植物分子群體遺傳學動態(tài)

1、植物分子群體遺傳學動態(tài)    分子群體遺傳學是當代進化生物學研究的支柱學科,  也是遺傳育種和關于遺傳關聯(lián)作圖和連鎖分析的基礎理論學科。分子群體遺傳學是在經典群體遺傳的基礎上發(fā)展起來的,  它利用大分子主要是DNA序列的變異式樣來研究群體的遺傳結構及引起群體遺傳變化的因素與群體遺傳結構的關系,  從而使得遺傳學家能夠從數(shù)量上精確地推知群體的進化演變,  不僅克服了經典的群體遺傳學通常只能研究群體遺傳結構短期變化的局限性,  而且可檢驗以往關于長期進化或遺傳系統(tǒng)穩(wěn)定性推論的可靠程度。同時,  對群

2、體中分子序列變異式樣的研究也使人們開始重新審視達爾文的以“自然選擇”為核心的進化學說。到目前為止,  分子群體遺傳學已經取得長足的發(fā)展,  闡明了許多重要的科學問題,  如一些重要農作物的DNA多態(tài)性式樣、連鎖不平衡水平及其影響因素、種群的變遷歷史、基因進化的遺傳學動力等,  更為重要的是,  在分子群體遺傳學基礎上建立起來的新興的學科如分子系統(tǒng)地理學等也得到了迅速的發(fā)展。文中綜述了植物分子群體遺傳研究的內容及最新成果。   1 理論分子群體遺傳學的發(fā).展簡史 經典群體遺傳學最早起源于英國數(shù)學家哈迪和德國醫(yī)學家溫伯格于1908年提出的

3、遺傳平衡定律。以后, 英國數(shù)學家費希爾、遺傳學家霍爾丹(Haldane JBS)和美國遺傳學家賴特(Wright S)等建立了群體遺傳學的數(shù)學基礎及相關計算方法, 從而初步形成了群體遺傳學理論體系, 群體遺傳學也逐步發(fā)展成為一門獨立的學科。群體遺傳學是研究生物群體的遺傳結構和遺傳結構變化規(guī)律的科學, 它應用數(shù)學和統(tǒng)計學的原理和方法研究生物群體中基因頻率和基因型頻率的變化, 以及影響這些變化的環(huán)境選擇效應、遺傳突變作用、遷移及遺傳漂變等因素與遺傳結構的關系, 由此來探討生物進化的機制并為育種工作提供理論基礎。從某種意義上來說, 生物進化就是群體遺傳結構持續(xù)變化和演變的過程, 因此群體遺傳學理論在

4、生物進化機制特別是種內進化機制的研究中有著重要作用1。 在20世紀60年代以前, 群體遺傳學主要還只涉及到群體遺傳結構短期的變化, 這是由于人們的壽命與進化時間相比極為短暫, 以至于沒有辦法探測經過長期進化后群體遺傳的遺傳變化或者基因的進化變異, 只好簡單地用短期變化的延續(xù)來推測長期進化的過程。而利用大分子序列特別是DNA序列變異來進行群體遺傳學研究后, 人們可以從數(shù)量上精確地推知群體的進化演變, 并可檢驗以往關于長期進化或遺傳系統(tǒng)穩(wěn)定性推論的可靠程度1。同時, 對生物群體中同源大分子序列變異式樣的研究也使人們開始重新審視達爾文的以“自然選擇”為核心的生物進化學說。20世紀60年代末、70年代

5、初, Kimura2、King和Jukes3相繼提出了中性突變的隨機漂變學說: 認為多數(shù)大分子的進化變異是選擇性中性突變隨機固定的結果。此后, 分子進化的中性學說得到進一步完善4, 如Ohno5關于復制在進化中的作用假說: 認為進化的發(fā)生主要是重復基因獲得了新的功能, 自然選擇只不過是保持基因原有功能的機制; 最近Britten6甚至推斷幾乎所有的人類基因都來自于古老的復制事件。盡管中性學說也存在理論和實驗方法的缺陷, 但是它為分子進化的非中性檢測提供了必要的理論基礎7。目前, “選擇學說”和“中性進化學說”仍然是分子群體遺傳學界討論的焦點。 1971年, Kimura8最先明確地提出了分子群

6、體遺傳學這一新的學說。其后, Nei從理論上對分子群體遺傳學進行了比較系統(tǒng)的闡述。1975年, Watterson9估算了基于替代模型下的DNA多態(tài)性的參數(shù)Theta()值和期望方差。1982年, 英國數(shù)學家Kingman10, 11構建了“溯祖”原理的基本框架, 從而使得以少量的樣本來代表整個群體進行群體遺傳結構的研究成為可能, 并可以進一步推斷影響遺傳結構形成的各種演化因素。溯祖原理的“回溯”分析使得對群體進化歷史的推測更加合理和可信。1983年, Tajima12推導了核甘酸多樣度參數(shù)Pi()的數(shù)學期望值和方差值。此后, 隨著中性平衡的相關測驗方法等的相繼提出1315, 分子群體遺傳學的

7、理論及分析方法日趨完善16。 近20年來, 在分子群體遺傳學的基礎上, 又衍生出一些新興學科分支, 如分子系統(tǒng)地理學(molecular phylogeography)等。系統(tǒng)地理學的概念于1987年由Avise提出, 其強調的是一個物種的基因系譜當前地理分布方式的歷史成因17, 同時對物種擴散、遷移等微進化歷史等進行有效的推測18。 2 實驗植物分子群體遺傳研究內容及進展 基于DNA序列變異檢測手段的實驗分子群體遺傳學研究始于1983年, 以Kreitman19發(fā)表的“黑腹果蠅的乙醇脫氫酶基因位點的核苷酸多態(tài)性”一文為標志。以植物為研究對象的實驗分子群體遺傳學論文最早發(fā)表于20世紀90年代初

8、期20, 21, 但是由于當時DNA測序費用昂貴等原因, 植物分子群體遺傳學最初發(fā)展比較緩慢, 隨著DNA測序逐漸成為實驗室常規(guī)的實驗技術之一以及基于溯祖理論的各種計算機軟件分析程序的開發(fā)和應用, 實驗分子群體遺傳學近10年來得到了迅速的發(fā)展, 相關研究論文逐年增多, 研究的植物對象主要集中在模式植物擬南芥(Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.)及重要的農作物如玉米(Zea mays L.)、大麥(Hordeum vulgare L.), 水稻(Orazy sativa L.)、高粱(Sorghum bicolor L.)、向日葵(Helianthus annuus

9、 L.)等上16。其研究內容涵蓋了群體遺傳結構(同源DNA分化式樣)、各種進化力量如突變, 重組, 連鎖不平衡、選擇等對遺傳結構的影響、群體內基因進化方式(中性或者適應性進化)、群體間的遺傳分化及基因流等。同時, 通過對栽培物種與野生祖先種或野生近緣種的DNA多態(tài)性比較研究, 分子群體遺傳學在研究作物馴化的遺傳學原因及結果等也取得了重要的進展, 如作物馴化的遺傳瓶頸, 人工選擇對“馴化基因”核苷酸多態(tài)性的選擇性清除(selective sweep)作用等等。 2.1 植物基因或基因組DNA多態(tài)性 分子群體遺傳學的研究基礎是DNA序列變異。同源DNA序列的遺傳分化程度是衡量群體遺傳結構的主要指標

10、, 其分化式樣則是理解群體遺傳結構產生和維持的進化內在驅動力諸如遺傳突變、重組、基因轉換的前提。隨著DNA測序越來越快捷便利及分子生物學技術的飛速發(fā)展, 越來越多的全基因組序列或者基因序列的測序結果被發(fā)表, 基因在物種或群體中的DNA多態(tài)性式樣也越來越多地被闡明。 植物中, 對擬南芥和玉米基因組的DNA多態(tài)性的調查最為系統(tǒng), 研究報道也較多。例如, Nordborg等22對96個樣本組成的擬南芥群體中的876個同源基因片段(0.48 Mbp)的序列單核苷酸多態(tài)性進行了調查, 共檢測到17 000多個SNP, 大約平均每30 bp就存在1個SNP位點。而Schmid等23的研究結果顯示: 擬南芥

11、基因組核甘酸多態(tài)性平均為0.007( W)。Tenaillon等24對22個玉米植株的1號染色體上21個基因共14 420 bp序列的分析結果顯示玉米具有較高的DNA多態(tài)性(1SNP/27.6 bp、 =0.0096)。Ching等25研究顯示: 36份玉米優(yōu)系的18個基因位點的非編碼區(qū)平均核苷酸多態(tài)性為1SNP/31 bp, 編碼區(qū)平均為1SNP/124 bp, 位點缺矢和插入則主要出現(xiàn)在非編碼區(qū)。此外, 其他物種如向日葵、馬鈴薯(Solanum tuberosum)、高粱、火矩松(Pinus taeda L.)、花旗松(Douglas fir)等2630中部分基因位點的DNA多態(tài)性也得到調

12、查, 結果表明不同的物種的DNA多態(tài)性存在較大的差異。 繁育方式是顯著影響植物基因組的DNA多態(tài)性重要因素之一。通常來說, 自交物種往往比異交物種的遺傳多態(tài)性低, 這已經被一些親緣關系相近但繁育方式不同的物種如Lycopersicon屬植物和Leavenworthia屬植物的種間比較研究所證實31, 32。但是在擬南芥屬中則不然, Savolainen等33比較了不同繁育方式的兩個近緣種Arabidopsis thaliana(自交種)和Arabidopsis lyrata(異交種)的乙醇脫氫酶基因(Alcohol Dehydrogenase)的核苷酸多態(tài)性, 結果發(fā)現(xiàn)A. thaliana的

13、核苷酸多態(tài)性參數(shù)Pi值為0.0069, 遠高于A. lyrata的核苷酸多態(tài)性(Pi=0.0038)。 2.2 連鎖不平衡 不同位點的等位基因在遺傳上不總是獨立的, 其連鎖不平衡程度在構建遺傳圖譜進行分子育種及圖位克隆等方面具有重要的參考價值。Rafalski和Morgante等34在比較玉米和人類群體的連鎖不平衡和重組的異同時對連鎖不平衡的影響因素做了全面的闡述, 這些因素包括繁育系統(tǒng)、重組率、群體遺傳隔離、居群亞結構、選擇作用、群體大小、遺傳突變率、基因組重排以及其他隨機因素等。物種的繁育系統(tǒng)對連鎖不平衡程度具有決定性的影響, 通常來說, 自交物種的連鎖不平衡水平較高, 而異交物種的連鎖不

14、平衡水平相對較低。但是也有例外, 如野生大麥屬于自交物種, 然而它的連鎖不平衡水平極低3537。 擬南芥是典型的自交植物, 研究表明: 擬南芥組基因大多數(shù)位點的連鎖不平衡存在于1525 kb左右的基因組距離內22, 但是在特定位點如控制開花時間的基因及鄰接區(qū)域, 連鎖不平衡達到250 kb的距離38。擬南芥基因組高度變異區(qū)段同樣具有較強的連鎖不平衡39。這些研究結果說明擬南芥非常適合構建連鎖圖譜, 因為用少量的樣本就可以組成一個有效的作圖群體。除擬南芥外, 其它自交物種大多表現(xiàn)出較高的連鎖不平衡水平, 如大豆的連鎖不平衡大于50 kb40; 栽培高粱的連鎖不平衡大于15 kb41; 水稻的Xa

15、位點連鎖不平衡可以達到100 kb以上42。 與大多數(shù)自交物種相比, 異交物種的連鎖不平衡程度則要低得多。例如, 玉米的1號染色體的體連鎖不平衡衰退十分迅速,大約200 bp距離就變得十分微弱24, 但是在特定的玉米群體如遺傳狹窄的群體或者特定基因位點如受到人工選擇的位點, 連鎖不平衡水平會有所增強4346。野生向日葵中, 連鎖不平衡超過200 bp的距離就很難檢測到(r=0.10), 而栽培向日葵群體連鎖不平衡程度則可能夠達到約1 100 bp的距離(r=0.10)26。馬鈴薯的連鎖不平衡在短距離內下降迅速(1 kb降到r2=0.2左右), 但在1Kb以外下降卻十分緩慢(10 cM降到r2=

16、0.1)27。此外, 異交繁育類型的森林樹種如火矩松、花旗松等同樣顯示出低水平的連鎖不平衡30, 31。 2.3 基因組重組對DNA多態(tài)性的影響 基因組的遺傳重組是指二倍體或者多倍體植物或者動物減數(shù)分裂時發(fā)生的同源染色體之間的交換或者轉換47。它通過打破遺傳連鎖而影響群體的DNA多態(tài)性式樣, 其在基因組具體位點發(fā)生的概率與該位點的結構有很大的關系, 基因組上往往存在重組熱點區(qū)域, 如玉米的bronze(bz)位點, 其重組率高于基因組平均水平100倍以上48; 并且重組主要發(fā)生在染色體上的基因區(qū)域, 而不是基因間隔區(qū)49, 50。同時, 在基因密度高的染色體區(qū)段比基因密度低的染色體區(qū)段發(fā)生重組

17、的頻率也要高得多41, 51; 在不同的物種中, 基因組重組率平均水平也有很大的差異。如大麥群體基因組的重組率為 =78×103 52,高于擬南芥( =2×104)40倍27, 但只有玉米( =1214×103)的一半左右24。 目前有很多關于重組和DNA多態(tài)性之間的相關關系的研究, 但是沒有得到一致的結論。部分研究顯示重組對DNA多態(tài)性具有較強的影響。如Tenaillon等24研究顯示玉米1號染色體的DNA多態(tài)性高低與重組率具有較高的相關性(r=0.65, P=0.007), 野生玉米群體、大麥及野生番茄也都存在同樣的現(xiàn)象5254。而在擬南芥中, 重組對DNA多

18、態(tài)性的貢獻率就非常低22。Schmid等23用大量的基因位點對擬南芥群體的核苷酸多態(tài)性進行調查后發(fā)現(xiàn): 重組率與核苷酸多態(tài)性相關關系不顯著; Wright等55調查了擬南芥1號和2號染色體的6個自然群體序列變異式樣, 結果顯示, 在著絲粒附近重組被抑制的染色體區(qū)域, 核苷酸多態(tài)性并沒有隨之降低。說明了擬南芥基因組的重組率與DNA多態(tài)性并沒有必然的相關關系。Baudry等31對番茄屬內5個種進行了比較研究, 結果也顯示重組對種群間的DNA多態(tài)性的影響也不明顯。 2.4 基因進化方式(中性進化或適應性進化) 分子群體遺傳學有兩種關于分子進化的觀點: 一種是新達爾文主義的自然選擇學說, 認為在適應性

19、進化過程中, 自然選擇在分子進化起重要作用, 突變起著次要的作用。新達爾文主義的主要觀點包括: 任何自然群體中經常均存在足夠的遺傳變異, 以對付任何選擇壓力; 就功能來說, 突變是隨機的; 進化幾乎完全取決于環(huán)境變化和自然選擇; 一個自然群體的遺傳結構往往對它生存的環(huán)境處于或者接近于最適合狀態(tài); 在環(huán)境沒有發(fā)生改變的情況下, 新突變均是有害的56。另一種是日本學者Kimura為代表的中性學說, 認為在分子水平上, 種內的遺傳變異(蛋白質或者DNA序列多態(tài)性)為選擇中性或者近中性, 種內的遺傳結構通過注入突變和隨機漂變之間的平衡來維持, 生物的進化則是通過選擇性突變的隨機固定(有限群體的隨機樣本

20、漂移)來實現(xiàn), 即認為遺傳漂變是進化的主要原因, 選擇不占主導地位24。這兩種學說, 在實驗植物分子群體遺傳學的研究中都能得到一定的支持。 對植物基因在種內進化方式的研究主要集中在擬南芥菜、玉米、大麥等農作物及少數(shù)森林樹種。Wright和Gaut16對2005以前發(fā)表的相關文章進行詳細的統(tǒng)計, 結果顯示: 擬南芥中大約有30%的基因表現(xiàn)為適應性進化; 玉米中大約有24%的基因表現(xiàn)為非中性進化; 大麥的9個基因中, 有4個受到了選擇作用的影響。 選擇作用主要包括正向選擇、平衡選擇、背景選擇及穩(wěn)定選擇, 它們單獨或者聯(lián)合對特定基因的進化方式產生影響。如花旗松中的控制木材質量和冷硬性狀的基因30、火

21、炬松的耐旱基因29、歐洲山楊(European aspen)的食草動物誘導的蛋白酶抑制基因(Herbivore-induced Protease Inhibitor)等57, 經檢測在各自的群體受到了正向選擇、平衡選擇、背景選擇單獨或者多重影響。植物抗性基因(R基因)是研究得比較深入的一類基因, 大部分研究結果顯示抗性基因具有高度的多態(tài)性, 并經受了復雜的選擇作用58。Liu和Burke26對栽培大麥和野生大麥群體中9個基因在調查顯示其中的8個基因受到穩(wěn)定選擇。Simko等27對47份馬鈴薯66個基因位點調查表明, 大部分基因位點在馬鈴薯群體進化過程中受到了直接選擇或者分化選擇作用。以上對不同

22、物種的不同基因位點的研究都強調了分子進化的非中性的結果, 這說明選擇在基因的進化過程中具有非常重要的作用; 另一方面, 中性進化的結果報道較少, 或被有意或者無意地忽略, 事實上即使在強調選擇作用的研究文獻中, 仍然有相當一部分基因表現(xiàn)為中性進化, 說明在種內微觀進化的過程中, 選擇作用和中性漂變作用可能單獨或者聯(lián)合影響了物種內不同的基因位點, 共同促進了物種的進化。 2.5 群體遺傳分化 分子群體遺傳學一個重要的研究內容是闡明物種不同群體之間甚至不同物種群體之間(通常近緣種, 如栽培種及其近緣種或祖先野生種)遺傳結構的差異即遺傳分化, 并推測形成這種差異的原因, 從而使人能夠更好地理解種群動

23、態(tài)。 植物種內不同群體間遺傳分化的研究案例有很多, 典型的有: (1)擬南芥全球范圍內的遺傳分化。Kawabe和Miyashita59利用堿性幾丁質酶A(ChiA)、堿性幾丁質酶B(ChiB)及乙醇脫氫酶(Ahd)3個基因對擬南芥進行群體亞結構的分析, 結果只有ChiB顯示出一定的群體亞結構, 而ChiA、Ahd的系統(tǒng)學聚類與樣本地理來源之間沒有表現(xiàn)出任何相關關系,這樣的結果暗示了擬南芥近期在全球范圍內經歷了迅速擴張。Aguade60和Mauricio等61分別用不同的基因、Schmid等23用多基因位點進行的擬南芥分子群體遺傳學研究也支持同樣的結論。(2)森林樹種的遺傳分化。Ingvarss

24、on等62發(fā)現(xiàn)歐洲山楊的日長誘導發(fā)芽的侯選基因(phyB)變異方式呈現(xiàn)出緯度漸變方式, 表明歐洲山楊出現(xiàn)了明顯的適應性分化; Ingvarsson等63對多個基因單倍型地理格局分布的研究同樣發(fā)現(xiàn)歐洲楊具有明顯的地理遺傳分化。但是研究表明花旗松(Pseudotsuga menziesii)30、火炬松(Pinus taeda)29、圓球柳杉(Cryptomeria japonica)等64等物種沒有發(fā)生明顯遺傳多樣性的地理分化。 植物不同物種間遺傳分化的研究主要集中對在栽培種及其野生近緣種的DNA多態(tài)性的比較上。由于早期的馴化瓶頸及人工選擇繁育等遺傳漂變作用結果65。栽培物種的遺傳多樣性通常都低

25、于他們的野生祖先種。Hamblin等28利用AFLP結果篩選得到基因片段的DNA多態(tài)性, 對栽培高粱(S. bicolor)和野生高粱(S. propinquum)進行了比較研究, 結果表明: 野生高粱的平均核苷酸多態(tài)性大約為0.012( ),大約是栽培高粱的4倍。Liu等26的研究顯示: 野生向日葵中, 核苷酸多態(tài)性達到0.0128( )、0.0144( W),顯著高于栽培向日葵的0.0056( )、0.0072( W)。Eyre-Walker等66對栽培和野生玉米Adh1基因大約1 400 bp的序列研究表明: 栽培玉米的遺傳多樣性大約只有野生玉米種(Zea mays subsp. par

26、viglumis)的75%。Hyten等67的研究顯示野大豆的平均核苷酸多態(tài)性為0.0217( )、0.0235( W), 地方種則分別為0.0143( )、0.0115( W),大約為野大豆的66%( )和49%( )。以上結果充分反應了栽培物種馴化過程中曾遭受過瓶頸效應。 3 分子系統(tǒng)地理學 分子系統(tǒng)地理學是在分子群體遺傳學的基礎上, 衍生出的新學科分支。早在20世紀的60年代, Malecot68就發(fā)現(xiàn)了基因的同一性隨地理距離增加而減少的現(xiàn)象; 1975年Nei的分子群體遺傳學和進化一書中也提到在描述群體的遺傳結構時要重視基因或者基因型的地理分布1; 1987年Avise等17提出了系統(tǒng)

27、地理學概念。在植物方面, 分子地理系統(tǒng)學研究取得很多重要的成果。如對第四世紀冰期植物避難所的推測及冰期后物種的擴散及重新定居等歷史事件的闡釋, 其中最為典型的研究是對歐洲大陸冰期植物避難所的確定及冰期后植物的重新定居歐洲大陸的歷史事件的重現(xiàn)。如歐洲的櫟屬植物的cpDNA的單倍型的地理分布格局表明, 櫟屬植物冰期避難所位于巴爾干半島、伊比利亞島和意大利亞平寧半島, 現(xiàn)今的分布格局是由于不同冰期避難所遷出形成的69。King和Ferris70推測歐洲北部的大部分歐洲榿木種群是從喀爾巴阡山脈這個冰期避難所遷移后演化形成的。Sinclair等71, 72推測歐洲赤松在第四紀冰期時的避難所可能是在愛爾蘭

28、島或者在法國的西部。此外, 分子系統(tǒng)地理學在闡明了一些栽培作物的馴化歷史事件如馴化發(fā)生的次數(shù)及馴化起源地等方面也取得了重要的進展。如Olsen等73對木薯(Manihot esculenta)單拷貝核基因甘油醛-3-磷酸脫氫酶(glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase)在木薯群體中單倍型的地理分布方式深入調查后推測: 栽培木薯起源于亞馬遜河流域南部邊界區(qū)域。Caicedo等74利用核基因果實液泡轉化酶(fruit vacuolar invertase)的序列變異闡明了栽培番茄(Lycopersicon esculentum)的野生近緣種(Solanum pimpinellifolium )的種群擴張歷史, 基因變異的地理分布方式表明栽培番茄起源于秘魯北部, 然后逐步向太平洋岸邊擴張。Londo等75利用一個葉綠體基因和兩個核基因的變異對兩個亞洲的栽培秈、粳亞種及其近緣野生種進行了系統(tǒng)地理學研究, 闡明了秈、粳稻分別起源于不同的亞洲野生稻(O