分子生态学 第二章
分子生态学
四 随机遗传漂变是种群进化的重要动力
• 小种群比大种群发生漂变的速度快，所以等位基 因在小种群中被固定的平均时间比大种群短。
• 一个等位基因被固定的概率等于其此时在种群中 的频率，所以稀有基因更易被淘汰。
• 随机遗传漂变降低种群的遗传多样性。
分子生物学与生态学紧密联系：基因研究 首先从生物的生态特征和适应入手。
An overview depicting several of the most important early discoveries on
二、分子生态学的起源
• 1950s: 凝胶电泳技术（Smithies, 1955)和蛋白质组织化 学染色方法（Hunter &Marker 1957) 的发明和有机结 合，促进了利用蛋白质多态性方法分析遗传变异。
• 因为新突变被固定的概率等于其此时在种群中的 频率，所以，新突变在小种群中被固定的可能性 大于在大种群中。
• 在metapopulation中，局部种群越小其遗传多样性 丧失的越快，局部种群间的遗传分化就越大。
• 对所有中性等位基因的作用一致，因此，在没有 其它进化动力的条件下，不同的中性位点揭示的 进化（演化）规律应相同。
106
109
Scale (m)
尺度 与学科的关系示意图
分子生态学的多学科交叉特性
多学科交叉的复合学科： 分子生物学
生物地理学
生态学
数学
古生物学
群体遗传学
分子生 行为生物学 态学分子进化Fra bibliotek系统发生学
保护生物学
进化生物学
古地学/古气候学
Model of DNA built by Watson and Francis Crick at Cambridge University, 1953.
分子生态学
分子生态学
分子生态学是一门研究进化生态学基础的科学，它试图通过研究生物体内分子
与环境关联而获得的信息来解释各种物种行为以及其进化的历史。
分子生态学即在内分子和外环境间建立关联，以研究生物体的行为与进化史。
分子生态学涉及的方面很多，例如生物材料的演化，以及如何通过分子技术来
研究物种之间的联系。
这种研究将通过研究多种物种的分子、生物学和行为学特征来理解物种间的关联。
分子生态学还会研究物种迁移，物种间种群变化，以及种群构成中物种多样性的演变。
分子生态学也会探寻物种进化中发生的变化，以便于更好理解物种间的进化史。
此外，分子生态学也旨在更深入地研究不同物种之间的关系，也就是物种的互补性、竞争性和协调性的研究。
分子生态学是一个极其复杂的科学，需要集成生物学、分子生物学和计算机科
学技术。
它具有极其广泛的应用，可以帮助我们思考和了解不同物种的进化历史，从而从根本上解决人类面临的生态问题。
分子生态学
DNA序列分析
• 是通过测定基因或基因片段DNA一级结构 中核苷酸序列组成来比较同源分子之间相 互关系的方法.
• 能够精确显示个体间DNA碱基差异. • 可以利用序列分析数据来解析物种进化历
史.一般来说,两个个体所共有的碱基突变越 多,它们之间的亲缘关系越近.
• 线粒体DNA和叶绿体DNA测序在生物进化 历史研究中使用比较普遍,因为是母系遗传, 缺乏重组,分子小,拷贝数高,易于操作并能够 较为容易地追拟个体间的系统发育关系.
基因流
• 是指由于配子或个体的扩散迁移等原因导 致一个种群的基因进入到另一个种群的基 因库,通常使接受这些基因的种群的基因频 率发生改变.基因通常在种内流动,但是,偶尔 会在种间流动,如转基因或种间杂交.
• 扩散或迁移先于基因流,但是不等于基因流, 到达一个新环境中的生物如果不能繁殖,就 不能产生基因流.
限制性片段长度多态性分析技术
(RFLP)
• 用限制性内切酶消化从生物中提取的模板DNA,使 其成为不同长度的DNA片段,再用琼脂糖电泳将这 些片段分离,并转移到硝酸纤维素或尼龙膜上.
• 用专一序列的标记DNA探针在膜上与膜板DNA杂 交,用自显影显色或发光显示与探针同源的DNA片 段.分析其种群内和种群间的差异.
同工酶技术
• 催化同一种反应而结构不同的一簇酶.如果 是等位基因决定的同工酶,又称等位酶.
• 由于同工酶的分子量和电荷有差异,可以利 用凝胶电泳技术将其分开,通过染色和扫描, 利用计算机分析软件进行差异分析.
• 可以根据酶带的变化判断种群内不同个体 间基因位点及等位基因的变异性,也可以比 较不同种群间遗传变异的差别.
• 小卫星DNA指纹技术可以有效检测个体间 亲缘关系.
• DNA序列中存在三种类型：单拷贝序列、 中等程度重复序列和高度重复序列。重复 序列就是一种序列在DNA分子中重复出现 几百次、几千次、几万次甚至百万次，它 们约占DNA总序列的3～4％(人类10%)。每 个重复序列在300个核苷酸长度之内，由于 高度重复序列经超离心后，以卫星带出现 在主要DNA带的邻近处，所以也被称为 “卫星DNA”。卫星DNA中的重复序列单元 则称为“小卫星DNA”。
第2章 种群生态学(1-2)生物种群的特征及动态
一、种群的概念及特征
（3）遗传特征 具一定的遗传特征，种内个体之间通过生殖活动交换遗传
因 子 ， 种 群 所 有 个 体 的 基 因 构 成 种 群 的 基 因 库 （ gene
pool）。
【举例】分布于我国近海的大黄鱼就存在三个地理种群：分布在黄海南 部和东海北部沿岸浅海的鱼群（包括吕泗、岱衢、猫头洋等产卵场的生 殖鱼群）属岱衢族；分布在东海南部和南海西北部沿岸浅海的鱼群（包 括官井洋、南澳、汕尾等产卵场的生殖鱼群）属闽-粤东族；分布在南 海东北部珠江口以西到琼州海峡以东沿岸浅海的鱼群（包括硇洲岛附近 产卵场的生殖鱼群）属硇（nao）洲族。它们各自又因生殖季节不同而 分为“春宗”和“秋宗”两个类群，可称为春季繁生群和秋季繁生群。
9
八、生态系统
生态系统是生态学中最重要的概念，也是自然界最重要 的功能单位。 生态系统（ecological system，ecosystem） 指一定时间和空间范围内，生物（一个或多个生物群落） 与非生物环境通过能量流动、物质循环及信息传递所形成 的一个相互联系、相互作用并具有自动调节机制的自然整 体。即生态系统＝生物群落＋非生物环境。
又 称 特 定 时 间 生 命 表 （ time-specif-c life table），根据某一特定时间，对 种群作一个年龄结构调查，并依调查 结果编制。
23
三、种群的增长
（3）生命表分析 ①死亡率曲线（mortality curve） 以生命表中的年龄（ x）为横坐标，以相应于各年龄的 q x 值 （年龄x 到年龄x +1期间的死亡率）为纵坐标构成的曲线。 ②存活曲线（survivorship curve） 以存活数量的对数值（即n x的对数值）为纵坐标，以年龄（x） 为横坐标构成的曲线。 标准化：将年龄标准化（即年龄相对于总平均生命期望的百 分比作为横坐标），可对不同生物种群存活曲线进行比较。
分子生态学章节
分子生态学是一门新兴的交叉学科，主要研究生物分子（如核酸、蛋白质等）在生态环境中的变化、相互作用和生态学意义。
以下是分子生态学章节的一些主要内容：
绪论：介绍分子生态学的概念、发展历程、研究内容和意义。
分子生物学基础：介绍DNA、RNA和蛋白质的结构、功能和相互关系，以及基因表达和调控的基本原理。
生态系统中生物分子的变化：研究生物分子在环境因素（如温度、湿度、pH等）影响下的变化规律，以及生物分子之间的相互作用。
生物分子在生态系统中的功能：介绍生物分子在能量转换、物质循环和信息传递等方面的生态学意义，以及生物分子对环境变化的适应机制。
生物分子在物种形成和演化中的作用：探讨生物分子在物种形成、演化过程中的作用，以及物种之间的遗传差异和演化机制。
分子生态学在实践中的应用：介绍分子生态学在环境保护、生物资源利用和生物安全等方面的应用，以及分子生态学对人类健康和生活的影响。
展望：探讨分子生态学的未来发展方向和趋势，以及面临的挑战和机遇。
总之，分子生态学章节主要介绍了生物分子在生态环境中的变化、相互作用和生态学意义，旨在从分子水平上揭示生态系统的运行
机制和生物与环境的相互作用关系。
这对于深入理解生态系统的本质、保护生物多样性和促进可持续发展等方面都具有重要的意义。
生态学第02章 他感作用
第二章他感作用§1. 他感作用及其表现一、他感作用(Allelopathy)1. 他感作用的定义生存竞争是地球上一切生命体的根本属性，生态系统中的高等植物相互竞争水分、光照和土壤养分等是其重要内容之一。
在生存竞争过程中，植物形成了各自保护自己和战胜周围物种的方式，当这种保护方式是以化学方式为主时，就属于“他感作用”的范畴。
所以，他感作用是指一种有机体所产生的化学有毒物质，进入环境被另一种有机体所吸收，并抑制后者生长、发育和繁殖的现象。
Molisch（玛里斯，1937）首先给“他感作用”下定义，广泛地解释为：“各类植物之间的生物化学作用”，包括了不利和有利作用两个方面。
Rice（1974）在《他感作用》一书中将他感作用定义为：“一种植物所产生的化学有毒物质，进入环境对另一种植物的有害作用”。
与Molisch相似，Rice认为他感作用是一个包括了高等和低等植物的多种生物化学作用。
Muller(1970)所持的看法则不同，他认为应该将他感作用一词仅限于高等植物间的相互作用。
但这种区别很难划出一条明显的界限，因为低等植物常常也直接或间接地参与到高等植物间的化学作用之中，如一个植物产生的化学物质常常依赖于土壤微生物的作用才能使其有毒物质解毒或进一步合成其它无毒化合物等。
2. 他感作用物质与作用条件（1）他感作用物质高等植物间起抑制作用的化学物质叫他感作用物质或毒素。
他们都是典型的次生组分，并且分子量小、结构简单。
绝大多数已被证明的他感作用物质是挥发性萜类或挥发性酚类化合物（图3–1）。
图3–1 植物次生物质的代谢关系（仿Krebs, 1985）Whittaker(1972)指出，他感作用物质可能仅仅是植物对食草动物的取食反映在体内所产生的物质，因为它们所起的作用也是次生作用。
这种理论假定，取食抑制物质的释放，导致植物根、茎或叶分泌一些化合物，并进入环境，当它们被附近的其它高植物吸收时便能减轻相互间的竞争影响，以利自身的发展。
环境生态学复习思考题参考答案
环境⽣态学复习思考题参考答案环境⽣态学复习思考题参考答案第⼀章绪论1、⽣态学的概念是什么？环境⽣态学是研究⽣物(organism)及环境(environment)间相互关系的科学。
2、⽣态学的分⽀情况是怎样的？按研究对象的组织⽔平划分：分⼦⽣态学(Molecular ecology)：分⼦⽣物学技术与⽅法个体⽣态学(Individual ecology): 研究重点是个体对⽣物和⾮⽣物环境的适应种群⽣态学(Population ecology): 多度和种群动态群落⽣态学(Community ecology): 决定群落组成和结构的⽣态过程⽣态系统⽣态学(Ecosystem ecology): 能流、⾷物⽹和营养循环景观⽣态学(Landscape ecology)：研究景观结构及其过程的科学全球⽣态学(Global ecology)：研究⽣命系统和⾏星系统相互关系的科学3、环境⽣态学的概念是什么？环境⽣态学研究的主要内容有哪些？概念：环境⽣态学就是研究在⼈为⼲扰下⽣态系统内在的变化机理、规律等，寻求受损⽣态系统的恢复、重建和保护对策的科学。
即运⽤⽣态学理论，阐明⼈与环境间的相互作⽤及解决环境问题的⽣态途径。
研究的主要内容：（1）⼈为⼲扰下⽣态系统内在变化机理和规律；（2）⽣态系统受损程度的判断；（3）各类⽣态系统的功能和保护措施的研究；（4）解决环境问题的⽣态对策。
第⼆章⽣态系统1、什么叫系统？系统有哪些性质？系统（system）是由相互作⽤和相互依赖的若⼲组成部分结合⽽成的、具有特定功能的有机整体。
系统有哪些性质：（1）系统结构的有序性；（2）系统的整体性；（3）系统功能的整合性；(4)系统结构功能的可控性。
2、什么叫⽣态系统？⽣态系统的组成、特点和类型分别有哪些？⽣态系统：是指⽣境(habitat)和占据该⽣境并联结在⼀起的⽣命有机体所构成的动态整体。
⽣态系统的组成：⾮⽣物环境，包括：⑴⽓候因⼦；⑵⽆机物质；⑶有机物质；⽣物群落，包括：⑴⽣产者；⑵消费者；⑶还原者。
《分子生态学》课件
在分子生态学中，分子标记技术可用于物种鉴定、种群遗传结构分 析、亲缘关系鉴定等方面。
分子标记技术的优势
具有较高的灵敏度和特异性，能够快速准确地检测生物体的遗传特 征，有助于揭示种群结构和遗传多样性。
生物信息学方法
生物信息学方法
利用计算机科学和统计学的理论和方法，对生物学数据进行分析 、整合和挖掘。
生态平衡
生态平衡是指生态系统内部各组成部分之间相互制约、相互依存的关系，是生态系统稳定和可持续发展的基础。 维护生态平衡是保护生物多样性和生态安全的重要措施之一。
03 分子生态学研究方法
CHAPTER
基因组学技术
基因组学技术
利用全基因组测序、基因表达谱分析 等技术，研究生物体内基因组的组成 、结构和功能，以及基因表达的调控 机制。
生态恢复
通过分子生态学手段研究生态系统退化的原因，提出针对性的恢复和重建方案，如植被恢复、土壤微 生物群落重建等。
生态系统恢复与重建
受损生态系统修复
针对受损生态系统，利用分子生态学方法研究生态系统内部各组分的相互关系和作用机 制，提出生态系统修复方案。
生态工程设计
基于分子生态学原理，设计生态工程，如人工湿地、生态浮床等，以实现生态环境的改 善和修复。
种群动态与进化
种群动态
种群动态是指种群数量和结构的变化 规律，是生态学研究的重要内容之一 。它受到环境因素、种间关系、种内 关系等多种因素的影响。
种群进化
种群进化是指种群在适应环境变化的 过程中，基因频率发生改变，导致种 群特征的演化。种群进化是生物多样 性的重要来源之一。
生态位与物种共存
生态位
生物多样性保护
分子生态学研究有助于保护生物 多样性，维护地球生态平衡。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2.11 进化与突变率
• 突变累积率驱动‘分子钟’，其应用要注意 是有缺陷的，并要小心校准。
• 突变是随机的，是生物进化的原始材料，自 然群体存在的遗传变异足以对不同环境的自 然选择作出反应，自然选择是影响生物进化 的主要因素，决定着生物进化的方向；由于 自然选择，处在不同环境下的有利基因分别 被固定，最终可使不同环境下的生物出现生 殖隔离而形成新物种。
张军y丽ou中r n山a大me学 JUNLIZHANG SYSU
• Invertebrates Arbacia punctulata, the purple-spined sea urchin, classical subject of embryological studies Caenorhabditis elegans, a nematode, usually called C. elegans2 Euprymna scolopes, the Hawaiian bobtail squid, model for animal-bacterial symbiosis, bioluminescent vibrios. Drosophila, usually the species Drosophila melanogaster - a kind of fruit fly果蝇, famous as the subject of genetics experiments by Thomas Hunt Morgan and others. Easily raised in lab, rapid generations
张军y丽ou中r n山a大me学 JUNLIZHANG SYSU
E. coli 16S rRNA
张军y丽ou中r n山a大me学 JUNLIZHANG SYSU
蛋白质的合成
• 转录和翻译
张军y丽ou中r n山a大me学 JUNLIZHANG SYSU
Gene content and genome size of various organisms
Organism Plant Human, mouse or rat Fugu fish Fruit Fly Worm Fungus Bacterium Mycoplasma genitalium DNA virus RNA virus Viroid
genes <50,000 25,000 40,000 13,767 19,000 6,000 500–6,000 500 10–900 1–25 0–1
张军y丽ou中r n山a大me学 JUNLIZHANG SYSU
Important model organisms
• Viruses lambda phage Prokaryotes Escherichia coli (E. coli) Bacillus subtilis Mycoplasma genitalium - a minimal organism Vibrio fischeri - quorum sensing, bioluminescence and animal-bacterial symbiosis with Hawaiian bobtail squid Synechocystis, a photosynthetic cyanobacteria widely used in photosynthesis research.
张军y丽ou中r n山a大me学 JUNLIZHANG SYSU
2.3.2 DNA的复制：引物5’→3’，DNA链3’→5’
张军y丽ou中r n山a大me学 JUNLIZHANG SYSU
张军y丽ou中r n山a大me学 JUNLIZHANG SYSU
张军y丽ou中r n山a大me学 JUNLIZHANG SYSU
张军y丽ou中r n山a大me学 JUNLIZHANG SYSU
Arabidopsis thaliana, a plant, usually called Arabidopsis. A considerable amount of new knowledge today is being generated from studying this plant model. This mustard weed was the first plant to have its genome sequenced. Lotus japonicus a model legume plant. Nicotiana tabaccum cv. BY-2 (or Tobacco BY-2 cells) is suspension cell line. Useful for general plant physiology studies on cell level. Medicago truncatula a model legume. Rice is used as a model for cereal biology. Fungi Aspergillus nidulans, subject of genetics studies
2.7 非编码DNA
• 在真核生物中， 包括许多重复序列， 如小 卫 星 minisatellite 和 微 卫 星 microsatellite等.
张军y丽ou中r n山a大me学 JUNLIZHANG SYSU
张军y丽ou中r n山a大me学 JUNLIZHANG SYSU
2.8 功能（编码）DNA
张军y丽ou中r n山a大me学 JUNLIZHANG SYSU
• 同义密码
三联密码
张军y丽ou中r n山a大me学 JUNLIZHANG SYSU
张军y丽ou中r n山a大me学 JUNLIZHANG SYSU
• 至今科学界仍不能回答为什么DNA上的三 联体密码子或RNA上的反密码子与相应的 氨基酸存在着密码关系，即遗传密码的起 源问题，它与手性起源都是生命起源中的 两个主要难题。
张军y丽ou中r n山a大me学 JUNLIZHANG SYSU
2.2 核酸与生命的共同起源
DNA是普遍存在的遗传物质。生命也有 部分是由RNA（病毒）构成遗传。遗传 物质核酸“能够指导蛋白质的合成，从 而控制新陈代谢过程和性状”。
张军y丽ou中r n山a大me学 JUNLIZHANG SYSU
2.3 DNA及RNA的结构
• 2.8.1 核糖体DNA 包括2个大rRNA（原核生物 16S 和 23S ， 真 核 生 物 17-18S 和 27-28S ） ， 小 rRNA（原核只有5S，真核有5S和5.8S）;间接 区域（ITS）相对受选择作用较小。
• 2.8.2 核结构（蛋白质编码）基因 大多数结 构（蛋白质编码）基因在单套基因组中以单考 贝存在。
张军y丽ou中r n山a大me学 JUNLIZHANG SYSU
Unicellular eukaryotes
Saccharomyces cerevisiae - baker‘s yeast 酵母 or budding yeast (used in brewing and baking) Schizosaccharomyces pombe - fission yeast Neurospora crassa - red bread mold Chlamydomonas reinhardtii- a unicellular green alga used in photosynthesis research. Tetrahymena thermophila - a free living freshwater ciliated protozoan Multicellular eukaryotes
basepairs
<1011 3×109 4 × 108 1.3×108 9.7×107 1.3×107 5×105–107
580,000
5,000–800,000
1,000–23,000
~50张0 军y丽ou中r n山a大me学
JUNLIZHANG SYSU
C-值悖论
• C-值悖论（ C-value enigma or C-value paradox ）是用来描述在真核生物物种中 核基因组大小的复杂变化谜团的术语。其 中心的问题是基因组的大小并不与生物体 的复杂性成正比，许多植物及一些单细胞 的原生生物具有比人类大得多的基因组。
• 一级结构 二级结构
三级结构
张军y丽ou中r n山a大me学 JUNLIZHANG SYSU
血红蛋白的四级结构
张军y丽ou中r n山a大me学 JUNLIZHANG SYSU
• 抗体：
免疫分子
张军y丽ou中r n山a大me学 JUNLIZHANG SYSU
2.5 遗传密码和基因表达
• DNA双螺旋模型的建立及遗传密码的破译 是现代生物学发展史上的两个里程碑。
张军y丽ou中r n山a大me学 JUNLIZHANG SYSU
张军y丽ou中r n山a大me学 JUNLIZHANG SYSU
2.6 基因组结构
• 在真核生物中，基因组中的编码基因的 碱基只占总碱基数中的2-50％，大部分 是非编码序列。
张军y丽ou中r n山a大me学 JUNLIZHANG SYSU
第二章：
生态学中的 分子生物学
张军y丽ou中r n山a大me学
2.1 生命的范畴：
细菌(蓝藻菌)（cyanobacteria）约出现于35亿 年前 真细菌（Eubacteria）W Australia发现 3465mya前化石 古 (细)菌（Archaea）约有35亿年历史 真核生物（Eukarya）出现于约 20001500mya
• 2.3.1 核 酸
张军y丽ou中r n山a大me学 JUNLIZHANG SYSU
DNA（G,A,T,C）及RNA（G,A,C,U）的碱基及核糖