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。
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。
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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.
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。
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）
分子生态学名词解释
一、翻译并解释名词：(10x4分)1.allele 等位基因一个位点的序列变异。
2.Effective population size (Ne) 有效种群大小在一个具有相等性比、随机交配的理想种群中表现出与特定统计（全部成体数目）规模相对应的真实的种群杂合性随时间丧失的速率相同的个体数。
3.F-statistics F 统计检验用于评估个体间、亚种群间和整个种群间杂合性的分布的统计方法，被广泛应用于定量亚种群的遗传分化。
4.Genetic load 遗传负荷相对于理论最佳值来说降低了的基因型适合度。
5.Hardy-Weiberg equilibrium哈温平衡当所有等位基因频率是已知的时候，在一个大的随机交配种群中的纯合子和杂合子的预期比例。
假设没有迁移、突变或选择作用，哈温平衡定律则认为等位基因频率从一个世代到下一个世代应该保持不变。
6.Bottleneck effect瓶颈效应种群的规模大为缩小，随后常常有一个（种群的）恢复。
7.Selection sweep选择扫荡。
课件：Occurrence of a beneficial mutation，Only individuals carrying the mutation reproduce，‘Population bottleneck’，Mainly affects linked loci。
8.IAM 无限等位基因模型其中突变不是以可预料的方式一个接一个发生，而大多数突变是像产生SNP（单核苷酸多态性）那样出现的。
9.Linkage disequilibrium (LD) 连锁不平衡。
术语表：Linkage equilibrium 连锁平衡：由重组促成的情形，其中遗传位点在繁殖期相互独立分离。
当两个位点上的等位基因一起分离时，如他们在同一个染色体上的物理位置太接近时，则发生不平衡。
百度：连锁平衡：HLA 不同基因座位的各等位基因在人群中以一定的频率出现。
分子生态学简介
分子生态学简介一、概念：分子生态学的诞生是以1992年的《Molecular Ecology》创刊为标志的，目前较为一致的看法是：分子生态学是应用分子生物学的原理和方法来研究生命系统与环境系统相互作用的机理及其分子机制的学，它是生态学与分子生物学相互渗透而形成的一门新兴交叉学科，其特点是强调生态学研究中宏观与微观的紧密结合。
二、研究内容：1、分子种群生物学（1）行为生态学亲缘关系与亲本分析（2）保护生物学进化遗传学、保育遗传学（3）种群遗传学。
2、分子适应研究各种内部外部因素对于基因表达的影响。
3、分子生态学技术发明新方法。
4、分子环境遗传学种群生态学、基因流、重组生物释放、自然环境中的遗传交换5、遗传生态栽培学。
三、研究技术：1、等位酶技术“等位酶”(allozyme)指一定基因位点上不同的等位基因编码的酶；“同工酶”(isozyme)指通过电泳鉴定的染色功能相同的酶的不同生化形式。
等位酶是同工酶的一种特殊形式，有时也叫等位同工酶。
采用蛋白质电泳获得多位点等位酶的谱图是分子生态学研究中最有价值的资料之一。
“等位酶”分析技术基本成熟，它的基本要求是按个体提取具有活性的酶，然后电泳、染色。
为正确解释等位酶带谱，通常要了解每一种等位酶变异的遗传基础，至少分析10~20个独立分离的多态性位点，才能达到统计的可信度。
等位酶技术操作相对简单，花费少，统计方法标准，并且有大量的前人资料可以借鉴，但对于一些狭域分布的地方种群，往往缺乏多态性的位点，无法进行等位酶分析。
分析时一定要保持酶的活性，这也是该技术局限性所在。
2、基因指纹(DNAfingerprint)随着分子生物学技术的迅速发展，DNA分析技术成为生态学家探讨种群遗传变异的必然选择。
DNA相对于等位酶而言，具有更丰富的变异，甚至能够提供区分个体的特异性“指纹”(fingerprint)，同时试验材料易于获得，从化石到活体材料都可以用，且所需材料微少。
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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”。
生物对寒冷的分子水平适应
• 冷休克蛋白与抗冻蛋白:寒冷环境诱导原核生物产 生冷休克蛋白,保护生物不受伤害.诱导昆虫和植物 产生抗冻蛋白,使细胞不产生结晶,保护细胞不受伤 害.
• 膜磷脂的抗冷性:膜磷脂成分的变化可以有效抵抗 低温环境对生物的伤害.增加磷脂的不饱和脂肪酸 比例可以增加膜的流动性,脂肪去饱和酶起重要作 用,低温只是诱导该酶产量增加活性增强.
• 是新兴学科,上个世纪末才作为独立学科被认
可,1992年分子生态学杂志创刊.群体遗传学,生态 遗传学,进化遗传学这三个学科的发展为分子生态 学的建立奠定了基础.
主要依靠的分子生物学技术
• 同工酶电泳技术 • 限制性片段长度多态性分析技术 • 小卫星DNA指纹技术 • 随机扩增多态性DNA技术 • 微卫星DNA分析技术 • DNA序列分析技术
小哺乳动物适应低氧环境的 分子机制
• 低海拔地区的小哺乳动物在模拟高原环境 低氧时,可以诱导出许多低氧靶性基因的高 度表达,进而导致由它们编码的功能蛋白表 型的高度表达.这些蛋白具有血管增生、促 进红细胞生成、加强葡萄糖转运等功能,从 而增强对氧的运输能力和葡萄糖的供给能 力..
种群遗传多样性分析
区带遵循简单的孟德尔遗传方式。后代图
中的每一条带都可以在双亲之一的图中找 到，只有0.004的可能性，使子女中的一条 带不能在其父母中的图中找到(基因自发突 变的结果)。同一个体无病变的不同组织产 生的DNA指纹图完全相同，并能在培养的
细胞株中维持下去。需要说明的是，同卵 双胞胎的DNA指纹图完全相同。
DNA指纹的特点
1.多位点性: 高分辨率的DNA指纹图通常由 15～30 条带组成，看上去就像挂号信上的 条码签一样。DNA指纹区中的绝大多数区 带是独立遗传的。因此，一个DNA指纹探 针能同时检测基因组中数十个位点的变异 性。
2.简单的遗传方式: DNA指纹图中的区带是可 以遗传的，这不同于人的指纹。DNA指纹
• 由于环境在随时变化,种群也要保持丰富的 多样性才能适应这些变化,多样性低的种群 容易发生近交而降低个体和种群的适合度.
• 遗传多样性评估多以种群的基因频率或基 因型频率为基础,所选择的基因座位通常假 定是选择中性的(依据中村假说).
种群的遗传分化
• 组成生物种的各个种群的分化是生物进化的必要 途径.
酯酶同工酶扫描图谱
同工酶电泳技术的局限性
• 因为同工酶是基因表达的产物,受到生物在发育过 程中基因表达的时序控制,所以同一生物在不同发 育期可能表现出不同的同工酶酶谱,同种酶在同一 动物不同组织内的表达也可能不同,因此在研究中 要特别强调所取样本的一致性.
• 只能反映一小部分功能基因(外显子)的情况,而对 大部分功能基因和大量非功能基因无法表现,在比 较种群内或种群间遗传变异时往往多态性较低.
• 现在该方法已经有了明显改进 (扩增限制性 片段长度多态性分析技术).
扩增限制性片段长度多态性 分析技术(AFLP)
• 是PCR技术与限制性片段长度多态性分析 技术的结合,兼具前者的高效性与后者的可 靠性.其缺点仍然是烦琐与放射线标记,目前 也有各种改进办法来改进其缺点,(生物素标 记,酶联免疫方法显色或使用发光底物提高 灵敏度).
• 因为限制性内切酶识别专一的碱基序列,因此DNA 序列的变异会导致酶切位点的消失或增加,使限制 性片段的长度发生变化,从而显示多样性.
限制性片段长度多态性分析技术的 局限性
• 需要大量的实验材料来提取DNA,方能满足 酶切后得到明显谱带的要求.
• 探针用放射性同位素标记有危害,操作烦 琐,DNA多态性检出的灵敏度不高.
DNA指纹技术的应用
• 在刑事案件中的应用 • 在亲子鉴定中的应用 • 空难事故受难者残骸鉴定 • 人种、性别鉴定和人、兽的区分鉴定 • 鉴别双胞胎是异卵双生还是同卵双生
• 操作复杂,应用受限,逐渐被以PCR技术为基 础的分子标记分析技术所取代(随机扩增多 态性DNA技术).
微卫星DNA
• 微50～100bp，又称 为短串联重复序列。广泛分布于基因组中。 其中 富含A-T碱基对。
3.高度变异性: 不同的个体或群体有不同的 DNA指纹图。一般选用任何一种识别四个 碱基的内切酶，这种变异性就能表现出来。 英国遗传学家杰弗里斯对白种人研究表明， 两个随机个体具有完全相同的DNA指纹图 的概率，为三千亿分之一(即3×10-11)。两 个同胞个体具有相同图谱的概率也仅仅为 二百万分之一(即2×10-6)。
• 由于微卫星具有数量多、在基因组内分布均匀、 多态性信息丰富、易于检测等优点被作为优良的 遗传标记而得到广泛应用。
• 由于其突变率很高,不适合用来分析相对久远的进 化事件.
随机扩增多态性DNA技术
(RAPD)
• 是基于PCR技术的分子标记分析技术.
• 用一系列不同的单个人工合成的随机排列 碱基序列寡核苷酸单链(一般10bp)作引物, 对所研究的基因组DNA进行单引物扩增.每 个引物扩增可得到片段大小不等的产物,通 过琼脂糖凝胶电泳分离和放射自显影或酶 反应显色可得到许多不同的条带,从中选择 出特征性条带进行分析.
• PCR技术:聚合酶链反应技术.能快速特异地扩增所希望的目标基因或 DNA片段,使微微克水平的起始物迅速达到微克水平的量,实现了可以 用很微量的DNA进行遗传分析.
小卫星DNA指纹技术
• 同工酶技术和限制性片段长度多态性分析 技术可以较好地检测种群间的遗传差异,但 其表达的多态性较低,难以用于个体识别.在 亲缘关系检测中效果不好.
• 一个种的不同亚种群之间遗传组成产生差异,即在 等位基因频率上产生差异的过程,称为种群的遗传 分化.
• 种群分化的后果是导致新亚种或新物种的形成,物 种形成是生物从量变到质变的关键点.
• 揭示物种分化的基础是了解处于不同小生境的各 个亚种群之间在遗传组成上的差异.
• 许多因素可以促进种群分化,如自然屏障引起的隔 离,距离隔离,交配制度,自然选择,突变,遗传漂变等.
概念与诞生背景
• 分子生态学:分子生物学与生态学的结合,利用分子 生物学技术研究生态学问题.因为生态学范围很广, 因此,分子生态学研究的范围也很广.
• 研究遗传多样性时空变化模式与机制,辨认物种,探 讨物种间亲缘关系,追踪物种扩散历史,了解种群内 个体间亲缘关系和近交程度等等,都属于分子生态 学研究领域.
生物对高温的分子水平适应
• 高温环境可刺激细胞合成一系列进化上高 度保守的蛋白质,称为热休克蛋白.因为缺氧、 缺血、寒冷、饥饿、创伤、感染、中毒等 也能诱导生成该类蛋白,又称应激蛋白.
• 一般认为诱导植物合成应激蛋白的最适温 度比正常生长温度高出10度左右.
植物抗干旱的分子水平适应
• 植物对干旱的抗性是多基因控制的.这些基 因可分为两类:一类是转录因子基因,调控抗 旱基因表达和信号转录,是早期表达基因.另 一类是抗旱功能基因,是晚期表达基因,如脱 水响应基因、水通道蛋白基因、渗透调节 蛋白基因等.
• 技术原理:用特定引物PCR扩增目的DNA序 列, 用不同染剂标记碱基,根据染剂发出的波 长不同,在仪器上读取碱基序列.
单核苷酸多态性分析技术(SNP)
• 单核苷酸多态性是指基因组序列中由于单 个核苷酸的替换而引起的多态性.
• 是检测点突变的分析技术. • 比序列分析简单,费用低,耗时少. • 目前还不成熟的技术,但是发展前景非常好.
• “小卫星DNA”具有高度的可变性，不同个体 彼此不同。但“小卫星DNA”中有一小段序 列则在所有个体中都一样，称为“核心序 列”。如果把核心序列串联起来作为分子 探针，与不同个体的DNA进行分子杂交， 就会呈现出各自特有的杂交图谱，它们与 人的指纹一样，具有专一性和特征性，因 人而异，因此被称作“DNA指纹”.