遗传多样性及其保护SWL

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1、1,2018/9/1,第四章 遗传多样性及其保护,2/67,2018/9/1,第四章 遗传多样性及其保护,内容提要 遗传多样性是种上水平各类多样性来源的重要基础，也是保护生物学研究的核心内容和热点问题，遗传多样性的保护是目前保护生物学的主要任务。本章就遗传多样性的概念、表现形式，各水平遗传多样性的来源和检测方法，遗传多样性的研究意义进行了论述。 通常包括遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性三个组成部分。,3/67,2018/9/1,遗传多样性是物种多样性和生态系统多样性的前提和条件。 一方面，任何一个物种都具有其独特的基因库和遗传组织形式，物种的多样性也就显示了遗传多样性； 另一方面，物种是

2、构成生物群落进而组成生态系统的基本单元，生态系统的多样性离不开物种的多样性，也就离不开物种所具有的遗传多样性。 对生物遗传多样性的研究具有重要的理论和实际意义，它不仅在于可揭示物种的起源与进化历史，为动植物的分类、进化研究提供有力的证据，而且可为保护区规划、遗传资源的保存及动植物的育种和遗传改良等工作提供理论依据。,4/67,2018/9/1,第一节 遗传多样性的概念及研究意义,一 、遗传多样性的概念 广义-地球上生物所携带的各种遗传信息的总和。通常谈及生态系统多样性或物种多样性时也就包含了各自的遗传多样性。 狭义-生物种内基因的变化，包括种内显著不同的种群之间以及同一种群内的遗传变异（世界资

3、源研究所，1992）,5/67,2018/9/1,遗传多样性的含义: 遗传多样性是指生物种内的遗传变异； 遗传多样性是指种内可遗传的变异； 遗传多样性的本质是生物体在遗传物质上的变异，即编码遗传信息的核酸（DNA或RNA）在组成和结构上的变异； 遗传多样性的表现是多层次的。遗传多样性是生物适应环境能力的体现, 是生命进化和物种分化的基础。,6/67,2018/9/1,二、遗传多样性的表现形式,不同亚种的狗,不同基因的玉米,7/67,2018/9/1,遗传多样性可以表现在：,1 表型水平上的个体外部形态上的差异 如豌豆种皮的颜色、鸡冠的形状、人类的肤色等。 表型多样性是遗传多样性与环境多样性的综

4、合体现，种群在其分布区内各种环境下的表型变异，是生物多样性与生物系统学的重要研究内容。,8/67,2018/9/1,图 鸟喙在适应辐射中形成的多样性,9/67,2018/9/1,图 热带雨林树木根系统的适应与干旱环境的根系统不同,10/67,2018/9/1,遗传多样性可以表现在：,2 表现在细胞水平上的染色体倍性、数目、核型及带型的差异 如多倍体、单体、三体等。,11/67,2018/9/1,遗传多样性可以表现在：,3 生理、生化水平上 如光合作用的途径和强弱、酶活性的高低以及等位酶谱带的差异。 4 分子水平上的DNA序列的变化 任何物种都具有的基因库和遗传变异，而分子水平的多样性是生命多样

5、性的根本。基因多样性与其编码的蛋白质多样性，是分子水平多样性的主要体现，遗传变异是维持分子水平多样性的机制。注： 1.遗传多样性通过对上述各层次的生物性状的影响，导致生物体的不同适应性，进而影响生物的分布和演化。 2.许多遗传变异并不导致任何可观测到的表型上的差异。,12/67,2018/9/1,四 遗传多样性的研究意义,新的变异是遗传变化累计的结果，这些变异必须经受自然选择的筛选，一些中性突变和“有利”突变通过自然选择而保留下来。 物种的遗传变异愈丰富，对环境适应性就愈广，也就是说群体内的遗传多样性性反映了物种的进化潜力。,13/67,2018/9/1,遗传多样性研究的理论和实际意义,1.

6、可以揭示物种或种群的进化历史，也能为进一步分析其进化潜力和未来命运提供重要的资料。 2.探讨物种的濒危机制，制定科学合理的保护策略，防止近交衰退等。 了解种内遗传变异的大小、时空分布及其与环境条件的关系，是我们制定科学有效的措施来保护人类赖以生存的遗传资源 （基因），来挽救濒于灭绝的物种的重要依据。,14/67,2018/9/1,3. 种质资源的保存及取样策略,通常必须考虑的三个主要因素： 每个种群采集的个体或种子数； 取样种群的数目； 这些取样种群在该物种分布区内的分布。当我们对取样缺乏足够的知识时，通常以尽可能多取一些种群为好，取样种群的选择要根据物种的分布式样和环境异质性而定。另外，取样

7、策略还与取样的目的有关，是为了遗传多样性的保护和可持续利用，还是为了进行某一方向的研究；是考虑整个物种，还是考虑该物种在特定区域的种群之间或者是种群内的遗传多样性等。,15/67,2018/9/1,第二节 遗传多样性的来源,一、遗传多样性产生的基础 种内遗传变异的来源主要有重组、染色体畸变和突变。 新的变异可以看作是变异积累的结果，在自然选择的背景下,大量的与环境不适应和有严重缺陷的突变体被选择淘汰出群体，而那些对选择有益的突变，则由于能够增加有机体生存和繁殖的能力而被得以积累和保留。,16/67,2018/9/1,基因存在于脱氧核糖核酸,突变、畸变,杂交、重组,DNA DNA DNA DNA

8、,自然选择,种群 1DNA DNA DNA,种群2DNA DNA,种群 3DNA,17/67,2018/9/1,1. 遗传重组（genetic recombination）,重组:通过有性过程将群体中不同个体具有的变异进行重新组合，形成新的变异。 在有性生殖的生物中，由不同合子发育成的个体不可能有相同的基因型，其根本原因就在于重组。细胞减数分裂时非同源染色体的独立分配和自由组合是一种基本的重组过程。 体细胞减数分裂产生配子，配子融合导致遗传物质的重新组合。 1)一般重组：同源DNA分子之间的重组； 2)位点专一重组：发生在顺序极少同源的DNA分子间； 3)异常重组：顺序不同源的DNA分子间。,

9、18/67,2018/9/1,2.染色体畸变（chromosomal aberration）,染色体结构或者数目的改变 1）.数目的改变,19/67,2018/9/1,2）.结构的改变,20/67,2018/9/1,3.基因突变（gene mutation）,基因突变:指基因在结构上发生碱基对组成或排列顺序的改变。 基因虽然十分稳定，能在细胞分裂时精确地复制自己，但这种稳定性是相对的。在一定的条件下基因也可以从原来的存在形式突然改变成另一种新的存在形式，就是在一个位点上，突然出现了一个新基因，代替了原有基因，这个基因叫做突变基因。于是后代的表现中也就突然地出现祖先从未有的新性状。,21/67,

10、2018/9/1,为保持物种遗传的稳定性，生物体或细胞自身具有各种对DNA修复机制，因此，生物个体在正常生活环境中每个基因位点的自发突变率很低。但由于一个物种拥有许多个体，每个个体又具有许多基因位点，所以新的基因突变能在自然界不断地出现。 此外，基因流(gene flow)、杂交(hybridization)、选择(selection)和遗传漂变(genetic drift)等也会造成群体之间出现各种不同形式的分化和隔离，也是产生种内遗传变异的因素，形成种内不同的遗传变异分布格局，即特定的群体遗传结构。,22/67,2018/9/1,第三节 遗传多样性的检测方法,遗传多样性的检测最初是从形态学

11、开始的。 本世纪60年代，酶电泳技术以及循异性组织化学染色法应用于群体遗传和进化研究，使科学家们从分子水平来客观地提示遗传多样性成为可能，并极大地推动了该领域的发展（Hubby等，1996；Ayala等，1984） 进入80年代，分子生物学和分子克隆技术的发展带来了一系列更为直接的检测遗传多样性的方法，即直接测定遗传物质本身DNA序列的变异（Hillis等，1990；Avise，1994）。,23/67,2018/9/1,检测遗传多样性的方法随生物学，尤其是遗传学和分子生物学的发展而不断提高和完善，从形态学水平、细胞学（染色体）水平、生理生化水平逐渐发展到分子水平。 研究者针对遗传多样性的四种

12、不同表现形式，发展了： 形态标记； 细胞学标记； 生理、生化标记； DNA分子标记的遗传多样性检测技术。 从不同角度和层次来揭示物种的遗传变异。,24/67,2018/9/1,人们对遗传多样性的检测最初是从形态学开始的。 表型性状的变异通常是由物种的遗传起源、自然选择压力和人工选育目的不同形成的。 对形态性状变异的度量、描述和分析可以分为以下几个步骤： 1 性状的选择；2 确定性状变异的遗传基础；3 遗传变异的度量和分析。,一 、形态标记,25/67,2018/9/1,1 性状的选择,性状选取是在表型水平上研究遗传变异性的第一步。 人们研究目的不同，性状选取的标准也不尽相同。 如果研究生物适应

13、和进化的机制，就要选取尽可能多的性状，尤其要重视那些具有较大进化意义的性状，如生活史性状（出生、死亡等）。 而针对那些具有重要经济价值的动植物类群来说，人们更关心的是与国民经济密切相关的经济性状，如猪的产仔数、牛的产乳量、作物的产量及抗性等等。,26/67,2018/9/1,2 确定性状变异的遗传基础,27/67,2018/9/1,3 遗传变异的度量和分析,对于选定的性状，通常采用长度、高度、角度、重量以及配合解剖镜、显微镜对一些细微结构的观测，取得性状在个体和群体间的变异数据。结合多元统计分析方法，揭示出这些性状受遗传控制的大小，进而估计群体遗传变异的大小和遗传结构。,28/67,2018/

14、9/1,由于天然群体中单基因控制的性状很少，我们目前能够准确分析的基因位点数量还不多。所以，仅凭形态学资料我们还很难全面、准确的估计生物的遗传变异性，这也是利用形态学性状研究遗传多样性中存在的缺陷。,关键：,表型性状差异,基因型差异,表型形状,符合孟德尔遗传规律的单基因性状,多基因决定的数量性状,29/67,2018/9/1,30/67,2018/9/1,染色体变异,染色体数目（整倍或非整倍性）,染色体结构（倒位、缺失、重复、易位）,二 细胞学标记,细胞学标记：是指利用生物体核型和带型的差异，确定物种遗传变异的类型及分布（又称染色体标记）。用于检测染色体的数目和结构的变异。 染色体是遗传物质的

15、载体，是基因的携带者，染色体变异必然导致遗传变异的发生，是生物遗传变异的重要来源。 核型分析:对核型的各种特征进行定量和定性的描述。 核型（Karyotype）：体细胞染色体在光学显微镜下所有可测定的表型特征的总称。,31/67,2018/9/1,1.染色体数目的变异,染色体数目异常的主要原因在于生殖细胞分裂过程中出现了染色体的行为异常。,32/67,2018/9/1,植物中一些典型的种内染色体数目变异,物种 染色体数目变异,Artemisia douglasiana 18 34 54 Fraxinus chinensis 46 92 138 Najas guadalupensis 12 36 42 48 54 60 Sedum wrightii 24 48 72 96,非整倍性变异,Cardamine pratensis 16 24 28 30 32 3840 42 56 60 64 73 Charenactis douglasii 12 13 14 15 18 2425 26 27 28 36 38 Ottelia alismoides 22 28 38 40 42 4450 52 55 56 60 64,