分子适应及变异

攻读博士、硕士学位研究生试卷（作业）封面（2012至2013学年度第二学期）题目分子适应及变异科目分子生态学姓名张宏涛专业植物学入学年月2012年9月简短评语成绩：授课教师签字：分子及适应变异张宏涛（西北师范大学生命科学学院，甘肃兰州730070）摘要：分子标记中性中性的假设作为大多数分子生态学的重要论据。标记与适应性变异之间的的相关性非常微弱，适应性的分子检测主要集中在特殊基因如MHC，中性标记和形态学特征检测种群分化时，两种结果往往不同，DNA微阵列技术可同时检测多个个体的成千上万个基因的变化，从而为适应性变异研究提供了有力的手段。关键词：分子标记；适应变异；中性标记Abstract:Molecularmarkersofneutralneutralhypothesisasthemostimportantargumentofmolecularecology.Thecorrelationbetweentagandadaptivemutationisveryweak,adaptivemainlyconcentratedinspecialgenessuchasMHCmoleculedetection,medium-sizedmarkersandmorphologicalexaminationpopulationdifferentiation,tworesultsareoftendifferent,DNAmicroarraytechnologiescandetectmultipleindividualtensofthousandsofgenesatthesametime,thusprovidesapowerfulmeansfortheresearchofadaptivemutation.Keywords:Molecularmarkers;adaptivemutation;Neutraltags适应性变异对种群的长期生存能力能起到至关重要的作用，因而它成为了生态学研究的重点内容,分子生态学主要是建立在中性遗传标记的发展和应用的基础上。在分子生态学研究的很多方面此方法已经得到了广泛的应用，同样在生物的适应性变异方面也取得了进展。对于生物分子水平的环境适应机理存在着激烈争论，主要的分歧在于自然选择理论与中性理论对此的解释上。大家的争论聚集在：中性突变是分子水平进化的唯一原因，那么自然选择发挥主要作用的适应性进化是否存在于分子水平上呢？其研究结果趋于两种理论：自然选择理论和中性理论。自然选择是生物进化的动力，最终结果是对环境更为适应的生物个体被保留了下来。简单的说就是，适者生存，优胜劣汰。中性理论是1968年木村资生提出了分子进化的“中性学说”，全称是“中性突变漂移假说”。他认为：①分子水平上的大多数突变是中性或近中性的，自然选择对它们不起作用；②这些突变全靠一代又一代的随机漂变而被保存或趋于消失，从而形成分子水平上的进化性变化或种内变异。中性分子标记是否不受自然选择作用，它们真的“中性”吗？中性标记的变化是否能够反映在选择作用下位点的适应变化？1.中性标记并非真的中性在许多例子中，特别是在基于等位酶的研究中，等位酶位点常表现出处在选择作用下的明显特点。等位酶指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（Prakashetal.1969），是一种常用的中性标记。但有些情况下，等位酶并非中性的，生活于不同环境下的野生种群中表现出明显的选择性。粗糙玉蜀螺（Littorinasaxatilis）是一种小海洋螺，它的幼虫不会游泳，而成虫扩散能力低。Aviseetal研究发现生活在高潮带与生活在较低区域的种群的Aat（天冬氨酸转氨酶）位点的等位基因频率随潮带的不同而急剧变化，但与形态差异相关性较弱。原先碎浪带的螺群（60%）含Aat等位基因100，而溅击带（90%）的螺群含Aat等位基因120。1988年碎浪带的螺群全部被灭杀，这为我们的研究提供了一次天然的绝妙机会。后来，溅击带的螺被移入碎浪带。到1990年，在碎浪带的螺群中Aat等位基因120频率下降到了80%以下，在接下来的两年里下降至40%，与受毒害以前频率相当。而在溅击带没有被移入低潮带的螺群里，此频率没有变化。后来，溅击带的螺被移入碎浪带。到1990年，在碎浪带的螺群中Aat等位基因120频率下降到了80%以下，在接下来的两年里下降至40%，与受毒害以前频率相当。而在溅击带没有被移入低潮带的螺群里，此频率没有变化。作者推断这个位点本身是处在某种选择作用之下。然而仍不清楚为什么不同的Aat等位基因会表现出如此大的适合度效应。中性理论的偏离不仅仅限于等位酶标记中，也存在于核DNA及线粒体DNA中。即使不受选择作用的位点也可能与受选择的位点相邻（比如在同一染色体上），这类连锁作用即称为搭乘效应。人们在分子标记分析遗传多样性成为可能的同时，就试图将这种物种的中性遗传多样性（常常为平均杂合度）和物种的重要的适合度性状联系起来。事实上，最近在对同一植物更广泛的种群研究中用54个RAPD位点推断出了4个隔离环境中任何位点和适合度特征之间都没有明显的关联（Volisetal.,2001）大多数有关中型标记杂合度与物种适合度的研究都采用了等位酶标记，是由于等位酶标记的应用时间较长，但结果却不是很理想。从总体上看，当存在杂合度与适合度之间的相关性时，通常也是非常微弱的。出现有较高相关性的结果，可能由于有些标记本身就在选择作用下，或者是存在搭乘效应。当用等位酶标记方法的数据进行杂合度与适合度的相关性计算时，发现大多数的相关性只能达到适合度变异总量的10—15%，这就意味着需要大量的样品数去补充其不足，提高其精度，这就大大超出了技术上的可操作性。2.杂合性与适合度人们几乎在分子标记分析遗传多样性成为可能的同时就试图将这种多样性与适合度性状联系起来。标记位点变异与物种的适合度之间是否存在相关性已经被大量研究。Wright&Guttman树蛙实验(1995)，从春天到夏天每隔两周在池塘中采集了总共514只树蛙的幼体，并用其个体体重作为初始生长率的指标，分析了7个等位酶位点上的变异，结果发现在重量（假设的适合度指标）和所有等位酶位点杂合度之间未检测到相关性。Hitching&Beebee欧洲蟾蜍实验（1998），从12个种群大小和隔离程度不同的蟾蜍群里取出100个幼体，在实验室条件下比较了幼体的生长、发育变态和存活率。然后将这些指标与从100个幼体中选出的21个个体的27个等位酶位点进行对比分析发现，此案例中的多态性位点比例与幼体存活率之间有明显正相关，而与发育变态之间有明显负相关。总体上来看，当存在杂合度和适合度之间的相关性时，通常也是微弱的。DNA标记，如微卫星，通常具有丰富的多态性，已开发应用到适合度相关的研究当中。值得一提的是，通常在此研究中用采用多个位点的平均d2来度量多态性，而不是杂合度（D=1-∑xi2）。在苏格兰Rum小岛上的马鹿，用9个微卫星标记得到的平均d2来估算在1982-1995年间出生的574头幼鹿在第一个冬天的存活率。结果表明，雌性的存活率与之成正比，而雄性的相反。研究结果表明，标记位点上的杂合度和物种适合度之间的相关性很弱。这是由于除了存在高度近交情况之外，个体的标记位点并不能代表整个种群基因组的杂合度。但是多个位点的多样性变异（比如平均d2）却与适合度相关。相关性并非人们一直以来想象的那么强，当中型标记与适应变化同时作为种群分化的指标时，常常出现不同的结果。3.用于研究适应变化的分子方法在自然种群中，有助于提高影响适合度的因素虽然有很强的进化意义，但却仅是适应变异的部分原因。Read和Frankham（2001）汇总了71个独立的数据组来分析这个问题。结论却是相关性要么很弱，要么完全不存在。在中性和适应变异的比较中，后者更可能是与适合度及种群的生存能力相关的最重要因素。当中性标记与适应变化作为种群分的指标时，两种测定方法不会总是给出相同的结果。这些结果暗示，除了直接找到观察数量性状位点的办法外，没有其他办法。3.1特殊位点上的变异检测适应性变化的一种方法是，集中在那些已知有多态性、功能上重要的基因群中寻找。在脊椎动物中，MHC（主要组织相容性复合体）位点是理想的候选者（EdwardsandHedrick,1998）。有三类主要的MHC蛋白，其中，Ⅱ类蛋白PBR（肽结合区）序列的多态性，才能识别不同病原体的肽片段，证明其是非中性的。MHC的Ⅱ类位点作为适应变异的指示标记，其价值在大西洋鲑鱼的病原性研究中得到了体现（Langeforsetal.,2001）。3.2基因作图表现适应变异位点研究的一种方法，即用分子标记追踪变异中变化的未知基因。中性标记与目标基因的共分离的强度（即连锁不平衡的程度）对应它们之间的相对距离。许多较新的标记，包括RAPD位点和微卫星都很适合此类研究。分子标记一个富与想象的用途是追踪参与唐松和他们对松泡绣病易感性的目标基因（Deveyetal.,1995）。研究显示，唐松特别易于受到攻击，并造成大量树木死亡。然而，在证实由单一显性基因操控的对此传染病的抗性后，却不能直接定位和坚定这个基因，其部分原因是林木的育种实验由于需要大的基因组尺寸造成了作图和克隆上的困难。成熟的分子生物学和基因作图并不受限于便利的模式植物，也应用于许多不同物种的自然种群中。3.3数量性状分析大多数在个体间变化的性状是多个而不是单个位点作用的结果，这确实是与适合度相关的值得注意的特征。如在小鼠中，至少有650个基因对生长会有某些表型上的影响（CorvaandMedrano,2001）。连续变异性状，例如，猪的日增重、乳牛的产乳量、鸡的产蛋量、绵羊的产毛量等等，都属于数量性状。非连续变异性状（阈性状）如抗病力。大多数性状的变化不是由单一而是由多个位点共同作用的，这为相关研究带来了困难。但是由于DNA微阵列技术的发展，为此类研究提供了更多的机打开了新的局面。3.4基因组学与适应性变异的研究DNA微阵列技术（microarray）指在固体表面（玻璃片或尼龙膜）上固定成千上万DNA克隆片段，人工合成的寡核苷酸片段，用荧光或其他标记的mRNA、cDNA或基因组DNA探针进行杂交，从而同时快速检测多个基因表达状况或发现新基因。也可用于快速检测DNA序列突变，绘制SNP遗传连锁图等。是一种进行DNA序列分析的一种新技术。由于利用这项技术可以同时对几个个体的上千个基因变异进行分析，所以它成为了鉴别与数量性状关联的基因的一种有效方法。1.Prakash,s.,R.C.LewontinandJ.L.Hubby.Amolecularapproachtothestudyofgenicheterozygosityinnaturalpopulations.Patternsofgenicvariationincentral,marginalandisolatedpopualtionsofDrosophilapseudoobscura.Genetics61:841-858.2.Avise,J.C.,Laerm,J.Patton,J.C.,etal.MitochondrialDNAclonesandmatriarchalphylogenywithinandamonggeographicpopulationsofthepocketgopher,Geomyspinetis.Proc.Natl.Acad.Aci.USA76:6694-98.3.Volis,etal.TestsforadaptiveRAPDvariationinpopulationgeneticstrctureofwildbarley,HordeumspontaneumKoch[J].BiologicalJournaloftheLinneanSociety(2001),74:289–303.4.Shai-Matsuzaki-Huang（SMH）.viralgeneexpression[J].JournalofGeneralVirology,1998