分子生态学
什么是分子生态学
什么是分子生态学
分子生态学是生态学的一个领域，利用分子生物学方法研究生态学的一门交叉科学。
它研究在生态系统中种群、物种与群落水平上，分子遗传学、生态学、进化生物学以及生态系统学等多学科交叉的研究领域。
具体而言，分子生态学旨在应用分子生物学技术，如DNA/RNA、微生物群落组学等多样方法，探究不同空间和时间尺度内生物体和生物系统之间的相互作用和关系，旨在为生物多样性保护和管理、生态学和环境保护工作提供科学支持。
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微生物分子生态学及其应用
微生物分子生态学及其应用随着科技的不断进步和生物学研究的深入，微生物分子生态学逐渐成为了一个热门的研究领域。
微生物分子生态学是指通过分析微生物的分子组成和动态变化，揭示微生物间的相互作用及其与环境的关联，探索微生物生态系统的演变和调控机制的学科。
相较于传统的微生物学研究，微生物分子生态学能够更准确、更全面地研究微生物与环境间的关联，使得微生物的研究更具针对性。
微生物分子生态学通过分析微生物的分子生物学信息，可以深入探究微生物的生理、代谢、生态等各个方面，并进一步揭示微生物的生境分布、演化和生态功能。
这不仅有助于更深入地理解微生物的生态系统，也为微生物的应用研究提供了有力的支撑。
1. 微生物分子生态学的研究方法微生物分子生态学一般通过以下方法进行研究：（1）高通量测序技术高通量测序技术大大提高了微生物分子生态学研究的效率和准确度，尤其在微生物群落结构和功能的研究中应用广泛。
基于高通量测序技术，不仅能够分析微生物群落的构成，还可以揭示微生物间的相互作用及其与环境的关联。
（2）荧光原位杂交技术荧光原位杂交技术常用于微生物群落结构和空间分布的研究。
该技术通过使用荧光标记引物，能够将特定细菌、真菌或病毒等微生物直接标记并固定在试样中，观察其在不同空间中的分布情况，进而分析微生物间的相互作用。
（3）质谱分析技术质谱分析技术可以分析微生物的代谢产物，并结合高通量测序技术或荧光原位杂交技术等技术，深入探究微生物的代谢途径和功能。
2. 微生物分子生态学在环境保护中的应用微生物在环境保护中有着重要的作用，而微生物分子生态学则为环境保护提供了更加有效的手段。
（1）土壤污染修复土壤污染是一个长期而严重的问题，微生物可以分解或转化污染物，促进土壤的简易修复。
通过微生物分子生态学的研究，不仅可以深入了解微生物的生理代谢机制，还能针对特定污染物的生态功能和代谢途径，实现更加精准的修复。
（2）环境监测微生物群落是环境中的重要组成部分，通过对微生物群落的组成、分布和转化过程的研究，可以更加精准地评估环境状况。
第七章 植物分子生态学
优 点
不需合成DNA探针，无需预知基因组序列，操作简单 ，快速
7.2.1 DNA水平上的研究方法
原 理 对DNA限制性酶切片段扩增，将双链接头连接在这 些DNA两端形成带接头的特异片段作为模版，通过 碱基对配对形成扩增片段，通过聚丙烯酰胺凝胶电 泳分离检测比较谱带差异
缺 点
操作复杂，时间长
AFLP标记 技术
分子环境 遗传学 杂交鉴定 系统地理 学 分子适应 分子生态 学技术
研究种群与进化遗传的分子机制和保护生态学遗传依据。 包含种群遗传学和进化遗传学、行为生态学、保育生物学。
研究种群生态学和基因流、重组生物环境释放的生态问题、自 然环境中的遗传交换 研究自然条件下物种间杂交是否发生，并且推断出适应新环境 · 的能力。主要包含自然杂交和渐渗交的分子鉴定。 研究物种地理起源、地理分布格局、迁移、定居、侵殖和在侵 殖的过程。
光斑可能造成光抑制， 发生光抑制后会使能 量集中在PSII中，使 得阴暗叶片伤害。但 在耐阴叶片中会出现 能量从PSII转移到PSI
有氧光合作用会产生 多种光保护机制，使 植物不受光潜在的危 害。如通过叶绿体、 电子传输和散热辅助 等。
7.3.3 植物分子行为生态
光氧化伤害的靶位
伤害靶位 光抑制 调节方式
分子水平
个体水平
生态系统水平 生态遗传学及发展前景 群体水平
2
物种遗传多样性 物种保护
耐盐转基因研究
抗氧化 防御
渗透 调节
离子 稳态
基因表 达调控
7.3.5 植物对盐胁迫反应
胁迫下植物信号传递的分子基础：
感受器、反应 调节器分开 两 组 分 信 号 二 合 一 组 合 导致共生或致病的宿主识别和入侵 适 应 性 行 为 对碳源、氮源、磷源变化代谢适应 对介质渗透变化的生理反应 趋化性以及逆境诱导的分化过程 感受器、反应 调节器一起
分子生态学期末重点(哈师大).
分子生态学期末复习重点总结一、名词解释1.分子生态学：应用分子生物学的方法来解决生态学问题的学科。
2.中性进化：一个选择中性（即选择等价）的等位基因在不断的突变压力作用下，通过随机漂变的相互取代过程。
3.操纵子：编码功能上相关的蛋白质或酶的基因与一个共同的调控顺序相串联，形成基因表达和调控的功能单位。
4.负性调节：负调节蛋白（阻遏物）将基因关闭，使其不能转录的调节方式。
5.转座子：基因组中存在的能够自发地在基因组内移动，从染色体的一个区段转移到另一区段或从一条染色体转入另一条染色体的DNA片段。
6.基因突变：是指基因的核苷酸序列发生改变，造成基因表达产物的变化，从而引起表型的改变。
7.移码突变：某些化合物与DNA结合后，可使DNA分子插入或缺失一个或几个碱基对，使该碱基对以下的读码顺序发生移动，从而改变其遗传信息。
8.PCR技术：聚合酶链式反应，又称体外DNA扩增技术。
9.蛋白质组：是指由一个基因组，或一个细胞、组织表达的所有蛋白质。
10.物种（BSC）：同种生物个体间相互进行杂交并可以产生可育的后代。
11.渐渗杂交：指两物种的杂交后代与亲本反复回交，把某一亲本的性状带至另一亲本。
12.隐存种：是指一组物种，他们符合生物学对物种的定义，也就是说彼此相互隔离，但是它们在形态学是非常相似的，甚至有些时候完全一致。
13.行为生态学：主要是研究生态学中的行为机制和动物行为的生态学意义和进化意义，即研究动物的行为功能、存活值、适合度和进化过程。
14.异双亲：（很多食肉动物、啮齿动物和大约300种鸟类中）参与抚育幼小动物的非双亲成年动物叫异双亲或帮手。
15.种群（population）：居住在某特定区域单个物种的一群个体。
16.基因频率（gene frequecy）：指基因组中某特定位点的等位基因数量占种群中该位点全部等位基因总数的比率，也就是该等位基因在种群中出现的概率。
17.基因型频率（genotype frequency）：指某基因位点特定基因型占种群中该位点全部基因型的比率，也就是该位点特定基因型在种群中出现的概率。
分子生态学复习资料汇总
分子生态学名词解释等位酶：（Allozyme）同一基因位点的不同等位基因所编码的一种酶的不同形式。
突变：Genic mutation：基因突交是指基因组DNA分子发生的突然的、可遗传的变异现象。
从分子水平上看，基因突变是指基因在结构上发生碱基对组成或排列顺序的改变。
替换：即一种核苷酸被另一种核苷酸所取代。
•碱基替换有两种类型：转换是发生在嘌呤之间(A和G)或密啶之间(C和T）的变换;颠换则指嘌呤和嘧啶的变换。
•转换比颠换更频繁。
PCR：（聚合酶链式反应）在生物体外，利用一小段DNA作为模板，在DNA聚合酶的作用下，将材料dNTPs复制成跟模板互补的DNA链。
PCR每个循环可分为三步：DNA变性、引物退火、新合成序列的延伸。
单亲遗传( uniparental inheritance):基因和遗传因子仅遗传自一个亲本。
该术语最常用于描述线粒体和质体基因组的遗传（包括叶绿体基因组cpDNA）,以及有性繁殖生物中一些性染色体的遗传。
双亲遗传( biparental inheritance):基因与遗传因子遗传自两个亲本;仅适用于有性繁殖生物。
共显性标记：( co-dominant markers)可以区分杂合子与纯合子的分子标记。
显性标记:( dominant markers)难以区分纯合与杂合个体的分子标记。
限制性片段长度多态性（RFLP）：一种显性分子标记技术,用一种或多种限制性内切酶,对整个基因组或预选的DNA片段进行消化,从而生成多条DNA 片段。
所获得的带型取决于相应的DNA序列的变异水平,因为每一个体中DNA序列的变异会影响限制性酶切位点的数量。
单核苷酸多态：( single nucleotide polymorphism, SNP )由单核苷酸替换所导致的两条DNA序列间的一个变异。
微卫星(microsatellite)：一种DNA片段，由短的串联序列组成,通常以不超过5个碱基对的单元重复多次，如:在(AG)，代表的微卫星片段中,序列AG重复了10 次。
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3章分子生态学概述
第3章 分子生态学概述分子生态学是90年代初新兴的一门生态学学科分支，它一经产生就引起了人们的广泛重视。
不同的学者从各自的研究背景出发，对分子生态学的概念有着不同的理解。
Burke等（1992）和 Smith等（1993）分别在《分子生态学》（《Molecular Ecology》）的创刊号和第二期首卷的社论中解释了分子生态学的概念。
这个概念注重动植物和微生物（包括重组生物体）的个体或群体与环境的关系，认为分子生态学是分子生物学与生态学有机结合的一个很好的界面。
它利用分子生物学手段来研究生态学或种群生物学的方方面面，阐明自然种群和引进种群与环境之间的联系，评价重组生物体释放对环境的影响。
向近敏等（1996）则将分子生态学与宏观生态学和微观生态学对应起来，认为分子生态学是研究细胞内的生物活性分子，特别是核酸分子与其分子环境关系的。
这个概念强调有生命形式的细胞内寄生物（如分子形式的病毒等）及其有生物学活性的细胞和分子与其相关细胞之间的各种活性分子，直至分子网络相互作用的生理平衡态和病理失调态的分子机制，从而提出促进生理平衡和防止病理失调的措施和方法。
由于本章作者的生物学专业背景，所以只能从一般意义的生物与环境之间的联系上对分子生态学作一肤浅的介绍。
Burke等（1992）的结论说明了 《Molecular Ecology》中所发表文章的范围：①分子群体生物学，包括群体和进化遗传学、行为生态学和保护生物学；②分子环境遗传学，包括种群生态学及基因流、重组生物体环境释放的生态学方面和自然环境中的遗传交换；③分子适应，包括遗传分化及生理适应、环境对基因表达的影响，以及一些方法和技术等。
如果从一般意义上的生物与环境的关系来理解分子生态学的话，上述几个方面可以作为分子生态学的主要研究内容来理解。
当然，分子生态学的研究内容不仅仅限于此，正如 Smith等在 《Molecular Ecology》第二期首卷的社论中所指出的那样：分子生态学不是简单的分子技术在生态学问题中的应用，而是代表着一个新兴的学科，具有着生态学和分子生物学相互交叉的强大活力。
大学课程生态学-分子生态学课件
聚丙烯酰胺凝胶）内制造一个pH梯度，电泳时每种蛋白质就 将迁移到等于其等电点（pI）的pH处（此时此蛋白质不再带 有净的正或负电荷），形成一个很窄的区带
双向电泳（two-dimensional electrophoresis）
第二节 分子生态学起源、理论
一、分子生态学起源
• 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。
• 1960s—— 分子进化的中性理论的提出(Kimura 1968)和限制性内切酶的发现 （Linn & Arber 1968) 为限制性内切酶长度多态性（RFLP）分析提供了工具
• 1970s—— DNA转膜杂交（ Southern 1975); 线粒体DNA遗传变异性的发现 （Brown & Vinograd 1974); DNA测序（Sanger et al. 1977); DNA克隆技术 （Maniatis et al. 1978)
• 1980s—— PCR、 热稳定DNA聚合酶（Saiki et al. 1985,1988). • 1992s—— The Journal of “Molecular Ecology” .
—— 是等电聚焦电泳和SDS-PAGE的组合，即先进行 等电聚焦电泳（按照PH分离），然后再进行SDS-PAGE （按照分子大小），经染色得到的电泳图是个二维分布的 蛋白质图。
• 2. 分子进化的中性理论（neutral theory of molecular evolution) • （1）
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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。
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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.
• 4 贝斯法：检验观测数据与理论假设的偏离是 否大到否定假设的程度，或者现有数据是否足 以支持作出有关结论（Shoemaker et al. 1998).
• 1960s: 分子进化的中性理论的提出(Kimura 1968)和限 制性内切酶的发现（Linn & Arber 1968) 为限制性内切 酶长度多态性（RFLP）分析提供了工具。
• 1970s: DNA转膜杂交（ Southern 1975); 线粒体DNA遗 传变异性的发现（Brown & Vinograd 1974); DNA测序 （Sanger et al. 1977); DNA克隆技术（Maniatis et al. 1978)
• 1、 理论核心：分子水平上的绝大多数突变是选 择上中性的，因而他们在进化中的命运是随机漂 变的，而不是由自然选择决定的。
• 2 、中性理论对种内遗传变异的解释：分子水平 上的绝大部分种内遗传变异（即遗传多态现象） 是选择上中型的，突变速率和遗传漂变速率决定 遗传多态性的变化速率。
• 中性突变与自然选择的辨证统一：少量突变的非 中性。
六 分子系统发生分析
• 1 距离法 依据每对单元间的进化距离建立进化树；
• 2 简约法 最大简约法：对于分子数据，该方法计算在
最少的碱基替换条件下能够解释整个进化过程 的拓扑结构（系统进化树）。
• 3 最大似然法： 对观察数据符合每种拓扑结构 的可能性进行最大化计算，可能性最大的拓扑 结构被选为终解进化树。
内容
• 1 分子生态学的产生与发展 • 2 分子生态学的理论基础 • 3 分子生态学的研究方法 • 4 前沿进展举例
2-1:分子生态学的产生与发展
一、分子生态学与生命科学
• 生态系统的三个层次：
以个体为基础的宏观生态系统
以细胞为基础的微生态学统
以核酸分子和其他生物活性分子为基础的分子生态 系统
分子生态学（Burk, 1994)：~是分子生物学与生态学融 合而成的新的生物学分枝学科。而不仅只是应用分 子生物学技术研究生态学问题。
• 中性理论在分子生态中的应用：排除假设的基础。 种群遗传进化：选择、突变、随机遗传漂变、迁 移、自然灾害、社会结构等。
二、Hardy-Weinberg principle
• 内涵：在满足下列假设的条件下，生物 种群的等位基因频率和基因型频率保持 不变（1）有性繁殖并随机交配；（2） 等位基因在雌雄两性中随机交配；（3） 种群足够大；（4）世代不重叠；（5） 没有自然选择、突变和迁移。
向近敏等（2000）：~应当是研究生物活性分子在其 显示与生命关联的活动中所牵连到的分子环境问题。 其定义有两层含义：1、运用现代分子生物学技术研 究传统生态学问题；2、生物活性分子表现其生命活 动时的分子生态条件的规律性。
分子生态学 分子生物学
生理学 细胞学
生态学
10-9
10-6
10-3
1 103
• 1980s: PCR; 热稳定DNA聚合酶（Saiki et al. 1985,1988).
• 1992: The Journal of “Molecular Ecology” .
2-2:分子生态学的理论基础
• 一 分子进化的中性理论（neutral theory of molecular evolution):
• 分子生态意义：作为基本判别假设和理 论基础。
三 种群分化是生物进化的必要途径
• 1、种群分化的结果： • 新种形成 • 种群的杂合度降低 • 2、Wright’s F统计方法，
• F近似地代表等位基因被固定的可能性，又称固定系数。
• 亚种群相对于整个种群的近交系数：FST= (HT-HS)/HT • 个体相对于所属亚种群的近交系数： FIS= (HS-HI)/HS • 个体相对于整个种群的近交系数： FIT= (HT-HI)/HT • HI ,HS ,HT 分别表示个体、亚种群和种群的平均
五 朔祖理论（Coalecent theory)
• Hudson(1990):
朔
祖
演
过
化
程
分
支
过
程 假定种群在个世代保持数目恒定，即每个等位基因有N
个拷贝，则种群中任一对基因a在t时代以前的概率为：
p=(1-1/N)t-1/N 单倍体朔祖时间N ，二倍体为 2N
六 分子系统发生分析
• 分子系统发生（异中求同）分析的基本 原则： （1）分子标记的中性原则； （2）进化速率恒定原则，符合“分子 钟”假设； （3）分子标记在研究类群中直向同源 （4）分子标记具有适当的遗传变异度