保護生物學 - 05遺傳多樣性及保護

1、遺傳多樣性及其保護遺傳多樣性及其保護什么是遺傳多樣性？什么是遺傳多樣性？p 廣義的遺傳多樣性廣義的遺傳多樣性是生物是生物 所攜帶遺傳信息的總和，所攜帶遺傳信息的總和， 包括種間和種內(nèi)遺傳變異。包括種間和種內(nèi)遺傳變異。p 狹義的遺傳多樣性狹義的遺傳多樣性是種內(nèi)的遺傳多樣性，包括種內(nèi)和不同是種內(nèi)的遺傳多樣性，包括種內(nèi)和不同個體間的遺傳變異總和。個體間的遺傳變異總和。n 遺傳多樣性與生存能力、競爭力和適應能力有關(guān)，遺傳多樣性與生存能力、競爭力和適應能力有關(guān)，n 遺傳多樣性反應進化潛力，是遺傳多樣性反應進化潛力，是生態(tài)系統(tǒng)多樣性生態(tài)系統(tǒng)多樣性和和物種多樣物種多樣性性的基礎(chǔ)和核心。的基礎(chǔ)和核心。n 遺傳

2、多樣性起因于遺傳多樣性起因于DNADNA分子水平，但會從轉(zhuǎn)錄、翻譯水平分子水平，但會從轉(zhuǎn)錄、翻譯水平影響形態(tài)和生理特征從細胞、器官等水平表現(xiàn)出來。影響形態(tài)和生理特征從細胞、器官等水平表現(xiàn)出來。遺傳多樣性的意義遺傳多樣性的意義p 追溯物種的進化歷史、探索物種進化的潛能追溯物種的進化歷史、探索物種進化的潛能 生物群體中的變異大小與其進化速率成正比，結(jié)合地球歷生物群體中的變異大小與其進化速率成正比，結(jié)合地球歷史事件分析當今局勢，預測將來發(fā)展趨勢。史事件分析當今局勢，預測將來發(fā)展趨勢。p 制定生物多樣性保護措施制定生物多樣性保護措施 遺傳變異性高遺傳變異性高- -對環(huán)境適應能力強對環(huán)境適應能力強- -

3、進化潛力大進化潛力大 遺傳變異性低遺傳變異性低- - 弱弱- - 小小 是保護生物多樣性和采取保護措施的基礎(chǔ)。是保護生物多樣性和采取保護措施的基礎(chǔ)。p 生物資源的保持與利用生物資源的保持與利用 保存群體所具有的基因種類及特有的基因組合體系。保存群體所具有的基因種類及特有的基因組合體系。遺傳多樣性分析與評價遺傳多樣性分析與評價p 遺傳多樣性的來源遺傳多樣性的來源1.1.突變：突變：染色體變異，有缺失、重復、倒位、易位、等結(jié)構(gòu)變異和染色體整倍體染色體變異，有缺失、重復、倒位、易位、等結(jié)構(gòu)變異和染色體整倍體變異、非整倍體變異等數(shù)目變異。變異、非整倍體變異等數(shù)目變異?；蛲蛔儯鹤园l(fā)突變和誘發(fā)突變；有堿

4、基替換、移碼突變、缺失突變?；蛲蛔儯鹤园l(fā)突變和誘發(fā)突變；有堿基替換、移碼突變、缺失突變。2. 2. 遺傳重組：遺傳重組：遺傳物質(zhì)重排，形成新的變異。類型有同源重組、位點專遺傳物質(zhì)重排，形成新的變異。類型有同源重組、位點專一重組、轉(zhuǎn)座重組、異常重組（復制重組）。一重組、轉(zhuǎn)座重組、異常重組（復制重組）。3. 3. 選擇壓力：選擇壓力：增加有利基因?qū)Νh(huán)境的適應性進化，如存活力、抗病力、增加有利基因?qū)Νh(huán)境的適應性進化，如存活力、抗病力、生理耐受力、取食能力、生殖力、交配陳功率、競爭和種群行為等因素。生理耐受力、取食能力、生殖力、交配陳功率、競爭和種群行為等因素。4. 4. 基因流：基因流：個體在種群

5、間移動，使兩種群的基因庫內(nèi)的各等位基因的相個體在種群間移動，使兩種群的基因庫內(nèi)的各等位基因的相對頻率改變。對頻率改變。5. 5. 遺傳漂變：有限群體內(nèi)，群體中基因頻率出現(xiàn)時代傳遞的隨機性波動。遺傳漂變：有限群體內(nèi)，群體中基因頻率出現(xiàn)時代傳遞的隨機性波動。Evolutionary ChangeMutationGenetic driftMigration/gene flowNatural selectionMost mutations are recessive. Here the mutation is dominant遺傳多樣性分析與評價遺傳多樣性分析與評價p 遺傳多樣性的喪失遺傳多樣性的喪失

6、1.1.奠基者效應奠基者效應：群體基因庫來自最初建群的少數(shù)個體，初始群體的基因：群體基因庫來自最初建群的少數(shù)個體，初始群體的基因頻率對后代種群的影響較大（新建種群頻率對后代種群的影響較大（新建種群 源種群）。源種群）。2.2.瓶頸效應瓶頸效應：一個群體的大小驟然減少時，某些基因從基因庫中消失，：一個群體的大小驟然減少時，某些基因從基因庫中消失，后來的少數(shù)個體發(fā)展為大群體。后來的少數(shù)個體發(fā)展為大群體。3.3.近交近交：親緣個體間的交配，使雜合子數(shù)量降低，純合子數(shù)量增加，有：親緣個體間的交配，使雜合子數(shù)量降低，純合子數(shù)量增加，有害的隱性基因表達，導致近交衰退。害的隱性基因表達，導致近交衰退。4.4

7、.雜交雜交：遺傳上有明顯分化的個體間的：遺傳上有明顯分化的個體間的 交配：雜交衰退、遺傳同化、漸滲雜交。交配：雜交衰退、遺傳同化、漸滲雜交。遺傳多樣性的評價指標遺傳多樣性的評價指標p 多態(tài)位點百分率：種群中等位基因所占的比例。多態(tài)位點百分率：種群中等位基因所占的比例。p 雜合度：雜合體出現(xiàn)的頻率評價遺傳多樣性。雜合度：雜合體出現(xiàn)的頻率評價遺傳多樣性。h =Pi為某一第i個等位基因頻率，k為該座位上等位基因的數(shù)目，r為所檢測的座位數(shù)，h為群體中某座位的雜合度，H為群體平均雜合度。ip 多態(tài)信息含量（多態(tài)信息含量（PICPIC）：直接翻譯遺傳標記中所包含或所能）：直接翻譯遺傳標記中所包含或所能提供

8、的遺傳信息容量。它是一個親本為雜合子，另一親本為不提供的遺傳信息容量。它是一個親本為雜合子，另一親本為不同基因型的概率。同基因型的概率。PIC =Pi 、Pj為某一第i和j個等位基因頻率，k為等位基因的數(shù)目。遺傳多樣性的檢測方法遺傳多樣性的檢測方法p 形態(tài)學水平形態(tài)學水平p 生化水平生化水平p 染色體水平染色體水平p 線粒體線粒體DNADNA水平水平p 核基因組核基因組DNADNA水平水平遺傳多樣性的檢測方法：形態(tài)學水平遺傳多樣性的檢測方法：形態(tài)學水平 形態(tài)學或表型性狀檢測是最古老、最簡便的方法形態(tài)學或表型性狀檢測是最古老、最簡便的方法 外部形態(tài)性狀，如毛色、體型、外形、生理特性、外部形態(tài)性狀

9、，如毛色、體型、外形、生理特性、抗病性等抗病性等 表型性狀（單主基因決定）和數(shù)量性狀（多主基表型性狀（單主基因決定）和數(shù)量性狀（多主基因決定）因決定）表型可塑性Flexibility (plasticity) in phenotype based on environmental conditions.遺傳多樣性的檢測方法：生化水平遺傳多樣性的檢測方法：生化水平 同工酶分析：分析蛋白多態(tài)性同工酶分析：分析蛋白多態(tài)性 同工酶：機體產(chǎn)生的催化同一反應但具不同分子形式的酶。同工酶：機體產(chǎn)生的催化同一反應但具不同分子形式的酶。 常見的同工酶：常見的同工酶：乳酸脫氫酶（乳酸脫氫酶（ESTEST）、蘋果酸

10、脫氫酶）、蘋果酸脫氫酶（MDHMDH）、異檸檬酸脫氫酶（）、異檸檬酸脫氫酶（IDHPIDHP）、超氧化物歧化酶（）、超氧化物歧化酶（SODSOD）等）等 同工酶方法的優(yōu)缺點：同工酶方法的優(yōu)缺點： 優(yōu)點：遵循孟德爾規(guī)律；優(yōu)點：遵循孟德爾規(guī)律； 呈共顯性表達；呈共顯性表達； 操作易行操作易行 缺點：蛋白水平的分析；缺點：蛋白水平的分析； 具時間和發(fā)育特異性具時間和發(fā)育特異性 非功能基因無法表現(xiàn)。非功能基因無法表現(xiàn)。遺傳多樣性的檢測方法：染色體水平遺傳多樣性的檢測方法：染色體水平 體現(xiàn)在染色體數(shù)目、形態(tài)、結(jié)構(gòu)的變異。體現(xiàn)在染色體數(shù)目、形態(tài)、結(jié)構(gòu)的變異。 染色體核型：某種生物中染色體的數(shù)目、染色體形態(tài)

11、特征，染色體核型：某種生物中染色體的數(shù)目、染色體形態(tài)特征，如大小、著絲粒的位置、臂比值，有無隨體等，用于區(qū)分不同種。如大小、著絲粒的位置、臂比值，有無隨體等，用于區(qū)分不同種。 染色體帶型：用染料顯帶技術(shù)使染色體顯現(xiàn)出的深淺不同的染色體帶型：用染料顯帶技術(shù)使染色體顯現(xiàn)出的深淺不同的帶紋，用于種間和種下水平親緣關(guān)系的檢測。帶紋，用于種間和種下水平親緣關(guān)系的檢測。遺傳多樣性的檢測方法：線粒體遺傳多樣性的檢測方法：線粒體DNADNA水平水平p 線粒體線粒體DNADNA（mitochondrial DNA，mtDNA）： 核外遺傳物質(zhì)核外遺傳物質(zhì) 動物細胞：雙鏈環(huán)狀分子，動物細胞：雙鏈環(huán)狀分子，14-2

12、6kb14-26kb 編碼區(qū)：編碼區(qū)：2222個個tRNA, 2tRNA, 2個個rRNArRNA， 13 13個參與呼吸鏈關(guān)鍵復合酶基因個參與呼吸鏈關(guān)鍵復合酶基因 控制區(qū)：非編碼區(qū)，序列和長度變異控制區(qū)：非編碼區(qū)，序列和長度變異 最大的區(qū)域：突變高，進化快。最大的區(qū)域：突變高，進化快。 母系遺傳：母本母系遺傳：母本mtDNAmtDNA具有同序性具有同序性 mtDNA mtDNA排列順序、排列順序、tRNAtRNA和和rRNArRNA進化慢。進化慢。遺傳多樣性的檢測方法：線粒體遺傳多樣性的檢測方法：線粒體DNADNA水平水平p 線粒體線粒體DNADNA（mitochondrial DNA，mt

13、DNA）： 異質(zhì)異質(zhì)mtDNA: mtDNA: 同個體內(nèi)不同類型的同個體內(nèi)不同類型的mtDNAmtDNA 長度異質(zhì)性：長度異質(zhì)性：D D環(huán)區(qū)的串聯(lián)重復環(huán)區(qū)的串聯(lián)重復- -中性選擇中性選擇 位點異質(zhì)性：核苷酸位點上位點異質(zhì)性：核苷酸位點上mtDNAmtDNA不同不同- -堿基轉(zhuǎn)換、插入或缺失堿基轉(zhuǎn)換、插入或缺失 產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因： 體細胞中缺乏組蛋白的保護，易突變。體細胞中缺乏組蛋白的保護，易突變。 父系滲入現(xiàn)象父系滲入現(xiàn)象 mtDNA mtDNA重組現(xiàn)象重組現(xiàn)象 遺傳多樣性的檢測方法：線粒體遺傳多樣性的檢測方法：線粒體DNADNA水平水平p 線粒體線粒體DNADNA的檢測方法的檢測方法： 直

14、接測序法：測定直接測序法：測定mtDNAmtDNA的全序列或部分序列，比較差異。如的全序列或部分序列，比較差異。如D-loopD-loop區(qū)，區(qū)，rRNArRNA、tRNAtRNA及蛋白編碼基因。及蛋白編碼基因。 限制性片段長度多態(tài)性（限制性片段長度多態(tài)性（RFLPRFLP）：運用限制性內(nèi)切酶識別特異）：運用限制性內(nèi)切酶識別特異性性DNADNA序列，切割序列，切割DNADNA，使片段長度發(fā)生變化，進行電泳檢測。，使片段長度發(fā)生變化，進行電泳檢測。 PCR-RFLP PCR-RFLP：先對：先對mtDNAmtDNA進行體外擴增，再進行體外擴增，再RFLPRFLP檢測。檢測。p 線粒體線粒體DNA

15、DNA的應用的應用： 應用于物種起源與進化。種群識別物種保護、種內(nèi)種間親緣關(guān)應用于物種起源與進化。種群識別物種保護、種內(nèi)種間親緣關(guān)系、群體遺傳結(jié)構(gòu)及基因流動等方面系、群體遺傳結(jié)構(gòu)及基因流動等方面遺傳多樣性的檢測方法：核基因組遺傳多樣性的檢測方法：核基因組DNADNA水平水平p 核基因組核基因組DNADNA的檢測方法的檢測方法： 限制性片段長度多態(tài)性（限制性片段長度多態(tài)性（RFLPRFLP）：運用限制性內(nèi)切酶識別特異：運用限制性內(nèi)切酶識別特異性性DNADNA序列，切割序列，切割DNADNA，使片段長度發(fā)生變化，進行電泳檢測。，使片段長度發(fā)生變化，進行電泳檢測。遺傳多樣性的檢測方法：核基因組遺傳多

16、樣性的檢測方法：核基因組DNADNA水平水平p 核基因組核基因組DNADNA的檢測方法的檢測方法： 隨機擴增多態(tài)性隨機擴增多態(tài)性DNADNA（RAPDRAPD）：）：利用一系列短的寡核苷酸作為利用一系列短的寡核苷酸作為引物，對基因組引物，對基因組DNADNA進行擴增，再進行染色和條帶顯色，確定進行擴增，再進行染色和條帶顯色，確定DNADNA多態(tài)性。多態(tài)性。 應用：物種鑒定、親緣關(guān)系應用：物種鑒定、親緣關(guān)系 和系統(tǒng)發(fā)育研究等。和系統(tǒng)發(fā)育研究等。RAPD原理示意圖原理示意圖遺傳多樣性的檢測方法：核基因組遺傳多樣性的檢測方法：核基因組DNADNA水平水平p 核基因組核基因組DNADNA的檢測方法的檢

17、測方法： 擴增片段多態(tài)性（擴增片段多態(tài)性（ALFPALFP）：）：酶切基因組酶切基因組DNADNA，形成隨機片段，以人工，形成隨機片段，以人工合成的特異性片段為模板，根據(jù)位點設(shè)計引物，進行合成的特異性片段為模板，根據(jù)位點設(shè)計引物，進行PCRPCR擴增，電泳分離，檢擴增，電泳分離，檢測多態(tài)性測多態(tài)性 優(yōu)點：多態(tài)性豐富；所需優(yōu)點：多態(tài)性豐富；所需DNADNA模板量少，效率高；引物在模板量少，效率高；引物在不同物種間通用；不受環(huán)境影響不同物種間通用；不受環(huán)境影響靈敏度高，穩(wěn)定性強。靈敏度高，穩(wěn)定性強。 應用：遺傳連鎖圖譜構(gòu)建、應用：遺傳連鎖圖譜構(gòu)建、遺傳多樣性分析、遺傳多樣性分析、群體遺傳結(jié)構(gòu)和多樣

18、性分析、群體遺傳結(jié)構(gòu)和多樣性分析、物種親緣關(guān)系分析、物種親緣關(guān)系分析、種質(zhì)資源鑒定和基因定位等。種質(zhì)資源鑒定和基因定位等。酶切片段酶切片段基因組基因組DNA接頭接頭DNA模板模板引物引物產(chǎn)物產(chǎn)物AFLP檢測技術(shù)中檢測技術(shù)中DNA模板與模板與PCR擴增擴增遺傳多樣性的檢測方法：核基因組遺傳多樣性的檢測方法：核基因組DNADNA水平水平p 核基因組核基因組DNADNA的檢測方法的檢測方法： 微衛(wèi)星微衛(wèi)星DNADNA（簡單序列重復，（簡單序列重復，SSRSSR）：頭尾相連的串聯(lián)重復序列）：頭尾相連的串聯(lián)重復序列檢測，如（檢測，如（CA)CA)n n(CGA)(CGA)n n、(CACG)(CACG)

19、n n。 分為完全重復型、不完全重復型、復合型分為完全重復型、不完全重復型、復合型完全重復：完全重復： CACACACACACACACACACACACACACACACACACA不完全重復：不完全重復：CACATTCACACATTCATTCACACATTCACACATTCATTCA復合重復：復合重復： CACACACACAGAGAGAGAGACACACACACAGAGAGAGAGA 因遺傳物質(zhì)復制中因遺傳物質(zhì)復制中DNADNA滑動或在分裂期染色體不對等交換?；瑒踊蛟诜至哑谌旧w不對等交換。 微衛(wèi)星序列通過改變微衛(wèi)星序列通過改變DNADNA結(jié)構(gòu)或通過與特異性蛋白質(zhì)結(jié)合發(fā)揮結(jié)構(gòu)或通過與特異性蛋白質(zhì)結(jié)

20、合發(fā)揮基因調(diào)控的作用?；蛘{(diào)控的作用。遺傳多樣性的檢測方法：核基因組遺傳多樣性的檢測方法：核基因組DNADNA水平水平p 核基因組核基因組DNADNA的檢測方法的檢測方法： 微衛(wèi)星微衛(wèi)星DNADNA的優(yōu)點的優(yōu)點 多態(tài)信息含量高，分布廣泛且均勻多態(tài)信息含量高，分布廣泛且均勻：廣泛分布在真核生物基因組中，約占：廣泛分布在真核生物基因組中，約占5%5%，在內(nèi)含子、編碼區(qū)均存在，序列重復多表明多態(tài)性高。，在內(nèi)含子、編碼區(qū)均存在，序列重復多表明多態(tài)性高。 呈共顯性遺傳：呈共顯性遺傳：能穩(wěn)定遺傳到后代，能區(qū)分純合子和雜合子能穩(wěn)定遺傳到后代，能區(qū)分純合子和雜合子 保守性高：保守性高：微衛(wèi)星微衛(wèi)星DNADNA

21、側(cè)翼序列在物種間具有一定保守性。側(cè)翼序列在物種間具有一定保守性。 所需所需DNADNA量少，易鑒別量少，易鑒別。 微衛(wèi)星微衛(wèi)星DNADNA的應用的應用 個體間親緣關(guān)系、種群遺傳分析、遺傳病診斷、基因定位等領(lǐng)域。個體間親緣關(guān)系、種群遺傳分析、遺傳病診斷、基因定位等領(lǐng)域。 遺傳多樣性的檢測方法：核基因組遺傳多樣性的檢測方法：核基因組DNADNA水平水平p 核基因組核基因組DNADNA的檢測方法的檢測方法： 單核苷酸多態(tài)性（單核苷酸多態(tài)性（SNPSNP）：）：在染色體基因組水平上因單個核苷在染色體基因組水平上因單個核苷酸變異引起的酸變異引起的DNADNA序列多態(tài)性。包括單個堿基的轉(zhuǎn)換、插入、缺失。序

22、列多態(tài)性。包括單個堿基的轉(zhuǎn)換、插入、缺失。 SNP SNP的形式：的形式： 基因編碼區(qū)的突變（基因編碼區(qū)的突變（cSNPcSNP）和非編碼區(qū)的突變）和非編碼區(qū)的突變 同義同義cSNPcSNP和非同義和非同義cSNP(cSNP(導致蛋白序列改變，使性狀改變導致蛋白序列改變，使性狀改變) ) SNP SNP的特點：的特點： 數(shù)量多，分布廣；具有較高的遺傳穩(wěn)定性；數(shù)量多，分布廣；具有較高的遺傳穩(wěn)定性； 檢測快速；易于基因分型。檢測快速；易于基因分型。 SNP SNP的應用：遺傳疾病、生物多樣性評價、遺傳圖譜、物種鑒的應用：遺傳疾病、生物多樣性評價、遺傳圖譜、物種鑒定、動植物基因標記。定、動植物基因標

23、記。遺傳多樣性的檢測方法：核基因組遺傳多樣性的檢測方法：核基因組DNADNA水平水平p 核基因組核基因組DNADNA的檢測方法的檢測方法： 單核苷酸多態(tài)性（單核苷酸多態(tài)性（SNPSNP） SNP SNP的檢測方法的檢測方法 1. 1.未知單核苷酸突變的檢測未知單核苷酸突變的檢測 單鏈構(gòu)象多態(tài)性技術(shù)單鏈構(gòu)象多態(tài)性技術(shù) 變性高效液相色譜技術(shù)變性高效液相色譜技術(shù) 基因芯片基因芯片 DNA DNA測序測序 基于生物信息學的基于生物信息學的SNPSNP篩選篩選 2.2.已知單核苷酸突變的檢測已知單核苷酸突變的檢測 PCR-RFLP PCR-RFLP、分子信標法、變性梯度凝膠電泳（、分子信標法、變性梯度凝膠電泳（DGGEDGGE）、等位基因特）、等位基因特異寡核苷酸片段分析（異寡核苷酸片段分析（ASOASO）、突變錯配擴增檢測（）、突變錯配擴增檢測（MAMAMAMA）等。）等。生物技術(shù)與遺傳多樣性保護生物技術(shù)與遺傳多樣性保護p 轉(zhuǎn)基因技術(shù)轉(zhuǎn)基因技術(shù)p 克隆技術(shù)克隆技術(shù)p 低溫冷藏技術(shù)低溫冷藏技術(shù) p 轉(zhuǎn)基因技術(shù)轉(zhuǎn)基因技術(shù)u轉(zhuǎn)基因技術(shù)：利用重組轉(zhuǎn)基