第五章 分子标记在保护遗传学上的应用

第五章分子标记在保护遗传学上的应用生命科学与工程学院•将遗传学的原理和方法运用于生物多样性的研究和保护形成了保护遗传学(conservationgenetics)。•保护遗传学是在对濒危物种制定正确的保护策略中应运而生的，它首先要解决的问题是确立保护单元，查明物种当前的遗传学状况(即遗传多样性水平、群体的分化程度等)，并依此决定对其实施何种保护策略。•近年来，随着染色体、等位酶(同工酶)、DNA等多种分子标记手段逐步得到广泛应用，特别是分子生物学和群体遗传学的迅猛发展，为保护遗传学研究奠定了坚实的理论和技术基础。同时，保护遗传学也得到迅速发展，尤其是在野生动物中得到较为广泛的应用，而植物的保护遗传学起步相对较晚，但近年来已取得了可喜的进展。•保护单元的确定，是保护遗传学中一个重要而关键的问题。•保护单元：①进化显著单元(evolutionarilysignificantunit，ESU)；②有效种群大小(effectivepopulationsize，EPS)；③可操作单元(operationalunit，OU)。第一节进化显著单元一、进化显著单元的定义进化显著单元是一个种群单元，该单元便于分开管理且在保护上高度优先。进化显著单元包括两方面的含义：①繁殖和过去的隔离；②适应性上的独特性。适应性差异可能是由基因流动引起的，且可能因基因流动而不断地发生变化，但繁殖隔离的种群间基因流动被抑制。因此，进化显著单元包括独立进化单元间保持繁殖隔离，且这种单元内又存在适应性变异。第一节进化显著单元ESU种群在mtDNA等位基因上是交互式单元群，且在核基因座上等位基因频率表现出显著的分离。一般来说，物种进化成功的潜力常通过适应性的多样性来维持而处于最佳状态，或通过一个种分布区内基因拷贝(genecopy)功能分离的最大多样性来保持。生态可交换性(ecologicalexchangeability)指选择条件下的生活史性状、形态、生境和数量性状（QTLs）等的遗传资料获得与分析。遗传可交换性(geneticexchangeability)指通过基因流动而产生的新的遗传变异扩散的限制因子。代表性证据可以通过SSR、mtDNA、cpDNA、nDNA和同工酶等遗传资料获得。第一节进化显著单元第一节进化显著单元二、特征明显种群的诊断在植物ESU确定时强调的是表型变异，因而可以保护有意义的适应特征，这与潜在的遗传变异相关联。这种变异可通过基因流动、遗传漂变和自然选择形成。基因流动的效果可表现在遗传可交换性上，遗传漂变和自然选择的效果可表现在生态可交换性上。可交换性可作为一种零假设(nullhypothesis)，即可交换性的虚假设将遗传、生态、现在和过去中的每一个类别均用拒绝(+)或不拒绝(-)来表示有16种可能的结果(图5—1)，而形成特征明显种群诊断和管理应用的基础。第一节进化显著单元第一节进化显著单元1．生态可交换性生态可交换性的主要观点是认为个体能在种群间移动，并能占住相同的生态位。生态可交换性起源于种群共有的基本适应性，如相近的生活史、生态需求、形态和种口变化特征。在同一生态群落中，生态上可交换的个体执行相似的功能。用于显示生态可交换性的特征应在遗传上避免复杂生态环境和遗传上的基本差异。可利用种群谱系的重叠生态资料来检验生态可交换性的虚假设，在没有谱系资料的情况下，利用标准的统计检测方法(如t－检验和主成分分析等)来分析形态差异，即可求出生态可交换性。第一节进化显著单元2．遗传可交换性如果种群间有高水平的基因流，那么来自不同种群的个体间有遗传可交换性。独特等位基因、低水平基因流或与地理屏障一致的系统发育分歧为拒绝遗传可交换性提供了标准。基因流的水平可通过以下分子标记估计出，如SSR、同工酶(等位酶)、核苷酸序列(mtDNA、nDNA和cpDNA)、AFLP、RAPD等，且不同的分子标记有不同的优缺点。求解生态和遗传可交换性的方法有三种：第一种方法是直接评价历史资料。第二种方法是使用不同的分子标记获得不同时段的信息。第三种方法是检测系统发育关系。这三种方法为建立不同的时间框架提供了可操作的标准，过去和现在的二分法必须是在特定物种和一套特定分子标记的结合下进行的。第一节进化显著单元3．采样策略种群分析的核心问题是必须有一个合适的采样策略，包括个体数目和地理覆盖面积。依据不同的采样策略，所估计的生态和遗传可交换性可能会发生戏剧性的变化。例如，当采样种群正在经历基因流时，那么狭窄的采样可能导致对特征明显种群的错误诊断。相反，如果资料是不可用的，有限的采样可能出现相反的结果，导致对可交换性虚假设的拒绝。根据重叠论(coalescenttheory)，样品大小在20～50(多样性水平由低到高)之间将能包括种群内现在单倍型的95％或更多。第一节进化显著单元三、种群的管理和恢复种群管理中的三个基本原理：第一，管理目标。是保护种群间遗传相关的自然网络，而不是仅仅保护网络内的特别明显种群。这样可确保维持适应多样性和进化潜力的过程能被保护。第二，管理措施。依据最近的干扰的强度和状态制定管理措施。恢复(分离或单个种群)应多注重在由于近期人为活动(如生境退化、传播的人为屏障和外来种的引进)将发展为分离或混合的种群上。如果隔离或混合的结果来自于自然过程，如冰河期以后环境的变化，那么不应考虑这种情况下的恢复。第三，管理建议。应建立在充足采样和适合分析的基础上。第一节进化显著单元四、进化显著单元的应用数量遗传技术被引入表型变异的研究中，使变异的遗传组成可以准确地被定义出；基于分子标记的相关资料估计种群内性状遗传组成差异的方法强调了分子遗传技术估计种群历史和关联的重要性。与此相反的是，测定适应性多样性必须分析生态上相关的遗传性状。第一节进化显著单元四、进化显著单元的应用第一节进化显著单元五、进化显著单元研究展望自ESU概念形成以来，已过去了二十多年，应当怎样定义这个概念，一直是争论的热点。关于中性遗传标记与实际中使用的别的方法相比在保护应用中应起多大作用，也正日益成为ESU标准争论的热点。第二节可操作单元评估和探讨物种地理分布上遗传的连续性，定义多个类别或改变样品网络，可以建立最佳策略来解决和保护种的遗传变异，通过定义可应用于保护程序的可操作单元(如保护区)的地理位置来实现。第二节可操作单元一、空间自相关分析的理论和方法二、空间相关图和可操作单元的定义三、应用实例四、结论第二节可操作单元一、空间自相关分析的理论和方法第二节可操作单元一、空间自相关分析的理论和方法I值在-1.0～1.0之间，分别为最大的负和正相关。地理距离可以被分为不连续的情况以创建连续的W矩阵和计算同一变量的不同I值。这样可以估计空间相关图上距离函数上空间自相关值。第二节可操作单元一、空间自相关分析的理论和方法Mantel的Z统计方法：可构建多变量相关图，以检测样品间遗传和地理距离间的相关性。Z值由下式求出：式中，Nij是样品i和j间的遗传距离；Wij是关联矩阵W的元素。Z值介于0和1.0之间，基于不同的遗传资料求解的遗传距离和相似性系数都是可用的，如RAPD、SSR、DNA杂交和来自mtDNA、cpDNA和nDNA的核苷酸系列等。因此，可通过Mantel检验构建多变量的相关图。,1nijijijZNW第二节可操作单元一、空间自相关分析的理论和方法空间自相关分析可应用于连续的或不连续分布的种群，可描述目前的遗传变异或进化过程的动力(如基因流路径等)。相关图是空间遗传变异的总结，能应用于划定空间自相关水平高低的不同地理区域。不同的相关图，可依据反映涉及的种群差异的微进化过程和历史事件种群遗传资料得到。在这些图中，相关图的截取点被定义为地理距离(x轴)，在此位置处，相关是不显著的，并可测定遗传缀块的直径(如在此距离下样品在遗传上是独立的)(图5—3)。第二节可操作单元一、空间自相关分析的理论和方法第二节可操作单元二、空间相关图和可操作单元的定义保护遗传学中对空间相关图的解释是依据遗传资料所得到的常见三种曲线，曲线的斜率和截距(箭头所示)可帮助管理者或研究者设计管理和保护策略。在图中：1、长距离渐变曲线显示的信息状态是随着地理距离的增加自相关系数不断降低，意味着遗传变异上连续的缀块(patch)或缀块存在明显的空间结构。在相关图上确定独立样的地理范围以及定义保护和管理的最小单元。第二节可操作单元二、空间相关图和可操作单元的定义可操作单元的确定应建立在与相关图中的截距相等或更大的地理距离范围上，因为如果样品位于比图离更小的位置，将有可能产生自立的或假重复现象(如单元太小，且遗传上不独立)。同时，根据大距离分隔的保护种群，在取样分析的极端空间范围内，能保证抽取到种群间遗传差异的大多数。第二节可操作单元二、空间相关图和可操作单元的定义2、稳定曲线显示的信息状态是在第一距离层次上正相关的，随后距离层次上无相关性，意味着存在遗传相似性的空间范围，在大距离层次上样品间存在高和低遗传趋异的结合（由于进化历程中常涉及随机性），可确定每个遗传变异斑块内有特定意义的保护样。在上述理论框架内，相关图中渐变和稳定曲线的截距表示需要保护的样品间的最小距离，也是评价遗传多样性最有效和低成本的取样距离。第二节可操作单元二、空间相关图和可操作单元的定义为实用目的，相关图截距可放在0处，因为它不可能检测最适宜空间范围内的自相关。通过测定FsT值，如果种群间差异是显著的，那么每个样都可作为特征明显的保护单元，因为样品分析中使用的最小地理距离比基因流动或过去趋异的近期范围更大。另一情况是，如果空间格局和差异显著性同时缺乏，一般来说，这暗示着一个随机交配种群应作为一个单独的保护单元。第二节可操作单元三、应用实例巴西中部“Cerrado”地区的一种典型果树（EugeniadysentericaD.C.）使用木材和果实。异花授粉植物，大蜜蜂是授粉者。与破碎化生境相适应的种口和生物学特性趋于在局部中间形成高水平的遗传趋异。由于农业活动的扩张和生物多样性及濒危种的高速丢失，已成为要求保护的热点地区之一。但以前并没有关于该果树的空间分布资料。按照相关图程序，DinizFilo和Telles(2002)基于8个同功酶的12个等位基因，对该果树种的10个局部种群的变异情况进行了分析。见教材121页第二节可操作单元三、应用实例由于相对的小数量种群和曲线的高度随机变异，为了实际中的应用，最适用的截距为每个距离等级I值的均值(如平均相关图曲线)(图5—5)。平均曲线显示了渐变的遗传趋异的空间结构，截距为120km。因此，小于120km距离的局部种群可进行同工酶变异的单独分析。第三节物种保护类别及其分子鉴定一、物种保护类别国际自然保护联盟(internationalunionfortheconservationofnature，IUCN)建立了以下10个保护类型：1.灭绝(extinct)物种(及其他类元，例如亚种和变种)在野外已不存在。科学家在它们曾经被发现的地点和其他可能存在的地点不懈地进行了多次搜寻，但最终未能探察到这些物种。2.野外灭绝(extinctinthewild)物种仅存在于栽培或圈养条件下，或者仅在其原来的分布区之外存在着驯化的种群。在其已知的分布区内找不到该物种。3.极危(criticallyendangered)物种在不远的将来走向灭绝的可能性极大。所包括的物种的数量已减少至某点，在该点如果现在的趋势仍旧继续的话，该物种生存的希望不大。第三节物种保护类别及其分子鉴定一、物种保护类别4.濒危(endangered)物种在不远的将来走向灭绝的可能性较大，而且可能会成为极危物种。5.易危(vulnerable)物种在中期的将来走向灭绝的可能性较大，而且可能会成为濒危物种。6.依赖保护(conservation—dependent)依赖于保护计划，物种目前并不受到灭绝的威胁。但若没有保护计划的话，该物种就会有灭绝的可能性。第三节物种保护类别及其分子鉴定一、物种保护类别7.接近受胁(nearthreatened)物种的处境接近易危物种