分子进化与系统发育分析报告
分子进化的推导与系统发育树构建研究
分子进化的推导与系统发育树构建研究分子进化的推导和系统发育树构建研究是现代生物学领域中一项重要的研究课题。
它通过分析生物体内的分子遗传信息，来推导物种间的进化关系，并进一步构建系统发育树。
本文将介绍分子进化的推导过程以及系统发育树的构建方法。
在分子进化的推导过程中，研究者通常会选择一段具有较高变异性的DNA、RNA或蛋白质序列作为研究对象。
这些序列在不同物种之间的差异反映了它们的进化关系。
首先，研究者需要对所选序列进行测序，并通过生物信息学方法对序列进行比对和分析。
比对可以揭示序列中的共有特征与差异，而分析则可以计算序列之间的相似性和进化距离。
为了推导物种之间的进化关系，研究者可以利用不同的进化模型进行分析，例如Jukes-Cantor模型、Kimura两参数模型和最大似然法等。
这些模型基于一系列假设和统计方法，可以估计序列的演化速率和进化关系。
通过计算进化距离矩阵，研究者可以建立物种之间的相似性网络图，并利用聚类算法将物种进行分类和分组。
系统发育树是推导物种间进化关系的重要工具。
它是一种图形化的表示方式，用树状结构展示不同物种之间的演化关系。
构建系统发育树的方法有多种，例如最简原则、最大拟然法和贝叶斯推断等。
最简原则是一种直观且简单的构建方法，它假设进化关系中的分支数目最少。
最大拟然法则基于最大似然估计原理，通过计算相似性矩阵的概率分布来确定最优的拓扑结构。
贝叶斯推断则是一种统计推断方法，它通过考虑先验概率和后验概率来推测系统发育树的结构。
在构建系统发育树的过程中，研究者还需要对结果进行评估和验证。
常用的评估指标包括支持率和置信度。
支持率可以评估进化树的可靠性，它通过重复计算获得统计学意义上的支持度。
而置信度则通过随机重抽样验证树的一致性和稳定性。
综上所述，分子进化的推导和系统发育树构建是研究生物进化关系的重要方法。
通过分析分子遗传信息和构建系统发育树，我们可以更好地了解不同物种之间的进化历程和亲缘关系。
分子进化与生物系统发育
分子进化与生物系统发育分子进化和生物系统发育是生物学领域的两个重要研究方向，它们通过研究分子遗传材料的演化和生物体之间的关系，揭示了生物界多样性的起源和发展。
本文将介绍分子进化和生物系统发育的基本概念、研究方法以及其在生物学研究和应用中的重要性。
一、分子进化的概念和意义分子进化是指从分子水平上研究生物种群和物种之间的遗传关系和演化过程。
它基于遗传物质的变异和传递规律，通过比较生物体内DNA、RNA和蛋白质序列的差异和相似性，推断生物种群的演化关系和进化历史。
分子进化的重要意义在于，它能够提供关于物种形成、进化速率、群体迁移和自然选择等方面的证据和解释。
通过分析不同物种之间的序列差异，可以推断它们的共同祖先、分化时间和进化关系，从而帮助我们理解种群的形成和演化过程。
二、分子进化的研究方法1. 分子演化树的构建分子演化树是表示不同物种或类群之间进化关系的图形化工具。
构建分子演化树的基本方法包括距离法、最大似然法和贝叶斯法等。
其中，距离法基于不同序列之间的差异程度构建演化树，最大似然法则通过计算出现观察到的数据的概率来估计最合理的演化树，而贝叶斯法则则通过概率模型进行演化树的推断。
2. 分子钟模型分子钟模型是一种用于估计物种分化时间的方法。
该模型假设基因的变化速率是恒定的，从而可以通过测量不同物种中特定基因的差异来推算它们的分化时间。
分子钟模型在分子进化研究中被广泛应用，为了更准确地估计物种的分化时间，研究人员通常使用多个基因进行分析。
三、生物系统发育的概念和意义生物系统发育研究的是生物界中不同物种和分类单元之间的系统关系和谱系发展。
它基于生物形态、生理和分子特征的相似性和差异性，通过构建系统发育树来揭示物种分类和多样性的起源和发展。
生物系统发育具有重要的意义，它为我们了解不同物种的亲缘关系和进化历史提供了重要线索。
通过构建系统发育树，可以揭示不同物种之间的共同祖先、演化路径和物种间的近亲关系。
此外，在进化生物学、生态学和保护生物学等应用领域，生物系统发育也为物种保护、进化机制研究等提供了理论和实证基础。
分子进化和系统发育的研究及其应用
分子进化和系统发育的研究及其应用进化是生物学的核心概念之一，分子进化是现代进化生物学的重要组成部分，而分子系统发育则是分子进化研究的一项重要应用。
本文将从分子进化的基本原理出发，介绍分子系统发育的原理、方法与应用，并探讨其在不同领域中的意义。
一、分子进化的基本原理分子进化是基于DNA/RNA序列或蛋白质序列的进化研究分支。
基因等遗传物质包含了生物过去和现在的大部分信息，通过比较彼此的差异，就能推导出它们之间的进化关系。
分子进化的基本原理在于遗传突变的随机性和累积性。
在生物个体复制时，遗传物质会随机地产生突变，这些突变可以累积，最终就会形成差异。
这些差异可以代表生物的基因型和表型的演化历史。
二、分子系统发育的原理分子系统发育是根据生物体DNA/RNA序列或蛋白质序列的变化，推断生物之间的进化关系和亲缘关系的科学。
生物之间的相似性是由共同的祖先所造成的，相似性越大，共同祖先的距离就越近。
分子系统发育利用各个物种之间的序列差异，通过复杂的计算机分析推断各个物种之间的进化关系及其进化时间。
分子系统发育中通常用到的基本原理之一是“钟模型”，即基因变异率（即分子钟）是在所有物种中大致相同的。
换句话说，如果我们确定了一组基因序列的共同祖先时间，我们就可以根据不同物种间的分子差异推定这些物种的进化时间。
三、分子系统发育的方法分子系统发育研究通常使用序列比对、物种树构建、分支支持度评估和模型选择等方法。
下面简要介绍每种方法的基本原理：1. 序列比对序列比对是分子系统发育分析的基础之一，其目的是从一组相关序列中确定基因组中位点、简化不必要的信息，减小计算量。
序列比对中使用的最常用算法是 Needleman-Wunsch（NW）算法和Smith-Waterman（SW）算法。
这些算法旨在寻找两个（或多个）序列之间的最长公共子序列（LCS），并且可以计算序列间的“匹配”和“不匹配”得分。
2. 物种树构建分子系统发育分析的主要目的是构建物种树，物种树是表示生物之间进化关系的分枝图。
生物信息学第七章分子进化与系统发育分析2
生物信息学第七章分子进化与系统发育分析（2）同义与非同义的核苷酸替代❒同义替代：编码区的DNA序列，核苷酸的改变不改变编码的氨基酸的组成❒非同义替代：核苷酸改变，从而改变编码氨基酸的组成❒计算方法：进化通径法Kimura两参数法采用密码子替代模型的最大似然法SdS❒Ka/Ks ~ 1: 中性进化❒Ka/Ks << 1: 阴性选择，净化选择❒Ka/Ks >> 1: 阳性选择，适应性进化❒多数基因为中性进化，约1%的基因受到阳性选择->决定物种形成、新功能的产生❒PAML, MEGA等工具：计算Ka/Ks及统计显著性进化通径法：Nei-Gojobori❒首先需要考虑：潜在的同义（S ）和非同义位点数（N ）❒基本假设：所有核苷酸的替代率相等❒用f i 表示某一个密码子第i 位的核苷酸上发生同义替代的比例；(i=1,2,3)❒所有密码子潜在的同义和非同义替代的位点数定义如下：，n=3-s∑==31i i f s潜在的同义和非同义位点数的估计❒例如对于Phe, 密码子TTT, 第三位T变成C时为同义替代，变成A/G为非同义替代❒因此：❒s=0+0+1/3❒n=3-1/3=8/3❒终止密码子忽略不计；如Cys的TGT, s=0.5整个序列的同义与非同义估计❒和N=3C-S; Sj 为第j 位密码子的s 值，C 为所有密码子的总数❒S+N=3C ：所比较的核苷酸的总数∑==C j j S S 1S d 与N d 的计算：进化通径❒当一对密码子仅存在一个差异时，可以立即判断是同义还是非同义，进化通径只有一种可能；例如对于GTT(Val)和GTA(Val),s d =1,n d =0;而对于ATT(I)和ATG(M)，s d =0,n d =1❒一对密码子存在两个差异时：两种进化通径(简约法，即最少需要)。
例如：比较TTT(Phe)和GTA(Val): (1) TTT(Phe)<->GTT(Val)<->GTA(Val)(2) TTT(Phe)<->TTA(Leu)<->GTA(Val)❒s d =1/2=0.5,n d =3/2=1.5❒同样，终止密码子不予考虑一对密码子存在三个差异时：六种进化通径。
分子进化与系统发育
分子进化与系统发育的未来发展方向
研究分子进化与系统 发育的关系，为物种 起源和演化提供新的
视角
利用分子进化与系统 发育的研究成果，为 医学、农业等领域提
供新的技术手段
探索分子进化与系统 发育的关系，为环境 保护和生物多样性保
护提供新的思路
研究分子进化与系统 发育的关系，为理解 生命起源和演化提供
新的理论基础
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物种形成：物种形成是分子进 化的结果，新物种的形成需要 一定的突变和自然选择压力。
分子进化的意义
揭示生物进化 的机制和规律
帮助科学家了 解生物多样性 的起源和演化
过程
为药物研发提 供新的靶点和
思路
指导人类疾病 的预防和治疗
2 系统发育
系统发育的概念
系统发育：研究生物 类群之间的进化关系
和历史
目的：了解生物多样 性的形成和演化过程
分子进化与系统发育
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目录 /目录
01
分子进化
02
系统发育
03
分子进化与系 统发育的关系
1 分子进化
分子进化的概念
分子进化：指生 物体内分子水平 的进化过程，包 括基因、蛋白质 等分子的变化。
基因突变：基因 在复制过程中发 生的随机变化， 是分子进化的重 要机制之一。
自然选择：环境 对生物体基因突 变的选择，有利 于适应环境的突 变被保留下来。
分子钟：通过比 较不同物种的基 因序列差异，估 算物种之间的进 化关系和进化时 间。
分子进化的证据
基因序列比较：不同物种的基因序列比较，揭示了分子进化的证据
分子进化与系统发育分析
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目录
• 引言 • 分子进化理论与方法 • 系统发育分析方法 • 分子标记与基因组学在系统发育分析中应用 • 系统发育树评估与优化 • 挑战与展望
01
引言
分子进化与系统发育关系
分子进化是生物进化的重要组成部分，涉及基 因和蛋白质序列的变异、选择和遗传漂变等过 程。
似然比检验（Likelihood ratio test）：通过 比较不同模型下的似然值，评估分支长度的 统计显著性。
提高系统发育树准确性策略
增加数据量
使用更多的基因或物种数据，以提高系统发 育树的分辨率和准确性。
选择适当的进化模型
对于存在异质性的基因数据，可以采用分区 （partition）或基因树-物种树（gene treespecies tree）等方法进行处理，以提高系统
生物学与数学
数学家可以为生物学家提供强大的统计和计算工具，帮助 解析复杂的生物类群系统发育关系。
生物学与地球科学
地球科学家可以提供关于生物演化的地质历史背景信息， 为生物学家解析生物类群系统发育关系提供重要线索。
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THANKS
最大似然法
基于统计模型
通过构建一定的统计模型，估计模型参数，使得观测数据出现的概 率最大，从而重建系统发育关系。
代表性方法
ML（最大似然法）等。
适用范围
适用于数据量较大，且进化模型较复杂的情况，如分子序列数据分析 。
贝叶斯推断法
基于概率模型
通过构建概率模型，利用贝叶斯定理计算后验概率， 从而重建系统发育关系。
对原始序列数据进行质量评估和 控制，包括去除低质量序列、污 染序列等。
将不同物种或个体的DNA序列进 行比对，找出同源序列并确定序 列间的差异。
生物的分子进化与系统发育学
生物的分子进化与系统发育学生物的分子进化与系统发育学是一门研究生物进化过程以及生物种类之间关系的学科。
它通过对生物的分子遗传物质（如DNA、RNA和蛋白质）进行研究，揭示了生物种类的起源和进化历程，并为生物分类和系统发育提供了重要依据。
本文将从分子进化和系统发育两个方面来探讨生物的分子进化与系统发育学。
一、分子进化1. DNA序列分析DNA是生物遗传信息的载体，通过对DNA序列的比较和分析，可以推测物种的亲缘关系和进化历史。
例如，比较不同物种的DNA序列，可以计算出它们之间的遗传距离，从而判断它们的亲缘程度。
同时，DNA序列的碱基组成和变异情况也能揭示生物的进化过程。
2. 蛋白质序列比较蛋白质是生物体内重要的功能分子，不同物种的蛋白质序列差异可以反映它们的进化关系。
通过比较蛋白质序列的同源性，可以推断物种之间的相似性和差异性，进一步揭示它们的进化途径和演化过程。
二、系统发育1. 系统发育树系统发育树是研究生物种类关系的重要工具。
通过对不同物种的分子数据进行分析，可以构建系统发育树，揭示物种之间的进化关系。
系统发育树可以有不同的构建方法，如最大简约法、邻接法等，每种方法都可以提供不同的进化关系图。
2. 分子钟分子钟是一种通过分子数据估算物种分化时间的方法。
它基于遗传变异的推移速率，根据物种的分子特征，估算出不同物种之间的分化时间。
分子钟为研究生物种类的起源和进化历程提供了重要依据。
综上所述，生物的分子进化与系统发育学通过对生物遗传物质进行研究，揭示了生物种类的起源、进化历程以及物种之间的进化关系。
通过分析DNA和蛋白质序列，可以推断物种的亲缘关系和进化途径；通过构建系统发育树和使用分子钟，可以揭示物种之间的进化时间和分化关系。
生物的分子进化与系统发育学在生物分类、物种演化和保护生物多样性等领域具有重要应用价值。
分子进化与系统发育
分子进化与系统发育分子进化与系统发育是现代生物学的重要研究领域之一。
它通过研究生物体内的分子结构和遗传信息，来揭示不同物种之间的亲缘关系和进化历程。
本文将介绍分子进化与系统发育的基本原理、研究方法和应用。
一、分子进化的基本原理分子进化是指物种内基因组或蛋白质组的遗传信息发生变化的过程。
在分子水平上，进化主要表现为DNA序列的突变和基因组结构的变化。
分子进化的基本原理主要包括以下几点：1. 遗传变异：遗传变异是生物进化的基础，是物种产生多样性的原因。
遗传变异可通过突变、基因重组和基因转移等途径实现。
2. 自然选择：自然选择是分子进化过程中的重要机制。
根据环境变化和适应性需求，具有更有利基因型的个体会在繁殖中获得更高的生存优势，从而逐渐在种群中占据主导地位。
3. 基因漂变：基因漂变是指随机性的基因频率变异，特别在小种群中影响较大。
基因漂变可以导致分子进化的随机性增加，进而导致遗传多样性的减少。
二、分子系统发育的基本原理分子系统发育是通过比较不同物种的DNA序列或蛋白质结构，构建物种间的进化关系树。
它基于分子进化的原理，通过计算相似性或差异性来推断物种的亲缘关系和进化历程。
分子系统发育的基本原理主要包括以下几点：1. 保守性进化：保守性进化是指在漫长的进化历程中，一些基因或蛋白质序列在物种间保持相对稳定的变化。
这些保守性的变化为系统发育提供了可比较的基础。
2. 数据分析：分子系统发育的关键步骤是对获得的分子数据进行分析。
常用的分析方法包括序列比对、构建进化树和计算进化速率等。
3. 进化树的构建：进化树是分子系统发育的主要结果之一。
它通过对不同物种之间的分子差异性进行比较和计算，来揭示它们的亲缘关系和共同祖先。
构建进化树的方法主要包括距离法、最大似然法和贝叶斯法等。
三、分子进化与系统发育的研究方法分子进化与系统发育的研究方法主要包括分子时钟、基因家族分析和基因组学等。
1. 分子时钟：分子时钟是一种基于分子进化速率的方法，用来估计物种的分化时间和进化速度。
4-分子进化与系统发育分析
进化历史的全部信息。
分子途径研究生物进化的可行性
普适性
由4种核酸组成
分子水平的进化表现为：DNA序列的演化、氨基酸 序列演化、蛋白质结构及功能的演化
可比较性
比较不同物种的有关DNA序列
建立DNA序列的演化模型、氨基酸序列的演化模型
3生物普遍存在着变异 亲代与子代并不完全相同，同一亲代所生的子代也 总有差异。
推论
第一个推论：在自然界物种的巨大繁殖潜力未能实现 是由于生存斗争。一方面生物具有高度繁殖力，另一 方面，生存条件不允许生物所产生的后代都能生存下 来，因此，生物必然总是在生存斗争中，或者与无机 环境作斗争，或者与不同种生物斗争（种间斗争）， 或者与同种的其它个体作斗争（种内斗争）。
达尔文进化论的产生
达尔文一直在思索 ：
自然界的奇花异树，人类万物究意是怎么产生的？ 他们为什么会千变万化？ 彼此之间有什么联系？
原鸽 家鸽
人工 选择
变异 提供材料
选择
保留了对人有利的变异 淘汰对人不利的变异
核苷酸替代：转换 (Transition) & 颠换 (Transversion)
2. 基因复制：多基因家族的产生以及伪基因 的产生
A. 单个基因复制 – 重组或者逆转录 B. 染色体片断复制 C. 基因组复制
（1） DNA突变
替代
插入
Thr Tyr Leu Leu
Thr Tyr Leu Leu
起作用，单独存在就成为无意义的了。
如果眼是渐进过程的产物，那么，眼应该是 经过了若干发展阶段才进化成眼的，而这些 发展阶段也应该是有适应能力的，否则就被 自然选择淘汰了。那么眼是经过哪些渐进的 有适应能力的中间阶段才发展来的呢？
系统发育学和分子进化研究
系统发育学和分子进化研究系统发育学和分子进化研究是现代生物学中非常重要的领域，对于人们理解生命起源和演化过程至关重要。
系统发育学是研究生物数量级宏观形态和微观结构的分类学，分子进化研究是研究生物分子水平上的演化途径和关系。
两者互为补充，结合运用能够更好地解释和描述生物的演化历程。
系统发育学的历史可以追溯到18世纪末，当时数学家布夫农（C. Bouffon）根据外部形态将生物分为脊索动物和无脊椎动物，开创了生物分类学。
随后，林奈（C. Linnaeus）根据植物和动物的真正特征，将生物按照成系分类法进行归类。
19世纪末，达尔文（C. R. Darwin）的进化论理论对生物分类学产生了极大的影响。
他认为生物的演化是一种逐步发展的过程。
从此，生物的分类法开始逐渐转变为以进化关系为基础的分类系统。
而在20世纪，随着分子生物学的发展，分子进化与系统发育研究成为了生物学领域最重要的研究方向之一。
分子进化研究纵观整个20世纪，发展经历了不同的时期。
第一阶段是DNA结构研究时期。
20世纪50年代发现了DNA分子的双螺旋结构，使得分子生物学进入了新时期。
第二阶段是序列进化研究时期。
1977年，Sanger等人发明了分子生物学中的基本技术之一，即克隆DNA和测序技术。
这使得分子生物学得以将对生物学的研究提升到更高的层次。
第三阶段是基因组学时期。
1995年，在科技的发展推动下，以人类基因组计划为标志的基因组学进入到了高分辨率基因组时代。
这个时期的重要特点是全基因组序列的测序和分析。
第四阶段目前正在进行，是转录组学和蛋白质组学时期。
这两个领域将关注转录水平和翻译水平的转录组数据和蛋白质数据中的生物信息。
分子进化研究已经成为了生物学的重要领域之一。
它通过利用无限制的形态特征，考虑生物的演化关系和起源问题。
而且，它还可以研究分子水平上的演化途径，比如，在一些特殊的进化学问题上，例如两种生物物种之间的分化时间等，分子进化与系统发育学可以给出更精确更准确的结论。
分子进化学与系统发育学的研究进展
分子进化学与系统发育学的研究进展在自然界中，生物种类繁多，相互之间的关系错综复杂。
如何对不同物种进行分类，理清它们之间的亲缘关系，成为了分子进化学与系统发育学的主要研究课题。
随着科技的发展，分子进化学与系统发育学的研究方法越来越多样化、精准化，不断推进着生物学的进步。
一、分子系统发育学的发展历程很多年来，分类的主要依据是形态特征，例如，哺乳动物的毛发、鸟类的羽毛等。
然而，随着基因测序技术的出现，研究者可以轻而易举地测定不同物种DNA序列之间的差异。
这些差异可以被大大扩展，我们有计算方法来定量地描述它们如何表征亲缘关系。
由此，分子系统发育学应运而生。
分子系统发育学的研究范围主要包括进化历史、遗传基因变异、基因家族结构、种内和种间遗传多样性等。
该学科的主要任务是发现基因组、可变区和重要性状之间的联系，同时研究特定基因组和高分辨率的分子结构与生物分化的比较。
并可以通过统计分析比较这些分子特征和形态特征，以推测物种之间的亲缘关系。
二、分子进化学的核心研究内容分子进化学是对生物学和遗传学有极大的贡献，通过分析DNA序列以及起源和演化过程，阐明了生物种类之间的进化关系，同时有助于研究物种的多样性。
分子进化学的核心研究内容包括：1. 基因演化过程的各种途径：基因扩增、基因重组、基因的改变和插入等。
2. 生物化学途径在分子演化过程中的作用。
3. 基因序列比较的不同方法与应用。
4. 基于基因序列分析的系统发育学方法：如距离法（distance methods）、相似度法（similarity methods）和最大似然法（maximum likelihood methods）等。
三、分子进化在生物保护领域的应用分子进化学的几种方法，在生物保护、查询更完美的角度来分析基因途径和进化信息。
基于比较基因组学的分子进化相关研究，提供了新的方法来解决蛋白质功能分化、生物进化以及演化过程中的基因酶家族分化等重要问题。
现如今，通过受保护的物种基因测序，可以在较短的时间内快速了解物种的异同，以促进物种保护的理念，更好的保护众多濒危物种，防止其灭绝。
生物的分子演化与系统发育
生物的分子演化与系统发育生物的分子演化与系统发育是生物学中的重要领域，它涉及到生物种群的遗传变化、进化关系的推断以及分类学的建立。
本文将从分子演化与系统发育的基本概念、分子演化分析方法、分子演化与系统发育的应用以及未来发展方向等方面进行论述。
一、分子演化与系统发育的基本概念分子演化是指分子水平上的遗传变化，包括DNA序列、蛋白质序列以及其他分子的演化过程。
系统发育是通过比较不同物种的相似性与差异性，推断它们之间的进化关系，建立生物分类学体系的过程。
分子演化与系统发育之间存在着密切的联系和相互作用。
二、分子演化分析方法1. 比较基因组学：通过比较不同物种的基因组序列，发现基因组的结构与功能的变化，揭示分子水平上的遗传变化及其在进化中的作用。
2. 分子钟：利用核苷酸或氨基酸序列的变化速率，推断物种的分化时间，进而构建进化时间树。
3. 进化基因组学：通过比较物种在表观遗传学、蛋白质组学和基因组学等方面的差异，研究进化过程中基因家族的增益与丧失以及功能的变化。
三、分子演化与系统发育的应用1. 生物分类学：通过分析不同物种的分子特征，确定它们之间的进化关系，构建分类学体系，为物种鉴定和分类提供依据。
2. 进化关系研究：通过分析物种间的分子差异，推断它们之间的进化关系，揭示物种之间的亲缘关系以及演化过程中的分化和分布模式。
3. 系统发育重建：通过分析分子数据，重建物种的进化树，推断进化历程和进化速率，为生物学、医学和生态学等领域的研究提供基础。
四、分子演化与系统发育的未来发展方向1. 大数据时代的挑战：随着高通量测序技术的发展，分子数据的规模和复杂性不断增加，如何处理和分析大规模的分子数据成为重要的研究方向。
2. 结合多种数据源的分析：将不同层次的分子数据（如基因组、转录组、蛋白质组等）和形态学、地理学等信息相结合，综合分析物种的进化历程和适应性演化。
3. 系统发育模型的改进：如何建立更准确、更可靠的进化模型，提高系统发育推断的准确性和精确度。
分子进化学中的系统发育分析
分子进化学中的系统发育分析分子进化学是研究生物物种演化过程的学科，也是分子生物学和进化生物学的交叉领域。
它主要依靠分子生物学技术研究DNAs、RNAs、蛋白质等分子在物种演化过程中的变异和进化规律。
分子进化学的重要应用之一是系统发育分析，即利用分子标记刻画不同物种之间的亲缘关系。
系统发育分析可以为生物分类学、生态学、医学等领域提供重要的支持和参考。
一、分子标记在系统发育分析中的应用分子标记是在分子水平上进行物种识别和进化研究的重要工具。
常用的分子标记包括DNA序列、蛋白质序列、限制性酶切位点等。
其中，DNA序列和蛋白质序列由于其具有高度的可变性和易于测定的优点，被广泛应用于系统发育分析中。
DNA序列包括基因组DNA和线粒体DNA，它们分别对应不同的遗传特征和进化速率。
基因组DNA具有比较慢的进化速率，适合于较深层次的亲缘关系研究；而线粒体DNA则具有相对较快的进化速率，适合于较浅层次的亲缘关系研究。
二、系统发育分析的方法系统发育分析的基本方法是构建物种的演化树。
演化树是通过分析物种间的共同祖先和衍生特征等信息，画出演化历程中物种进化关系的图示。
常用的方法包括距离法、最大简约法、贝叶斯法等。
其中，最大简约法是目前最为常用的方法之一，其基本思想是寻找相对简单的演化树解释被分析序列的特征，从而推断物种间的演化关系。
贝叶斯法则利用统计模型和贝叶斯公式，计算出演化树的概率分布。
三、系统发育分析在分子生态学研究中的应用分子生态学是研究生态过程和生态系统中物种之间的相互作用和关系的学科。
系统发育分析可以为分子生态学研究提供重要的理论和方法支持。
例如，在研究微生物群落的物种演化关系时，可以利用16S rRNA序列作为分子标记，进行系统发育分析，研究不同微生物群落的分布和功能。
此外，利用系统发育分析还可以研究野生动植物种群的遗传多样性、遗传漂变和适应性等。
四、系统发育分析在医学研究中的应用系统发育分析在医学研究中也具有重要的应用价值。
分子进化和系统发育学的研究进展
分子进化和系统发育学的研究进展随着人类对自然界的认知不断加深，分子进化和系统发育学逐渐成为了生命科学研究领域中的重要分支。
分子进化和系统发育学是通过分析生物体内的分子基因组成来推断生物进化关系和亲缘关系的，具有一定的科学价值和研究前景。
近年来，分子进化和系统发育学领域的研究取得了许多重要进展，本文将从分子进化、系统发育和应用研究三个方面，对这一领域的研究进展进行介绍。
一、分子进化的研究进展分子进化是指利用分子生物学的方法来研究物种或个体间的遗传变异及其进化历程。
近年来，人们普遍使用多序列比对和最大似然等方法来推断生物进化关系，这一领域的研究已经从单一基因广泛转向多基因比较。
新一代高通量测序技术的出现，使得研究者能够同时分析数百个甚至数千个基因的序列数据。
这为全局基因进化的分析提供了更多的可能性。
Virtual Embryo项目是目前分子进化研究领域的一项重要工作，它以构建模拟胚胎的发育过程来揭示它们的进化过程。
该项目使用大量的生物体系，在进行模拟胚胎的建立时，对基因调控网络进行了研究，并利用物理生理学和发育学的理论以模仿实际进化过程中的现象。
此外，基于比较基因组学的方法还揭示了癌细胞进化中的基因表达差异和哺乳动物产热的分子机理。
分子进化研究的进展为我们更深入地了解生物进化提供了重要的手段。
二、系统发育的研究进展系统发育是指在生物系统中建立存在的各种物种之间的感应关系，包括直系亲缘关系和旁系亲缘关系。
进化树和物种树是系统发育的两个主要分支。
进化树是指结合了生物体的相似性和遗传差异来显示生物体之间的演化历史，而物种树则是根据现代生物分类体系中规范化的分类方法来显示物种的亲缘关系。
随着分子时钟理论的提出，多数研究者认为发育树主要是基于DNA序列比较，以最小进化距离和分子演化率等为基础建立。
DNA条形码技术以其快速、准确和高效的特点成为了系统发育学的重要工具。
该技术基于某些既有误差控制又能够区分系统学单元的特定、标准化的DNA片段，如COI、16S rRNA、ITS1等，这些标准化的DNA条形码序列可以用于鉴别生物种类、分析种间遗传差异和建立进化树，并在昆虫、微生物和软体动物等领域得到了广泛应用。
分子进化与系统发育分析
无根树，有根树，外围支
archaea archaea archaea eukaryote eukaryote eukaryote eukaryote
无根树
通过外围支 来确定树根
bacteria outgroup
archaea
外围支
archaea archaea
有根树
eukaryote
根
eukaryote eukaryote eukaryote
进化及遗传模型
1、序列有指定的来源并且正确无误。
2、序列是同源的，而序列不是“paralog“的混合物。
3、序列比对中，不同序列的同一个位点都是同源的
4、在接受分析的一个序列组中，序列之间的系统发
育史是相同的。
5、样本足以解决感兴趣的问题。
进化及遗传模型
6、样本序列之间的差异代表了感兴趣的宽组。 7、样本序列之间的差异包含了足以解决感兴 趣的问题的系统发育信号。 8、样本序列是随机进化的。
生物信息学
分子进化与系统发育分析
内容提要
分子进化分析介绍 系统发育树重建方法 Phylip软件包在分子进化分析中的应用 PAUP*在分子进化分析中的应用 MEGA分子进化树分析软件
分子进化研究的目的
从物种的一些分子特性出发，从而了 解物种之间的生物பைடு நூலகம்统发生的关系。
蛋白和核酸序列 通过序列同源性的比较进而了解基因的进 化以及生物系统发生的内在规律。
(e+d)/2+(a+b)/2+f+g=41 (2)
c+g+(e+d)/2=19
(e+d)/2=5,c=9,则g=5
分子进化与系统发育分析
分子进化与系统发育分析转：系统发育学研究的是进化关系，系统发育分析就根据同源性状的分歧来推断或者评估这些进化关系。
通过系统发育分析所推断出来的进化关系一般用分枝图(进化树) 来描述，这个进化树描述了分子(基因树)、物种以及二者之间遗传关系的谱系。
由于“Glade”这个词(拥有共同祖先的同一谱系)在西腊文中的本意是分支，所以系统发育学有时被称为遗传分类学(cladistics) 。
在现代系统发育研究中，重点己不再是生物的形态学特征或其他特征，而是生物大分子尤其是序列，对序列的系统发育分析又称为分子系统学或分子系统发育研究。
它的发展得益于大量序列的测定和分析程序的完善。
比起许多其他实验性学科，分子系统学与其他进化研究一样有其局限，即系统发育的发生过程都是己经完成的历史，只能在拥有大量序列信息的基础上去推断过去曾经发生过什么，而不能再现。
由于系统发育分析不太可能拥有实验基础，至多是些模拟实验或者病毒实验:如何处理序列从中得到有用信息、如何用计算的办法得到可信的系统树、如何从有限的数据得到进化模式成为这个领域的研究热点。
1进化树构建构建进化树的方法包括两种:一类是基于序列类似性比较，主要是基于氨基酸/核酸相对突变率矩阵计算不同序列差异性积分作为它们的差异性量度而构建的进化树；另一类是在难以通过序列比较构建进化树的情况下，通过蛋白质结构比较包括刚体结构叠合和多结构特征比较等方法建立的进化树。
2评估进化树和数据现在己经有一些程序可以用来评估数据中的系统发育信号和进化树的健壮性。
对于前者，最流行的方法是用数据信号和随机数据作对比实验(偏斜和排列实验):对于后者，可以对观察到的数据重新取样，进行进化树的支持实验(非参数自引导和对折方法)。
似然比例实验可以对取代模型和进化树都进行评估。
本文只阐述几个常用的方法：偏斜实验(Skewness Test)：统计的临界值随着分类群数口的不同和序列中点的不同而不同，对随机数据集呈现的信号很敏感，可以用来决定系统发育信号是否保留着。
《生物信息学》分子进化系统分析
最大似然法（ML）
由于最大似然法的分析过程需要耗费较 多的时间，针对这种情况，发展出了许多 优化的可以加快最大似然法寻找最优树的 搜索方法，如启发式搜索，分枝交换搜索 等。最大似然法具有坚实的统计学理论基 础，充分的使用了分析序列中的信息资源， 只要采用了合理的替代模型，可以得出很 好的进化树分析结果。
序列比对后，核苷酸或氨基酸序列的差异可以通过 模型转化成距离
Judes 和 Cautor 假设每一碱基具有同等机率突变为 另外 3 种碱基中的任何一种，其频率常数为μ/3， μ为碱基替换频率。提出了序列距离 K
系统发育树重建的基本方法
1. 距离法(distance)
2. 特征法 最大简约法(maximum parsimony,MP) 最大似然法(maximum likelihood,ML)
共有衍征(synapomorphy):某一特征起源于最近的共 同祖先。
自有新征(autapomorphy):某一支系独有的特征。 姐妹群(sister group): 当两个分类单元共有一个不为
第三者所有的祖先时，互为姐妹群，关系最近。
鳄鱼
鸭嘴兽
袋鼠
老虎
长孕期
胎生 被毛、有乳腺
有脊柱
共有祖征(老虎袋鼠)
距离最近
人类（hu），黑猩猩(ch)，猩猩(or），长臂猿（gi），大猩猩（go）
距离最近 人类（hu），黑猩猩(ch)，猩猩(or），长臂猿（gi），大猩猩（go）
邻接法（ NJ法）
• UPGMA假定各分支的进化速度和程度是一 致的。
• 邻接法的关键步骤： 一是计算发散系数ri，二是生成一个速率校正
假设有5个分类单元和4个特征，来推导分类单元 间的系统发育关系。0表示祖征，1表示衍征
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bacteria outgroup 外围支
archaea archaea archaea eukaryote eukaryote eukaryote eukaryote
无根树和有根树：潜在的数目
#Taxa
3 4 5 6 7 … 30
无根树
1 3 15 105 945
有根树
3 15 105 945 10,395
系统发育树是什么？
对一组实际对象的世系关系的描述（如基 因，物种等）。
系统发育树: 术语
分支/世系
末端节点
A 代表最终分
B
类，可以是 物种，群体
C ，或者蛋白
祖先节点/
D
质、DNA、 RNA分子等
树根
内部节点/分歧点，该 E
分支可能的祖先结点
树只代表分支的拓扑结构
A BC D F G E†
D C F GA B E†
同一基因，一般具有相同的功能。 ❖ 并系同源(paralogs):同源基因在同一物种
中，通过至少一次基因复制的事件而产生。
paralogs orthologs
paralogsorth来自logsErik L.L. Sonnhammer Orthology,paralogy and proposed classification for paralog subtypes
Cladograms show branching order branch lengths are meaningless 进化分支图，只用分支 信息，无支长信息。
Eukaryote 4
Phylograms show
Bacterium 1
branch order and
Bacterium 2
branch lengths
异源基因或水平转移基因
(xenologous or horizontally transferred genes)
由某一个水平基因转移事件而得到的同源序列
2.进化分支图，进化树
Bacterium 1
Bacterium 2
Bacterium 3 Eukaryote 1 Eukaryote 2
Eukaryote 3
趣的问题的系统发育信号。 ❖ 8、样本序列是随机进化的。 ❖ 9、序列中的所有位点的进化都是随机的。 ❖ 10、序列中的每一个位点的进化都是独立的。
直系同源与旁系同源
❖ 直系同源(orthologs):同源的基因通过物种
形成的事件而产生，或源于不同物种的最近 的共同祖先的两个基因，或者两个物种中的
以上两个概念代表了两个不同的进化事件 用于分子进化分析中的序列必须是直系同源 的，才能真实反映进化过程。
趋同进化的基因(Convergent evolution )
通过不同的进化途径获得相似的功能，或者功能替代物
(genes have converged function by separate evolutionary paths)
生物信息学
分子进化与系统发育分析
内容提要
❖ 分子进化分析介绍 ❖ 系统发育树重建方法 ❖ Phylip软件包在分子进化分析中的应用 ❖ PAUP*在分子进化分析中的应用 ❖ MEGA分子进化树分析软件
分子进化研究的目的
从物种的一些分子特性出发，从而了 解物种之间的生物系统发生的关系。
蛋白和核酸序列 通过序列同源性的比较进而了解基因的进 化以及生物系统发生的内在规律。
TRENDS in Genetics Vol.18 No.12 December 2002
http://tig.trends.co m 0168-9525/02/$ – see front matter © 2002 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.
Bacterium 3
进化树，有分支和支长
Eukaryote 1
信息
Eukaryote 2
Eukaryote 3
Eukaryote 4
无根树，有根树，外围支
archaea archaea archaea
eukaryote
通过外围支 来确定树根
有根树
根
eukaryote
无根树
eukaryote
eukaryote
序列分歧度
分子钟理论
从一个分歧数据可以推测其他
y x
分歧时间
速率恒定的证据：血色素
中性理论
❖ “在生物分子层次上的进化改变不是由自然选择作 用于有利突变引起的，而是在连续的突变压之下由 选择中性或非常接近中性的突变的随机固定造成的， 中性突变是指对当前适应度无影响的突变。”
❖ 否认自然选择在生物进化中的作用，认为生物大分 子的进化的主要因素是机会和突变压力
进化及遗传模型
❖ 1、序列有指定的来源并且正确无误。 ❖ 2、序列是同源的，而序列不是“paralog“的混合物。 ❖ 3、序列比对中，不同序列的同一个位点都是同源的 ❖ 4、在接受分析的一个序列组中，序列之间的系统发
育史是相同的。 ❖ 5、样本足以解决感兴趣的问题。
进化及遗传模型
❖ 6、样本序列之间的差异代表了感兴趣的宽组。 ❖ 7、样本序列之间的差异包含了足以解决感兴
多序列比对（自动比对，手工比对） 建立取代模型（建树方法） 建立进化树 进化树评估
系统发育树重建的基本方法
❖ 1. 最大简约法 (maximum parsimony, MP) ❖ 2. 距离法 (distance) ❖ 3. 最大似然法 (maximum likelihood, ML)
最大简约法 (MP)
~3.58X1036 ~2.04X1038
Taxa增多，计算量急剧增加，因此，目前算法都为 优化算法，不能保证最优解
4.基因树，物种树
a Gene tree
b
A Species tree
B
c
D
We often assume that gene trees give us
species trees
系统发育树重建分析步骤
分子进化研究的基础（假设）
❖ 核苷酸和氨基酸序列中含有生物进化历史的 全部信息。
分子进化研究的基础（理论）
❖ 在各种不同的发育谱系及足够大的进化时间 尺度中，许多序列的进化速率几乎是恒定不 变的。（分子钟理论， 1965 ）
分子进化研究的基础（实际）
❖ 虽然很多时候仍然存在争议，但是分子进化 确实能阐述一些生物系统发生的内在规律。