸潭戎貜?fù)序列和高度重復(fù)序列。重復(fù)序列就是一種序列在DNA分子中重復(fù)出現(xiàn)幾百次、幾千次、幾萬(wàn)次甚至百萬(wàn)次，它們約占DNA總序列的3～4％(人類(lèi)10%)。每個(gè)重復(fù)序列在300個(gè)核苷酸長(zhǎng)度之內(nèi)，由于高度重復(fù)序列經(jīng)超離心后，以衛(wèi)星帶出現(xiàn)在主要DNA帶的鄰近處，所以也被稱(chēng)為“衛(wèi)星DNA”。衛(wèi)星DNA中的重復(fù)序列單元?jiǎng)t稱(chēng)為“小衛(wèi)星DNA”。“小衛(wèi)星DNA”具有高度的可變性，不同個(gè)體彼此不同。但“小衛(wèi)星DNA”中有一小段序列則在所有個(gè)體中都一樣，稱(chēng)為“核心序列”。如果把核心序列串聯(lián)起來(lái)作為分子探針，與不同個(gè)體的DNA進(jìn)行分子雜交，就會(huì)呈現(xiàn)出各自特有的雜交圖譜，它們與人的指紋一樣，具有專(zhuān)一性和特征性，因人而異，因此被稱(chēng)作“DNA指紋”.DNA指紋的特點(diǎn)

1.多位點(diǎn)性:

高分辨率的DNA指紋圖通常由15～30條帶組成，看上去就像掛號(hào)信上的條碼簽一樣。DNA指紋區(qū)中的絕大多數(shù)區(qū)帶是獨(dú)立遺傳的。因此，一個(gè)DNA指紋探針能同時(shí)檢測(cè)基因組中數(shù)十個(gè)位點(diǎn)的變異性。

2.簡(jiǎn)單的遺傳方式:DNA指紋圖中的區(qū)帶是可以遺傳的，這不同于人的指紋。DNA指紋區(qū)帶遵循簡(jiǎn)單的孟德?tīng)栠z傳方式。后代圖中的每一條帶都可以在雙親之一的圖中找到，只有0.004的可能性，使子女中的一條帶不能在其父母中的圖中找到(基因自發(fā)突變的結(jié)果)。同一個(gè)體無(wú)病變的不同組織產(chǎn)生的DNA指紋圖完全相同，并能在培養(yǎng)的細(xì)胞株中維持下去。需要說(shuō)明的是，同卵雙胞胎的DNA指紋圖完全相同。

3.高度變異性:

不同的個(gè)體或群體有不同的DNA指紋圖。一般選用任何一種識(shí)別四個(gè)堿基的內(nèi)切酶，這種變異性就能表現(xiàn)出來(lái)。英國(guó)遺傳學(xué)家杰弗里斯對(duì)白種人研究表明，兩個(gè)隨機(jī)個(gè)體具有完全相同的DNA指紋圖的概率，為三千億分之一(即3×10-11)。兩個(gè)同胞個(gè)體具有相同圖譜的概率也僅僅為二百萬(wàn)分之一(即2×10-6)。

DNA指紋技術(shù)的應(yīng)用

在刑事案件中的應(yīng)用在親子鑒定中的應(yīng)用空難事故受難者殘骸鑒定人種、性別鑒定和人、獸的區(qū)分鑒定鑒別雙胞胎是異卵雙生還是同卵雙生操作復(fù)雜,應(yīng)用受限,逐漸被以PCR技術(shù)為基礎(chǔ)的分子標(biāo)記分析技術(shù)所取代(隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA技術(shù)).微衛(wèi)星DNA微衛(wèi)星DNA：重復(fù)單位序列最短，只有2～6bp(核苷酸)，串聯(lián)成簇，長(zhǎng)度50～100bp，又稱(chēng)為短串聯(lián)重復(fù)序列。廣泛分布于基因組中。其中富含A-T堿基對(duì)。由于微衛(wèi)星具有數(shù)量多、在基因組內(nèi)分布均勻、多態(tài)性信息豐富、易于檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)被作為優(yōu)良的遺傳標(biāo)記而得到廣泛應(yīng)用。由于其突變率很高,不適合用來(lái)分析相對(duì)久遠(yuǎn)的進(jìn)化事件.

隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA技術(shù)

(RAPD)是基于PCR技術(shù)的分子標(biāo)記分析技術(shù).用一系列不同的單個(gè)人工合成的隨機(jī)排列堿基序列寡核苷酸單鏈(一般10bp)作引物,對(duì)所研究的基因組DNA進(jìn)行單引物擴(kuò)增.每個(gè)引物擴(kuò)增可得到片段大小不等的產(chǎn)物,通過(guò)瓊脂糖凝膠電泳分離和放射自顯影或酶反應(yīng)顯色可得到許多不同的條帶,從中選擇出特征性條帶進(jìn)行分析.DNA序列分析是通過(guò)測(cè)定基因或基因片段DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)中核苷酸序列組成來(lái)比較同源分子之間相互關(guān)系的方法.能夠精確顯示個(gè)體間DNA堿基差異.可以利用序列分析數(shù)據(jù)來(lái)解析物種進(jìn)化歷史.一般來(lái)說(shuō),兩個(gè)個(gè)體所共有的堿基突變?cè)蕉?它們之間的親緣關(guān)系越近.線粒體DNA和葉綠體DNA測(cè)序在生物進(jìn)化歷史研究中使用比較普遍,因?yàn)槭悄赶颠z傳,缺乏重組,分子小,拷貝數(shù)高,易于操作并能夠較為容易地追擬個(gè)體間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系.技術(shù)原理:用特定引物PCR擴(kuò)增目的DNA序列,用不同染劑標(biāo)記堿基,根據(jù)染劑發(fā)出的波長(zhǎng)不同,在儀器上讀取堿基序列.單核苷酸多態(tài)性分析技術(shù)(SNP)單核苷酸多態(tài)性是指基因組序列中由于單個(gè)核苷酸的替換而引起的多態(tài)性.是檢測(cè)點(diǎn)突變的分析技術(shù).比序列分析簡(jiǎn)單,費(fèi)用低,耗時(shí)少.目前還不成熟的技術(shù),但是發(fā)展前景非常好.生物對(duì)寒冷的分子水平適應(yīng)冷休克蛋白與抗凍蛋白:寒冷環(huán)境誘導(dǎo)原核生物產(chǎn)生冷休克蛋白,保護(hù)生物不受傷害.誘導(dǎo)昆蟲(chóng)和植物產(chǎn)生抗凍蛋白,使細(xì)胞不產(chǎn)生結(jié)晶,保護(hù)細(xì)胞不受傷害.膜磷脂的抗冷性:膜磷脂成分的變化可以有效抵抗低溫環(huán)境對(duì)生物的傷害.增加磷脂的不飽和脂肪酸比例可以增加膜的流動(dòng)性,脂肪去飽和酶起重要作用,低溫只是誘導(dǎo)該酶產(chǎn)量增加活性增強(qiáng).生物對(duì)高溫的分子水平適應(yīng)高溫環(huán)境可刺激細(xì)胞合成一系列進(jìn)化上高度保守的蛋白質(zhì),稱(chēng)為熱休克蛋白.因?yàn)槿毖酢⑷毖?、寒冷、饑餓、創(chuàng)傷、感染、中毒等也能誘導(dǎo)生成該類(lèi)蛋白,又稱(chēng)應(yīng)激蛋白.一般認(rèn)為誘導(dǎo)植物合成應(yīng)激蛋白的最適溫度比正常生長(zhǎng)溫度高出10度左右.植物抗干旱的分子水平適應(yīng)植物對(duì)干旱的抗性是多基因控制的.這些基因可分為兩類(lèi):一類(lèi)是轉(zhuǎn)錄因子基因,調(diào)控抗旱基因表達(dá)和信號(hào)轉(zhuǎn)錄,是早期表達(dá)基因.另一類(lèi)是抗旱功能基因,是晚期表達(dá)基因,如脫水響應(yīng)基因、水通道蛋白基因、滲透調(diào)節(jié)蛋白基因等.小哺乳動(dòng)物適應(yīng)低氧環(huán)境的

分子機(jī)制低海拔地區(qū)的小哺乳動(dòng)物在模擬高原環(huán)境低氧時(shí),可以誘導(dǎo)出許多低氧靶性基因的高度表達(dá),進(jìn)而導(dǎo)致由它們編碼的功能蛋白表型的高度表達(dá).這些蛋白具有血管增生、促進(jìn)紅細(xì)胞生成、加強(qiáng)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)等功能,從而增強(qiáng)對(duì)氧的運(yùn)輸能力和葡萄糖的供給能力..種群遺傳多樣性分析由于環(huán)境在隨時(shí)變化,種群也要保持豐富的多樣性才能適應(yīng)這些變化,多樣性低的種群容易發(fā)生近交而降低個(gè)體和種群的適合度.遺傳多樣性評(píng)估多以種群的基因頻率或基因型頻率為基礎(chǔ),所選擇的基因座位通常假定是選擇中性的(依據(jù)中村假說(shuō)).種群的遺傳分化組成生物種的各個(gè)種群的分化是生物進(jìn)化的必要途徑.一個(gè)種的不同亞種群之間遺傳組成產(chǎn)生差異,即在等位基因頻率上產(chǎn)生差異的過(guò)程,稱(chēng)為種群的遺傳分化.種群分化的后果是導(dǎo)致新亞種或新物種的形成,物種形成是生物從量變到質(zhì)變的關(guān)鍵點(diǎn).揭示物種分化的基礎(chǔ)是了解處于不同小生境的各個(gè)亞種群之間在遺傳組成上的差異.許多因素可