分子生態(tài)學課件

概念與誕生背景分子生態(tài)學:分子生物學與生態(tài)學的結(jié)合,利用分子生物學技術研究生態(tài)學問題.因為生態(tài)學范圍很廣,因此,分子生態(tài)學研究的范圍也很廣.研究遺傳多樣性時空變化模式與機制,辨認物種,探討物種間親緣關系,追蹤物種擴散歷史,了解種群內(nèi)個體間親緣關系和近交程度等等,都屬于分子生態(tài)學研究領域.是新興學科,上個世紀末才作為獨立學科被認可,1992年分子生態(tài)學雜志創(chuàng)刊.群體遺傳學,生態(tài)遺傳學,進化遺傳學這三個學科的發(fā)展為分子生態(tài)學的建立奠定了基礎.主要依靠的分子生物學技術同工酶電泳技術限制性片段長度多態(tài)性分析技術小衛(wèi)星DNA指紋技術隨機擴增多態(tài)性DNA技術微衛(wèi)星DNA分析技術DNA序列分析技術同工酶技術

催化同一種反應而結(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將其分開,通過染色和掃描,利用計算機分析軟件進行差異分析.可以根據(jù)酶帶的變化判斷種群內(nèi)不同個體間基因位點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

同工酶電泳技術的局限性因為同工酶是基因表達的產(chǎn)物,受到生物在發(fā)育過程中基因表達的時序控制,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,同種酶在同一動物不同組織內(nèi)的表達也可能不同,因此在研究中要特別強調(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,而對大部分功能基因和大量非功能基因無法表現(xiàn),在比較種群內(nèi)或種群間遺傳變異時往往多態(tài)性較低.限制性片段長度多態(tài)性分析技術(RFLP)用限制性內(nèi)切酶消化從生物中提取的模板DNA,使其成為不同長度的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.用專一序列的標記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.因為限制性內(nèi)切酶識別專一的堿基序列,因此DNA序列的變異會導致酶切位點的消失或增加,使限制性片段的長度發(fā)生變化,從而顯示多樣性.限制性片段長度多態(tài)性分析技術的局限性需要大量的實驗材料來提取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(擴增限制性片段長度多態(tài)性分析技術).擴增限制性片段長度多態(tài)性

分析技術(AFLP)

是PCR技術與限制性片段長度多態(tài)性分析技術的結(jié)合,兼具前者的高效性與后者的可靠性.其缺點仍然是煩瑣與放射線標記,目前也有各種改進辦法來改進其缺點,(生物素標記,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:聚合酶鏈反應技術.能快速特異地擴增所希望的目標基因或DNA片段,使微微克水平的起始物迅速達到微克水平的量,實現(xiàn)了可以用很微量的DNA進行遺傳分析.小衛(wèi)星DNA指紋技術同工酶技術和限制性片段長度多態(tài)性分析技術可以較好地檢測種群間的遺傳差異,但其表達的多態(tài)性較低,難以用于個體識別.在親緣關系檢測中效果不好.小衛(wèi)星DNA指紋技術可以有效檢測個體間親緣關系.

DNA序列中存在三種類型：單拷貝序列、中等程度重復序列和高度重復序列。重復序列就是一種序列在DNA分子中重復出現(xiàn)幾百次、幾千次、幾萬次甚至百萬次，它們約占DNA總序列的3～4％(人類10%)。每個重復序列在300個核苷酸長度之內(nèi)，由于高度重復序列經(jīng)超離心后，以衛(wèi)星帶出現(xiàn)在主要DNA帶的鄰近處，所以也被稱為“衛(wèi)星DNA”。衛(wèi)星DNA中的重復序列單元則稱為“小衛(wèi)星DNA”。“小衛(wèi)星DNA”具有高度的可變性，不同個體彼此不同。但“小衛(wèi)星DNA”中有一小段序列則在所有個體中都一樣，稱為“核心序列”。如果把核心序列串聯(lián)起來作為分子探針，與不同個體的DNA進行分子雜交，就會呈現(xiàn)出各自特有的雜交圖譜，它們與人的指紋一樣，具有專一性和特征性，因人而異，因此被稱作“DNA指紋”.DNA指紋的特點

1.多位點性:

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)帶是獨立遺傳的。因此，一個DNA指紋探針能同時檢測基因組中數(shù)十個位點的變異性。

2.簡單的遺傳方式: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)帶遵循簡單的孟德爾遺傳方式。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)。同一個體無病變的不同組織產(chǎn)生的DNA指紋圖完全相同，并能在培養(yǎng)的細胞株中維持下去。需要說明的是，同卵雙胞胎的DNA指紋圖完全相同。

3.高度變異性:

不同的個體或群體有不同的DNA指紋圖。一般選用任何一種識別四個堿基的內(nèi)切酶，這種變異性就能表現(xiàn)出來。英國遺傳學家杰弗里斯對白種人研究表明，兩個隨機個體具有完全相同的DNA指紋圖的概率，為三千億分之一(即3×10-11)。兩個同胞個體具有相同圖譜的概率也僅僅為二百萬分之一(即2×10-6)。

DNA指紋技術的應用

在刑事案件中的應用在親子鑒定中的應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雜,應用受限,逐漸被以PCR技術為基礎的分子標記分析技術所取代(隨機擴增多態(tài)性DNA技術).微衛(wèi)星DNA微衛(wèi)星DNA：重復單位序列最短，只有2～6bp(核苷酸)，串聯(lián)成簇，長度50～100bp，又稱為短串聯(lián)重復序列。廣泛分布于基因組中。其中富含A-T堿基對。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、易于檢測等優(yōu)點被作為優(yōu)良的遺傳標記而得到廣泛應用。由于其突變率很高,不適合用來分析相對久遠的進化事件.

隨機擴增多態(tài)性DNA技術

(RAPD)是基于PCR技術的分子標記分析技術.用一系列不同的單個人工合成的隨機排列堿基序列寡核苷酸單鏈(一般10bp)作引物,對所研究的基因組DNA進行單引物擴增.每個引物擴增可得到片段大小不等的產(chǎn)物,通過瓊脂糖凝膠電泳分離和放射自顯影或酶反應顯色可得到許多不同的條帶,從中選擇出特征性條帶進行分析.DNA序列分析是通過測定基因或基因片段DNA一級結(jié)構(gòu)中核苷酸序列組成來比較同源分子之間相互關系的方法.能夠精確顯示個體間DNA堿基差異.可以利用序列分析數(shù)據(jù)來解析物種進化歷史.一般來說,兩個個體所共有的堿基突變越多,它們之間的親緣關系越近.線粒體DNA和葉綠體DNA測序在生物進化歷史研究中使用比較普遍,因為是母系遺傳,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體間的系統(tǒng)發(fā)育關系.技術原理:用特定引物PCR擴增目的DNA序列,用不同染劑標記堿基,根據(jù)染劑發(fā)出的波長不同,在儀器上讀取堿基序列.單核苷酸多態(tài)性分析技術(SNP)單核苷酸多態(tài)性是指基因組序列中由于單個核苷酸的替換而引起的多態(tài)性.是檢測點突變的分析技術.比序列分析簡單,費用低,耗時少.目前還不成熟的技術,但是發(fā)展前景非常好.生物對寒冷的分子水平適應冷休克蛋白與抗凍蛋白:寒冷環(huán)境誘導原核生物產(chǎn)生冷休克蛋白,保護生物不受傷害.誘導昆蟲和植物產(chǎn)生抗凍蛋白,使細胞不產(chǎn)生結(jié)晶,保護細胞不受傷害.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性,脂肪去飽和酶起重要作用,低溫只是誘導該酶產(chǎn)量增加活性增強.生物對高溫的分子水平適應高溫環(huán)境可刺激細胞合成一系列進化上高度保守的蛋白質(zhì),稱為熱休克蛋白.因為缺氧、缺血、寒冷、饑餓、創(chuàng)傷、感染、中毒等也能誘導生成該類蛋白,又稱應激蛋白.一般認為誘導植物合成應激蛋白的最適溫度比正常生長溫度高出10度左右.植物抗干旱的分子水平適應植物對干旱的抗性是多基因控制的.這些基因可分為兩類:一類是轉(zhuǎn)錄因子基因,調(diào)控抗旱基因表達和信號轉(zhuǎn)錄,是早期表達基因.另一類是抗旱功能基因,是晚期表達基因,如脫水響應基因、水通道蛋白基因、滲透調(diào)節(jié)蛋白基因等.小哺乳動物適應低氧環(huán)境的

分子機制低海拔地區(qū)的小哺乳動物在模擬高原環(huán)境低氧時,可以誘導出許多低氧靶性基因的高度表達,進而導致由它們編碼的功能蛋白表型的高度表達.這些蛋白具有血管增生、促進紅細胞生成、加強葡萄糖轉(zhuǎn)運等功能,從而增強對氧的運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)境在隨時變化,種群也要保持豐富的多樣性才能適應這些變化,多樣性低的種群容易發(fā)生近交而降低個體和種群的適合度.遺傳多樣性評估多以種群的基因頻率或基因型頻率為基礎,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).種群的遺傳分化組成生物種的各個種群的分化是生物進化的必要途徑.一個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)生差異的過程,稱為種群的遺傳分化.種群分化的后果是導致新亞種或新物種的形成,物種形成是生物從量變到質(zhì)變的關鍵點.揭示物種分化的基礎是了解處于不同小生境的各個亞種群之間在遺傳組成上的差異.許多因素可