第一节分子生态学
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分子生态学
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”。
大学课程生态学-分子生态学课件
等电聚焦电泳（IEF）： ——利用特殊的一种缓冲液（两性电解质）在凝胶（常用
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）
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）
第一节分子生态学
实质：基因流（Nm） 指亚种群间每个时代迁移并在迁移 后成功繁殖的个体数量。
亚种群间基因通过生物个体或它们的配子体进行的迁移，其 趋向于阻止亚种群之间产生遗传上的差异 。
遗传估算： 基于F统计 ：Nm=1/4 (1/Fst－1) 遗传分化系数Fst ：表示随机选取的每个种群中两个配子间 相互关系程度，该指标被广泛用于定量亚种群间的遗传分化 程度。
内涵：在满足下列假设的条件下，生物种群的等位基因 频率和基因型频率世代间保持不变。 （1）有性繁殖并随机交配； （2）等位基因在雌雄两性中随机交配； （3）种群足够大； （4）世代不重叠； （5）没有自然选择、突变和迁移。 分子生态意义：作为基本判别假设和理论基础（遗传标 记方法）
二、 分子生态学的理论基础 3、种群分化是生物进化的必要途径
一、分子生态学的产生与发展
1、分子生态学的概念
Moritz (1994) Applications of mitochondrial DNA analysis in conservation: A critical review ： 分子生态学是用线粒体DNA (mtDNA ) 的变化来帮助和 指导种群动态的研究。 Bachmann(1994) Molecular markers in plant ecology ： 分子生态学是用分子生物学手段研究生态和种群生物 学的新兴交叉学科。
Avise, Lansman 等人 第一次把mt DNA的分析方法 应用到自然种群 的研究，被看作 是分子生态学的 首次工作。
Higuchi等利
用博物馆所存的 现已灭绝的斑驴 皮提取mt DNA 片断的序列，并 把这一序列与现 有种比较发现， 斑驴和平原斑马 具有较近的亲缘 关系。这标志着 一个新研究领域 的开始。
亚种群间基因通过生物个体或它们的配子体进行的迁移，其 趋向于阻止亚种群之间产生遗传上的差异 。
遗传估算： 基于F统计 ：Nm=1/4 (1/Fst－1) 遗传分化系数Fst ：表示随机选取的每个种群中两个配子间 相互关系程度，该指标被广泛用于定量亚种群间的遗传分化 程度。
内涵：在满足下列假设的条件下，生物种群的等位基因 频率和基因型频率世代间保持不变。 （1）有性繁殖并随机交配； （2）等位基因在雌雄两性中随机交配； （3）种群足够大； （4）世代不重叠； （5）没有自然选择、突变和迁移。 分子生态意义：作为基本判别假设和理论基础（遗传标 记方法）
二、 分子生态学的理论基础 3、种群分化是生物进化的必要途径
一、分子生态学的产生与发展
1、分子生态学的概念
Moritz (1994) Applications of mitochondrial DNA analysis in conservation: A critical review ： 分子生态学是用线粒体DNA (mtDNA ) 的变化来帮助和 指导种群动态的研究。 Bachmann(1994) Molecular markers in plant ecology ： 分子生态学是用分子生物学手段研究生态和种群生物 学的新兴交叉学科。
Avise, Lansman 等人 第一次把mt DNA的分析方法 应用到自然种群 的研究，被看作 是分子生态学的 首次工作。
Higuchi等利
用博物馆所存的 现已灭绝的斑驴 皮提取mt DNA 片断的序列，并 把这一序列与现 有种比较发现， 斑驴和平原斑马 具有较近的亲缘 关系。这标志着 一个新研究领域 的开始。
分子生态学1-分子标记
术为基础的分子标记技术。它是指不同生物个体基 因组DNA序列之间单个核苷酸的差异，这种差异可以通过设计特
异PCR引物扩增和电泳检测显示出来。
SNP标记是根据基因组测序结果发展起来的，因而它的数量非常 丰富。检测SNP的最佳方法是新近发展起来的DNA芯片技术。 目前SNP作为一种的分子标记技术，已有2000多个SNP标记定位在 人类染钯体上，在稻和大豆等植 物上也发展了一些SNP标记。
SNP
Mutation
Mutations and SNPs
SNPs Mutations Observed genetic variations
Common Ancestor
• Zabeau, M., and P. Vos. 1993. Selective restriction fragment amplification: a general method for DNA fingerpringting. European Patent Application, Publ. No.: EP0534858, no. 92402629.7. • Vos, P. et al. 1995. AFLP: a new technique for DNA fingerprinting. Nucleic Acids Research, 23:4407-4414.
Single Nucleotide Polymorphism
• A Single Nucleotide Polymorphisms (SNP), pronounced “snip,” is a genetic variation when a single nucleotide (i.e., A, T, C, or G) is altered and kept through heredity. – SNP: Single DNA base variation found >1% – Mutation: Single DNA base variation found <1% 94% 6% CTTAG C TT CTTAG TTT 99.9% 0.1% CTTAG C TT CTTAG TTT
异PCR引物扩增和电泳检测显示出来。
SNP标记是根据基因组测序结果发展起来的，因而它的数量非常 丰富。检测SNP的最佳方法是新近发展起来的DNA芯片技术。 目前SNP作为一种的分子标记技术，已有2000多个SNP标记定位在 人类染钯体上，在稻和大豆等植 物上也发展了一些SNP标记。
SNP
Mutation
Mutations and SNPs
SNPs Mutations Observed genetic variations
Common Ancestor
• Zabeau, M., and P. Vos. 1993. Selective restriction fragment amplification: a general method for DNA fingerpringting. European Patent Application, Publ. No.: EP0534858, no. 92402629.7. • Vos, P. et al. 1995. AFLP: a new technique for DNA fingerprinting. Nucleic Acids Research, 23:4407-4414.
Single Nucleotide Polymorphism
• A Single Nucleotide Polymorphisms (SNP), pronounced “snip,” is a genetic variation when a single nucleotide (i.e., A, T, C, or G) is altered and kept through heredity. – SNP: Single DNA base variation found >1% – Mutation: Single DNA base variation found <1% 94% 6% CTTAG C TT CTTAG TTT 99.9% 0.1% CTTAG C TT CTTAG TTT
生态学 第一章 绪论
1807年，A. Humboldt用法文出版《植物地理学知识》 一书，提出“植物群落”、“外貌”等概念，并指出 “等温线”对植物分布的意义；
1855年，Al. de Candolle将积温引入植物生态学， 为现代积温理论打下了基础；
15
1866年, Haeckel提出ecology一词，并首次提出了 生态学定义。
16
生态学的巩固时期(20世纪初至50年代)
20世纪50－60年代，是传统生态学向现代生态学过渡 时期，并出现了一些新的中心, 如：
德国的H. Ellenberg对生态幅度与生理幅度以及生态 种组的研究；
Würzburg大学 O.L. Lange对植物生理生态的研究； 英国北威尔士大学 J.L.Harper对植物种群的研究； 法国 Toulouse植被制图中心(以H. Gaussen为代表)； 美国康乃尔大学植被分析研究 (以 R. H. Whittaker为代表)等。
14
生态学的建立时期(公元17至19世纪末)
1792年, 德国植物学家C. L. Willdenow在《草学基 础》一书中详细讨论了气候、水分与高山深谷对植物分 布的影响；
1798年，T.Malthus马尔萨斯《人口论》的发表， 促进了达尔文“生存斗争”及“物种形成”理论的形成， 并促进了“人口统计学”及“种群生态学”的发展。
9
根据研究性质划分
理论生态学： 理论生态学涉及生态学进程、生态 关系的数学推理及生态学建模。 应用生态学： 是将生态学原理应用于有关部门。
10
11
应用于各类农业资源的管理，产生了农业生态学、 森林生态学、草地生态学、家畜生态学、自然资源生态学等；
应用于城市建设，形成了城市生态学(Urban Ecology)； 应用于环境保护与受损资源的恢复，形成了保育生物学、 恢复生态学(Restoration Ecology)、生态工程学 (Engineering Ecology)； 应用于人类社会，产生了人类生态学(Human Ecology)， 生态伦理学(Ecological Ethics)等。
1855年，Al. de Candolle将积温引入植物生态学， 为现代积温理论打下了基础；
15
1866年, Haeckel提出ecology一词，并首次提出了 生态学定义。
16
生态学的巩固时期(20世纪初至50年代)
20世纪50－60年代，是传统生态学向现代生态学过渡 时期，并出现了一些新的中心, 如：
德国的H. Ellenberg对生态幅度与生理幅度以及生态 种组的研究；
Würzburg大学 O.L. Lange对植物生理生态的研究； 英国北威尔士大学 J.L.Harper对植物种群的研究； 法国 Toulouse植被制图中心(以H. Gaussen为代表)； 美国康乃尔大学植被分析研究 (以 R. H. Whittaker为代表)等。
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生态学的建立时期(公元17至19世纪末)
1792年, 德国植物学家C. L. Willdenow在《草学基 础》一书中详细讨论了气候、水分与高山深谷对植物分 布的影响；
1798年，T.Malthus马尔萨斯《人口论》的发表， 促进了达尔文“生存斗争”及“物种形成”理论的形成， 并促进了“人口统计学”及“种群生态学”的发展。
9
根据研究性质划分
理论生态学： 理论生态学涉及生态学进程、生态 关系的数学推理及生态学建模。 应用生态学： 是将生态学原理应用于有关部门。
10
11
应用于各类农业资源的管理，产生了农业生态学、 森林生态学、草地生态学、家畜生态学、自然资源生态学等；
应用于城市建设，形成了城市生态学(Urban Ecology)； 应用于环境保护与受损资源的恢复，形成了保育生物学、 恢复生态学(Restoration Ecology)、生态工程学 (Engineering Ecology)； 应用于人类社会，产生了人类生态学(Human Ecology)， 生态伦理学(Ecological Ethics)等。
《分子生态学》课件
分子标记技术的应用
在分子生态学中，分子标记技术可用于物种鉴定、种群遗传结构分 析、亲缘关系鉴定等方面。
分子标记技术的优势
具有较高的灵敏度和特异性，能够快速准确地检测生物体的遗传特 征，有助于揭示种群结构和遗传多样性。
生物信息学方法
生物信息学方法
利用计算机科学和统计学的理论和方法，对生物学数据进行分析 、整合和挖掘。
生态平衡
生态平衡是指生态系统内部各组成部分之间相互制约、相互依存的关系，是生态系统稳定和可持续发展的基础。 维护生态平衡是保护生物多样性和生态安全的重要措施之一。
03 分子生态学研究方法
CHAPTER
基因组学技术
基因组学技术
利用全基因组测序、基因表达谱分析 等技术，研究生物体内基因组的组成 、结构和功能，以及基因表达的调控 机制。
生态恢复
通过分子生态学手段研究生态系统退化的原因，提出针对性的恢复和重建方案，如植被恢复、土壤微 生物群落重建等。
生态系统恢复与重建
受损生态系统修复
针对受损生态系统，利用分子生态学方法研究生态系统内部各组分的相互关系和作用机 制，提出生态系统修复方案。
生态工程设计
基于分子生态学原理，设计生态工程，如人工湿地、生态浮床等，以实现生态环境的改 善和修复。
种群动态与进化
种群动态
种群动态是指种群数量和结构的变化 规律，是生态学研究的重要内容之一 。它受到环境因素、种间关系、种内 关系等多种因素的影响。
种群进化
种群进化是指种群在适应环境变化的 过程中，基因频率发生改变，导致种 群特征的演化。种群进化是生物多样 性的重要来源之一。
生态位与物种共存
生态位
生物多样性保护
分子生态学研究有助于保护生物 多样性，维护地球生态平衡。
在分子生态学中，分子标记技术可用于物种鉴定、种群遗传结构分 析、亲缘关系鉴定等方面。
分子标记技术的优势
具有较高的灵敏度和特异性，能够快速准确地检测生物体的遗传特 征，有助于揭示种群结构和遗传多样性。
生物信息学方法
生物信息学方法
利用计算机科学和统计学的理论和方法，对生物学数据进行分析 、整合和挖掘。
生态平衡
生态平衡是指生态系统内部各组成部分之间相互制约、相互依存的关系，是生态系统稳定和可持续发展的基础。 维护生态平衡是保护生物多样性和生态安全的重要措施之一。
03 分子生态学研究方法
CHAPTER
基因组学技术
基因组学技术
利用全基因组测序、基因表达谱分析 等技术，研究生物体内基因组的组成 、结构和功能，以及基因表达的调控 机制。
生态恢复
通过分子生态学手段研究生态系统退化的原因，提出针对性的恢复和重建方案，如植被恢复、土壤微 生物群落重建等。
生态系统恢复与重建
受损生态系统修复
针对受损生态系统，利用分子生态学方法研究生态系统内部各组分的相互关系和作用机 制，提出生态系统修复方案。
生态工程设计
基于分子生态学原理，设计生态工程，如人工湿地、生态浮床等，以实现生态环境的改 善和修复。
种群动态与进化
种群动态
种群动态是指种群数量和结构的变化 规律，是生态学研究的重要内容之一 。它受到环境因素、种间关系、种内 关系等多种因素的影响。
种群进化
种群进化是指种群在适应环境变化的 过程中，基因频率发生改变，导致种 群特征的演化。种群进化是生物多样 性的重要来源之一。
生态位与物种共存
生态位
生物多样性保护
分子生态学研究有助于保护生物 多样性，维护地球生态平衡。
《分子生态学》教学大纲
《分子生态学》教学大纲一、基本信息二、教学目标及任务掌握分子生态学发展史与基本原理；掌握分子生物学基础知识；掌握微生物、植物和海洋分子生态学的研究内容和主要分子生物学技术；了解应用生物技术治理环境污染的分子机理；了解分子生物学和分子生态学基本手段。
通过本课程的教学使学生掌握分子生态学的基本理论和基础、以及分子生物学技术和研究方法在不同方向生态学领域的应用，并了解分子生态学与生物信息学的前沿，从思想上明确认识分子生态学在生态学科发展过程中的重要性，通过各教学环节的实施注重培养学生思考、分析、解决分子生态问题和主动获取知识的能力，树立实事求是、严谨治学的学风。
三、学时分配教学课时分配四、教学内容及教学要求第一章分子生态学的发展史第一节生态学与分子生态学第二节分子生态学的主要内容与任务第三节分子生态学的科学地位第四节分子生态学的起源与发展第五节分子生态学的发展轨迹第六节当今分子生态的发展第七节分子生态学的研究方法和发展方向第八节分子生态学的新方向本章教学要求：了解分子生态学发展、研究内容和方法第二章分子生态学的基本原理第一节分子生态学概念的提出第二节分子生态学系统概念习题要点：分子生态学的概念、与微观和宏观生态学的联系第三节分子生态系统的结构组成习题要点：分子生态学的研究对象第四节生态学中的遗传学习题要点：分子进化的中性论和选择论；生态遗传学的概念；基因型、表现型和表型可塑性的概念本章教学要求：掌握分子生态学的概念、研究对象；掌握生态遗传学、基因型、表现型和表型可塑性的概念；理解分子进化的中性论和选择论；第三章分子生物学第一节生命与核酸的共同起源第二节DNA和RNA的结构第三节蛋白质组信息学习题要点：蛋白质组学的概念和分类、相关技术第四节分子生态方法习题要点：分子生态学的研究内容及常用技术第五节免疫学第六节遗传密码基因表达习题要点：遗传密码的特性及基因工程的应用第七节基因组信息学习题要点：遗传图谱、物理图谱、序列图谱和基因图谱的定义第八节DNA习题要点：DNA的结构和种类第九节基因芯片习题要点：基因芯片的分类、特点、基本流程和应用本章重点、难点：DNA、RNA的结构；分子生态学的研究内容及常用技术；遗传密码特性及基因工程应用；基因组信息学的应用；基因芯片本章教学要求：掌握DNA、RNA的结构，DNA的种类；掌握基因组信息学的应用；理解基因芯片的分类、特点、基本流程和应用。
分子生态学
分子生态学研究进展摘要:本文主要介绍了分子生物学的产生、概念、内容、途径、研究手段、应用领域和研究热点。
自十九世纪下半叶出现生态学一词至令，已经历了一个半世纪的发展，生态学已形成了较为完整的学科结构和成熟的理论体系。
生态学主要研究种群和生态系统的结构与功能等众多宏观水平的生态学问题，因此，在整个生态学研究内容中，环境分析与生态现象的数学数量分析模拟的内容占了主要部分，其中数量生态学占重要地位。
随着现代科技的发展，特别是计算机与虚拟技术的发展，生态学的数学研究必将会有更多的应用，宏观层次生态规律的认识必将会有更新的认识，许多生态问题会有更好的数学答案。
与此形成鲜明对比的是，生态学中许多生态现象与生态规律的分子机理却研究得很少，而生态学的发展迫切要求用基因、蛋白质、酶等生物分子活动规律来阐释生态规律的进化、演变过程的机理。
分子生物学的形成与发展为此提供了完整的理论依据和方法。
1分子生态学的概况1.1分子生态学的产生一般认为生态学是从宏观的角度研究生物与环境关系的科学，而基因与环境有着密切的联系，生态学的发展迫切要求用基因、蛋白质、酶等生物分子活动规律来阐释生态规律的进化、演变过程的本质和机制。
近20 年来，分子生物学无论在基础理论方面还是在技术开发应用方面均取得了突飞猛进的发展，尤其是聚合酶链式反应（PCR）技术的产生和完善使分子生物学不断向生物科学的各个领域渗透；伴随着分子生物学理论和技术向生态学的渗透和发展，一个由这两个学科相结合的英国生态学学会主办的国际性杂志《分子生态学》于1992 年创刊（1992），这标志着分子生态学已经成为生态学的一个新分支学科。
它是生态学和分子生物学相互渗透的产物，分子生态的的理论与方法在生态学研究中的应用，展现了生态学从宏观到微观全方位蓬勃发展的景象。
1.2 分子生态学的概念分子生态学属生态学的研究范畴。
与普通的生态学研究所不同的是它采用的研究方法是分子生物学的方法，研究层次是基因、酶等分子水平，研究结论是用基因等生物分子活动规律的语言表达，研究对象是各种生态现象与生态问题。
分子生态学
Real-time PCR
同工酶
同工酶：是指一类底物相似或完全想通的酶蛋白，即催化同一种反应 而结构不同的一簇酶。 不同的同工酶，可以用凝胶电泳技术将它们分开，染色后，显示同工 酶谱 酶蛋白分子组成差异反应调控表达这些酶蛋白的基因的差异。
例：利用同工酶技术来研究种群遗传变异
表 果蝇5个种群在18个酶座位下的多态性水平和杂合度
SSR 标记特点： （1）数量丰富，广泛分布于整个基因组； （2）具有较多的等位性变异； （3）共显性标记，可鉴别出杂合子和纯合子； （4）实验重复性好，结果可靠； （5）由于创建新的标记时需知道重复序列两端的序列信息，因此其开发 有一定困难，费用也较高。
实时定量PCR技术
是指在PCR反应体系中加入荧光基团，利用荧光信号积累实时监测整 个PCR进程，最后通过标准曲线对未知模板进行定量分析的方法。
（2）典型的AFLP分析，每次反应产物的谱带在50-100条之间，所以一次
分析可以同时检测到多个座位，且多态性极高； （3）表现共显性，呈典型孟德尔式遗传；
（4）分辩率高，结果可靠；
（5）目前该技术受专利保护，用于分析的试剂盒昂贵，实验条件要求较高。
SNP（单核苷酸多态性）
SNP：个体间基因组 DNA序列同一位置单个核苷酸变异 (替换、插入或缺 失)所引起的多态性。
最重要的功能: 可以让我们了解某个特定表型的性状发生与其调控基 因的表达之间的关系。 由于RNA仅在基因表达时转录，样本中RNA的量可以代表基因表达量。 RNA→反转录成cDNA→用实时定量PCR测定cDNA含量
相对于其它分子标记，更多用于生物对环境的分子适应机制的研究
分子生态学
同工酶
同工酶：是指一类底物相似或完全想通的酶蛋白，即催化同一种反应 而结构不同的一簇酶。 不同的同工酶，可以用凝胶电泳技术将它们分开，染色后，显示同工 酶谱 酶蛋白分子组成差异反应调控表达这些酶蛋白的基因的差异。
例：利用同工酶技术来研究种群遗传变异
表 果蝇5个种群在18个酶座位下的多态性水平和杂合度
SSR 标记特点： （1）数量丰富，广泛分布于整个基因组； （2）具有较多的等位性变异； （3）共显性标记，可鉴别出杂合子和纯合子； （4）实验重复性好，结果可靠； （5）由于创建新的标记时需知道重复序列两端的序列信息，因此其开发 有一定困难，费用也较高。
实时定量PCR技术
是指在PCR反应体系中加入荧光基团，利用荧光信号积累实时监测整 个PCR进程，最后通过标准曲线对未知模板进行定量分析的方法。
（2）典型的AFLP分析，每次反应产物的谱带在50-100条之间，所以一次
分析可以同时检测到多个座位，且多态性极高； （3）表现共显性，呈典型孟德尔式遗传；
（4）分辩率高，结果可靠；
（5）目前该技术受专利保护，用于分析的试剂盒昂贵，实验条件要求较高。
SNP（单核苷酸多态性）
SNP：个体间基因组 DNA序列同一位置单个核苷酸变异 (替换、插入或缺 失)所引起的多态性。
最重要的功能: 可以让我们了解某个特定表型的性状发生与其调控基 因的表达之间的关系。 由于RNA仅在基因表达时转录，样本中RNA的量可以代表基因表达量。 RNA→反转录成cDNA→用实时定量PCR测定cDNA含量
相对于其它分子标记，更多用于生物对环境的分子适应机制的研究
分子生态学
PPT
分子生态学=分子生物学技术+生态学
分子生态学是多学科交叉的学科
图1 分子生态学的多学科交叉性和复合性
图中心阴影圆所覆盖的研究领域都属于分子生态学的研究范畴 图中数字含义为：1=群体遗传学；2=生态学；3=进化生态学； 4=生物地理学；5=行为生物学；6=保护生物学。 图中箭头表示主要的支撑性学科的渗透与融合。
分子生态学成立标志：
1992年《Molecular Ecology》创刊，标志着分 子生态学已经成为生态学的一个新分支学科。
分子生态学的概念 ：
分子生态学是生态学的微观研究层 次与领域，它利用分子生物学原理 方法 和技术，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科学， 从 分子水平探讨生物与环境的关系。
南极洲阿得列企鹅(Adélie Penguin)的古DNA
科 学 家 们 在 南 极 洲 的 ROSS 岛采集到至少据今有8000年 前的阿得列企鹅的层状亚化 石骨。通过分析现存企鹅和 灭绝企鹅的种群样品，我们 能在一个相当长的时间跨度 内直接检验微卫星和线粒体 基因的进化过程。这些数据 将有助于揭示南极洲阿得列 企鹅分子演化机制。
四、分子生态学的研究现状
寻找新西兰KOKAKO鸟的踪迹…… 南极洲阿得列企鹅的古DNA
黑背鸥 Saddleback 的分子进化
寻找新西兰KOKAKO鸟的踪迹……
1996年，新西兰Massey University保护生物学 系的研究人员拾到一片羽毛，该羽毛被怀疑来 自Callaeus cinera cinera（新西兰南岛kokako 鸟）。而该鸟在30年前就已经被认为灭绝。为 了鉴定该羽毛的归属问题，该学校分子生态学 实验室的研究者们承接了这一课题。 按常例，当羽毛从某一个体拔下后，其尖部常 常留有小量DNA。通过对微量DNA进行PCR扩 增，来自该羽毛的DNA代码或序列就能确定。 然后通过定位序列的特异标志区，并将这些区 域与新西兰鸟类DNA数据库进行比较。研究结 果发现，未知羽毛中发现的DNA与新西兰南岛 kokako鸟完全匹配，则证明找到了本已“灭绝” 的kokako鸟。
生态学基本知识
生态系统生态学(Ecosystem Ecology)
景观生态学(Landscape Ecology) 全球生态学(Global Ecology)
第一部分、种群生态学
第一节、种群的概念与种群统计学基本 参数 第二节、种群的数量变动与生态对策 第三节、种群的衰退与灭绝
第一节、种群的概念与种群统计 学基本参数
（三）时滞影响的种群动态
时滞：当种群在一个有限的空间中增长时，随着种群密度上升引起
种群增长率下降的这种自我调节能力往往不是立即就起作用的。 负反馈信息的传递和调节机制生效都需要一段时间，这就是种群 调节的时滞。
超越：由于时滞影响，种群在开始时的增长速率比没有时滞更慢，
但是，在超过平衡点后还会继续增长，称为超越。
2、K选择的这类生物可称K对策者，其种群密度 比较稳定，经常处于环境负载量值上下。因为 其生境是长期稳定的，环境负载量也相当稳定， 种群超过K值反而会由于资源的破坏而导致K 值变小，从而对后代不利。
鳕鱼
r选择者
鲨鱼
K选择者
从进化论的观点讲，生态对策是生物适应 于不同栖息生境，朝这两个不同方向进化的 “对策”。r对策者和K对策者是两个进化方向 不同的类型，K对策者把较多的能量用于逃避 死亡和提高竞争能力，r对策者把较多能量用于 繁殖。
（1）动态生命表(称股群生命表和特定年龄生命表): 是 根据观察一群同期出生的生物的存活情况所得数据而 编制的。
（2）静态生命表：是根据某一特定时间，对种群作年龄 分布的调查结果而编制，所以又称特定时间生命表。
现以藤壶为例说明编制生命表的具体方法。
藤壶（Balanus glandula）的生命表
五、种群内禀增长率
种群内禀增长率：当种群处于最适条件下（食物、空 间不受限制，理化环境处于最佳状态，没有天敌出现， 等等），种群的瞬时增长率称为内禀增长率，也即种 群的最大增长率。 一般情况下人们通过在实验室提供最有利的条件 来近似地测定种群的内禀增长率。
分子生态学-植物的行为生态学-PPT
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The establishment of the S. reinii population on the
southeastern slope of Mount Fuji involved two sequential
modes of seed dispersal: long-distance dispersal followed by
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第一节 花粉散布和种子传播
鲜艳的花瓣可以吸引昆虫来采蜜， 帮助花朵完成授粉受精过程。
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第一节 花粉散布和种子传播
异花传粉的方式： 依靠风力
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第一节 花粉散布和种子传播
虫媒花、风媒花
依靠风力传粉的花，叫风媒花。
风媒花一般都很小，不艳丽，没
有香味和花蜜，如玉米的花。
依靠昆虫传粉的花，叫虫媒花。
分子标记是不同基株鉴定较有效的工具。
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案例：克隆繁殖种群的鉴定
Lian et al. , 《Molecular Ecology》, 2003, 12(3):609-618
The early stage of volcanic desert succession is
underway on the southeastern slope of Mount Fuji.
每几十年或几个世纪，阵发式的种苗补充，这与干扰有关， 这种方式称为机会窗口补充(recruitment of windows of opportunity，RWO)。
ห้องสมุดไป่ตู้
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微生境的异质性
通过多样性选择(如频率依赖选择，frequencydependent selection)而促使不同基因型的新个体 占据不同的微生境。
第1章 分子生物学导论
4 系统生物学
各种组学与生物信息学相互渗透催生系统生物学 系统生物学是研究生命系统复杂性的科学： 结构复杂性、功能复杂性、相互作用复杂性 系统生物学的研究思路和方法：
自上而下：分子行为→组学分析→网络与信息流→生物机制 自下而上：功能产物→组分变化→相互作用网络→生物机制
系统生物学是利用由各种组学获得的数据，在一 个比传统生物学更高层次上分析活生物体的一门 学科。系统生物学将使生命科学由描述式的科学 转变为定量和预测的科学。 系统生物学将在基因组序列的基础上，完成由生 命密码到生命过程的研究。
在农业领域，欧美相继启动了猪、牛、羊、
鸡等主要畜禽的基因组计划，其研究重点是 重要经济性状基因的定位与分析。植物方面， 在完成模式植物拟南芥和水稻基因组全序列 测定的基础上，启动了玉米、大麦、小麦、 油菜、棉花、大豆、番茄等一大批农作物基 因组学的研究。在基因组测序的基础上，把 基因序列与基因功能对应与结合起来，将使 功能基因组学研究全面展开。
(3) 分子生物学的建立和发展
学科基础：1953年Watson and Crick提出双螺旋
结构模型。1956年Kornberg 首先发现DNA聚合酶。 1958年Meselson 及Stahl 证明DNA半保留式复制。 1968年Okazaki 提出DNA不连续复制模型。1972 年证实DNA复制开始需要RNA作为引物。由此，从 理论上解决了遗传信息的贮存、复制与传递的机理。
Jacob Monod：Molecular biology was based on the idea that principal characters of life may be explained with their structures of macromolecules.
大学课程生态学-分子生态学课件
分子生态学 分子生物学
生理学 细胞学
生态学
10-9
10-6
10-3
1 103
106
109
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
系统发生学
保护生物学
进化生物学
古地学/古气候学
1. 蛋白质多态性ห้องสมุดไป่ตู้protein polymorphism) —— 指一种蛋白质存在多种不同的变型，这些变型的产
生是由于同一基因位点内的突变，产生复等位基因，导致合 成不同类型的蛋白质。
人类蛋白质的多态性往往和人种及其地理分布有关。在 目前已发现的近20种载脂蛋白中，ApoAⅠ、AⅡ、AⅣ、CⅡ、 CⅢ、E及Apo(a)等存在明显的多态性
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
• 分子生态意义：作为基本判别假设和理论基础。
2. 种群分化是生物进化的必要途径
1、种群分化的结果： 新种形成； 种群的杂合度降低
2、Wright’s F统计方法： F近似地代表等位基因被固定的可能性，又称固定系数。 亚种群相对于整个种群的近交系数：FST= (HT-HS)/HT 个体相对于所属亚种群的近交系数： FIS= (HS-HI)/HS 个体相对于整个种群的近交系数： FIT= (HT-HI)/HT HI ,HS ,HT 分别表示个体、亚种群和种群的平均杂合度； (1- FIS)(1- FST)=(1- FIT)
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“Molecular ecology”杂志 在英国创刊， 标志着分子生 态学已成为生 态学的一个新 的分支学科。 从此，分子生 态学进入了快 速发展期。
目 录
一、分子生态学的产生与发展
二、分子生态学的理论基础
三、分子生态学的研究方法 四、分子生态学的研究实例及展望
二、 分子生态学的理论基础
1、分子进化的中性理论（Neutral Theory）
三、 分子生态学的研究方法
1、基于蛋白质的方法
同工酶技术的原理
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。
图3.1.3 酯酶同工酶扫描图谱
古生物学
生态学
系统发生学
进化生物学
一、分子生态学的产生与发展
3、分子生态学的发展
1963年 1976年 1984年
1966年
1992年
M. Nass和S. Nass发现了mt DNA，使探讨 生物进化和生态 学等领域的一些 问题成为可能。
Harris首次 把同工酶分析 用于人类。 Richardson等 出版了“等位 酶电泳-动物系 统学和种群研 究手册”，形 成分子生态学 的雏形。
二、 分子生态学的理论基础 9、溯祖理论
定义： 追溯共同祖先的后代系谱进化特征、动态变化过程和 样本特性的群体遗传学理论。 溯 祖 过 程
演 化 分 支 过 程
假定种群在个世代保持数目恒定，即每个等位基因有N 个拷贝，则种群中任一对基因a在t时代以前的概率为：
p=(1-1/N)t-1/N
单倍体朔祖时间N ，二倍体为 2N
等位酶
有些酶会在外界诱导下选择性的表达，有些并非中性，生活在不同环境 下的野生种群中显示出明显的选择性。
核DNA标记
选择作用会对包括RAPD、AFLP和微卫星位点或与他们连锁的基因在内 的一些分子标记产生影响。
二、 分子生态学的理论基础 2、哈迪-温伯格法则 （Hardy-Weinberg principle ）
理论核心：分子水平上的绝大多数突变是选择上中性的， 因而他们在进化中的命运是随机漂变的，而不是由自然选择 决定的。 中性理论对种内遗传变异的解释： 分子水平上的绝大部分种内遗传变异（即遗传多态现象）是 选择上中型的，突变速率和遗传漂变速率决定遗传多态性的 变化速率。 中性突变与自然选择的辨证统一：少量突变的非中性。 中性理论在分子生态中的应用： 排除假设的基础。种群遗传进化：选择、突变、随机遗传漂 变、迁移、自然灾害、社会结构等。
分子生态学 产生与发展、理论基础、研究方法、研究实例。 遗传多样性 含义，影响因素、检测方法，研究意义。 研究实例 景观破碎化对千岛湖黄连木复合种群遗传多样性及空间遗传结 构的影响。 （微卫星引物开发及筛选、分子标记RAPD 鉴定植物性别）
分子生态学概述
（Molecular Ecology）
系统分类学：物种的鉴定；蛋白质和核酸的序列 变化可以在任何生物类群之间进行比较。
进化生物学：自然选择、中性学说、遗传漂变 生态遗传学：基因型、表型、表型可塑性 行为生态学：个体之间亲缘关系、合作关系
一、分子生态学的产生与发展
2、分子生态学与其他学科的交叉
分子生物学 生物地理学 群体遗传学 数学 分子进化 保护生物学 古地学/古气候学 分子生 态学 行为生物学
二、 分子生态学的理论基础 7、有效种群大小（Ne）
估算方法:
① 计算种群世代间等位基因频率的即时变化（不同世代，样 品数量，多态位点数量）
② 有效成体繁殖数目（Nb）可用于估算Ne （非离散世代）
③ 基于重复取样的最大似然法（被广泛应用） ④ 从杂合性的预期关系上估算Ne （适合对整个物种的全部 进化时间上的探讨）
(1).种群分化的结果： 新种形成；种群的杂合度降低。 (2).Wright’s F统计方法， F近似地代表等位基因被固定的可能性，又称固定系数。 近交系数 FIS
是指在某个基因位点上，一个个体从上代得到两个等同的等位 基因的概率，其变化范围在-1和+1之间变动。
FIS>0或FIS<0，说明该位点存在纯合子或杂合子过多的情况； FIS=0表明等位基因频率符合Hardy-Weinberg平衡，该种群在该 位点上是随机交配的。
二、 分子生态学的理论基础 6、基因流与迁移率
距离隔离 先估亚种群对之间的Fst值和基因流，再寻找距离造成的隔 离作用。区别现时基因流和近期历史上可能的分隔。
美国和墨西哥西南部耧斗菜属（Aquilegia）种群间是否有 任何基因流的存在。
迁移率的估算 最大似然法 应用时应注意从更多位点获取信息样（本量足够大），尽可 能与直接进行测量的生态学方法（标记重补或放射示踪法） 进行对比。
目 录
一、分子生态学的产生与发展
二、分子生态学的理论基础
三、分子生态学的研究方法 四、分子生态学的研究实例及展望
一、分子生态学的产生与发展
以个体为基础的宏观生态系统
生态系统
以细胞为基础的微生态学统
以核酸分子和其他生物活性 分子为基础的分子生态系统
一、分子生态学的产生与发展
1、分子生态学的概念
Hoelzel 和Dover (1991) Molecular genetic ecology 分子生态学是用DNA和蛋白质的特征, 研究物种的进 化、演化及种群生物学。 1992 年创刊的“ Molecular ecology ”的定义: 分子生态学是生态学和种群生态学的交叉, 它主要利 用分子生物学的方法研究自然, 人工种群与其环境的 关系以及转基因生物(或其产物释放) 所带来的一系列 潜在的生态学问题。
二、 分子生态学的理论基础 10、分子系统发生分析
分子系统发生（异中求同）分析的基本方法： （1）距离法：依据每对单元间的进化距离建立进化树。 （2）最大简约法： 对于分子数据，该方法计算在最少的碱基替换条件下能够解释 整个进化过程的拓扑结构（系统进化树）。 （3）最大似然法： 对观察数据符合每种拓扑结构的可能性进行最大化计算，可能 性最大的拓扑结构被选为终解进化树。 （4）贝斯法： 检验观测数据与理论假设的偏离是否大到否定假设的程度，或 者现有数据是否足以支持作出有关结论。
生物形态 遗传
协调适应的分子机理
生理生殖 进化
一、 分子生态学的产生与发展
2、分子生态学与其他学科的交叉
分 子 生 态 学 分子生物学 生理学 细胞学 生态学
10-9
10-6
10-3 Scale (m)
1
103
106
109
尺度 与学科的关系示意图
一、分子生态学的产生与发展
2、分子生态学与其他学科的交叉
二、 分子生态学的理论基础 8、种群瓶颈（效应）
定义：
有效种群大小明显下降，这种减少有可能是暂时的，也可能 是长久的。
危害：
增加有害等位基因的随机固定。瓶颈作用的持续时间越长， 造成的等位基因丢失则会越多。
遗传检测： 基于瓶颈效应期间的相对于等位基因多样性的杂合度瓦解。 （具体分子标记的数量、种类、平均杂合度以及瓶颈效应前 后Ne的比值）。
目 录
一、分子生态学的产生与发展
二、分子生态学的理论基础
三、分子生态学的研究方法 四、分子生态学的研究实例及展望
三、 分子生态学的研究方法 1、基于蛋白质的方法 同工酶技术
催化同一种反应而结构不同的一簇酶称为同工酶，如 果是等位基因决定的同工酶,又称等位酶。
图3.1.1 蛋白质的提取及电泳分析
二、 分子生态学的理论基础 10、分子系统发生分析
定义： 从生物大分子的信息确定不同生物在进化过程中的地 位、分歧时间以及亲缘关系，建立分子系统树，从而 推断生物的进化历史。 分子系统发生（异中求同）分析的基本原则： （1）分子标记的中性原则； （2）进化速率恒定原则，符合“分子钟”假设； （3）分子标记在研究类群中直向同源： （4）分子标记具有适当的遗传变异度。
向近敏等(1996) 分子生态学[M]：
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学科。
一、分子生态学的产生与发展
1、分子生态学的概念
目前较为一致的看法:
生态学的微观研究层次与领域，它利用分子生物学原理、方 法和技术，来研究生命系统与环境系统相互作用的机理及其 分子机制的科学，从分子水平探讨生物与环境的关系。
二、 分子生态学的理论基础 1、分子进化的中性理论（Neutral Theory）
中性理论下的中性标记并非真的中性
搭乘效应（hitch-hiking）
பைடு நூலகம்
中性标记位点在物理距离上与一个受选择的基因相邻（在同一染色体 上），以至于它们之间很少重组，中性标记位点等位基因就与那些基因 共分离而表现出受选择的作用。
内涵：在满足下列假设的条件下，生物种群的等位基因 频率和基因型频率世代间保持不变。 （1）有性繁殖并随机交配； （2）等位基因在雌雄两性中随机交配； （3）种群足够大； （4）世代不重叠； （5）没有自然选择、突变和迁移。 分子生态意义：作为基本判别假设和理论基础（遗传标 记方法）
二、 分子生态学的理论基础 3、种群分化是生物进化的必要途径
二、 分子生态学的理论基础 7、有效种群大小（Ne） 定义
一个种群中能将其基因连续传递到下一代的个体平均数。 实际上相当于理想状态下（种群大小的稳定，世代之间没 有重叠，所有个人以相同的概率给下一代贡献配子）种群 的大小。
影响因素：
参与生殖个体性别的比例相差很大； 参与生殖个体贡献个下一代的配子数有差异； 种群中个体数在短期内呈周期性变化； 不同世代之间有重叠； 一个物种有多个遗传相对隔离的亚种群构成 。