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。

由于发展时间短，对于这个新研究领域的概念，不同学者从各自的研究背景出发对它的定义有着不同的理解，至今尚无一个大家普遍认同的观念。

下面有几种代表性的解释：Hoelzel(1992)认为，分子生态学是以DNA和蛋白质的特征，研究物种的进化、演化及种群生物学。

而Burke等(1992)在《分子生态学》创刊词中的定义是：分子生态学是研究分子生物学、生态学和种群生态学的界面问题，使用分子生物学的手段来研究自然、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。

黄勇平等(2003)认为，目前较为一致的看法是：分子生态学是应用分子生物学的原理和方法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。

它是生态学与分子生物学相互渗透而成的一门新兴交叉学科，也是生态学分支学科之一。

其特点是强调生态学研究中的宏观与微观的紧密结合，优势在于对生态现象的研究不仅注意外界的作用条件，而且注意分析内部的作用机制。

1.3分子生态学的研究内容
分子生态学主要涉及分子种群生物学、分子环境遗传学和分子适应3个方面的问题，在技术上主要有用于物种鉴定的分子技术、新探针的构建以及用于种群研究的基因序列分析和引物设计以及探讨基因工程产物的环境适应性和投放环境后所引起的物种与环境互作、物种之间互作、种内竞争等方面的生态效应等重要领域。

目前分子生态学研究的主要内容包括分子群体生物学、分子环境遗传学和分子适应等。

实际上分子生态学不是简单的分子技术在生态学问题中的应用，其研究内容还远不止于此。

2分子生态学研究现状
2.1 分子生态学研究途径和技术手段
分子生态学的方法分为两大类，即属于DNA层次的研究方法和蛋白质层次的研究方法。

DNA层次的主要研究对象是mtDNA、叶绿体DNA、核糖体DNA及基因组DNA(或染色体DNA)，蛋白质层次的研究多采用多位点等位酶为指标。

2.1.1蛋白质水平
“等位酶”(allozyme)指一定基因位点上不同的等位基因编码的酶；“同工酶”(isozyme)指通过电泳鉴定的染色功能相同的酶的不同生化形式。

等位酶是同工酶的一种特殊形式，有时也叫等位同工酶。

等位酶分析技术蛋白质技术是分子生态学研究中重要的技术手段。

等位酶对一些普遍理论的提出作出了贡献，如自然种群的遗传维持、性别的进化意义、在适应性进化中基因的角色、种群地理结构的起源以及遗传多样性的生态学意义。

采用蛋白质电泳获得多位点等位酶的谱图是分子生态学研究中最有价值的资料之一。

等位酶技术操作相对简单、花费少、统计方法标准，且有大量资料可以借鉴。

但对于一些狭域分布的地方种群，往往缺乏多态性的位点，无法进行等位酶分析；另外，由于酶自身的特性，使得该技术在实际应用中具有一定的局限性。

2.1.2 DNA水平
DNA通常分2种类型，即核DNA和细胞器DNA。

前者亦称为基因组DNA。

多适宜于种群内的研究；后者相对保守，主要用于研究种间系谱关系。

细胞器DNA为母系遗传，为研究母系血亲关系提供了可能途径。

DNA分析技术与等位酶技术相比较复杂，其基本过程包括：DNA提取、限制性酶切、PCR 扩增、分子杂交、基因文库构建、DNA测序或指纹谱带测定等。

这些常规的分子生物学
技术已广泛应用于生态学研究，归纳起来主要有以下几种DNA技术，即限制性片段长度多态性(RFLPs)、随即机扩增多态DNA标记(RAPDs)、可变数目串联重复(VNTRs)以及简单重复间序列标记(ISSR)和DNA测序(DNA se-quences)。

其中VNTRs包括多位点小卫星(multi —locus minisatellite DNA)、单位点小卫星(single locus minisatellite DNA)和微卫星(microsatellite DNA)3种类型。

3分子生态学的研究领域
3．1 分子生态学在动物生态学中的应用
动物mtDNA的分子量小，且是共价闭合环状双链结构，呈严格的母系遗传，无组织特异性，进化速度快，特别适合进行RFLP分析。

Glaus(1961)首先报道了珍珠鸡(Agelastes Meleagrides)和火鸡(Turkey)mtDNA的RFLP长度多态性，并选用家鸡的16SrRNA、ND。

等基因的DNA探针对鸡形目部分鸟类的亲缘关系进行了研究。

根据已有资料，目前已对131种鸟类进行了mtDNA的RFLP研究。

张亚平等(1997)用微卫星标记对13只人工饲养的大熊猫进行了亲缘关系分析，得出了
繁殖能力较强的父本个体，这对于大熊猫人工繁殖过程中选择有效的雄性个体及理想的配对方案都十分必要。

分子标记技术已广泛应用于对两栖动物(2001)、哺乳动物和鱼类(1999)等类群的遗传谱系关系分析，确定物种或物种内不同品系的亲缘关系。

另外，在濒危动物的保护生态学方面，DNA分子标记技术也有其独特之处。

张德兴教授（2009）的研究团队( 中国科学院动物研究所分子生态学和进化研究组) 运用分子生态学的研究手段, 从多个独立微卫星DNA位点对覆盖飞蝗中国分布区的25 个样点的1 300 多个标本进行综合分析。

他们发现, 尽管飞蝗具有很强的迁飞扩散能力, 中国的飞蝗确实分为北方种群、南方种群和西藏种群3 个具有显著遗传差别的种群, 但是与传统认识不同的是, 广布于中国中、东部的飞蝗并非东亚飞蝗, 而是应隶属于亚洲飞蝗亚种。

该研究成果一方面验证了飞蝗经典分类的一些结论, 另一方面则指出对由Boris Petrovitch Uvarov( 1889~ 1970) ( 被学界誉为“蝗虫之父”) 在20 世纪30年代建立的关于东亚飞蝗的有关权威观点进行修正的必要性。

在动物分子生态学研究中，获取试验材料一直是困扰研究者的一大难题。

常用方法是捕获或者麻醉动物，然后采集血液或组织。

但从野生动物保护的角度来说，该方法存在许多问题，使其应用受到限制。

首先，野生动物对人类相当警觉，或其出没地区人类难以到达，捕捉它们有一定难度；另外，捕捉和麻醉都有可能干扰其正常生理过程，改变其行为或更换栖息地；再者对一些濒危动物个体的伤害则可能影响到整个种群，甚至整个物种的安危。

动物体时时刻刻都在进行新陈代谢，其肠道也会有细胞脱落混在其粪便中而排出体外。

研究表明，每克人的新鲜粪便中有105个肠道细胞，而且大部分是活细胞（ALBAUGH G P等，1992），这就意味着可以从粪便中获取粪便产生者的DNA进行分子遗传学分析。

3．2 分子生态学在植物生态学中的应用
府宇雷等（2002）应用随机扩增多态DNA(RAPD)方法，分别对我国5个纬度8个不同地点的野大豆(Glycine soia)种群及浙江金华地区5个野大豆种群，进行了分子生态学研究，发现这些野大豆种群存在较高的遗传变异，并且这些变异与地理纬度有一定正相关。

李丹等（2001）也通过RAPD对3个马尾松种群的遗传多样性的分析表明，遗传多样性主要仍在种群内(>97％)，种群间遗传距离值与海拔差距呈显著正相关。

叶绿体DNA是多拷贝、非重组的。

在大多数被子植物中其遗传信息只通过种子传递，因此它反映了种子的基因流动状况。

林鹏(2001)用分子生态学技术研究红树群落，澄清了木榄属(Bruguiera)的尖瓣海莲(B. sexangula var. phynchop etala)的归属问题，明确了尖瓣海莲是海莲(B. sexangula)的—个变种，而非海莲与木榄(B. gymmorrhiza)的杂交种。

总体而言，分子生态学在植物生态学中的应用范围是：濒危植物保护生物学的应用、物种的遗传多样性和种群生存力分析、植物的生殖行为研究以及转基因植物释放的生态学评估等。

3．3 分子生态学在微生物生态学中的应用
自然界中存在大量不可培养的微生物，因此，传统方法研究微生物的区系缺乏全面性。

而rRNA基因序列高度的保守性和多样性，可以据其序列的相似程度反映出它们的系统发育关系(1997)。

其中，16S rDNA序列分析已成为细菌种属鉴定和分类的标准方法，并揭示了许多微生物新类群。

近年来，23s rRNA的基因及16—23s rDNA问区(iSR)的序列分析已成为细菌分类和鉴定中的热点。

总之，以rRNA基因分析方法为代表的核酸技术将微生物多样性及微生物生态学研究带入了新的时代，极大地推动了微生物多样性的研究。

根据rRNA 基因的多拷贝性及高度保守的特性，利用核酸探针技术可以检测环境样品中微生物的种群或特定种的存在。

目前这类探针已用于检测Escherichia coli，Listeria spp．，Yersimia spp．及
Mycobacterium avium等致病性细菌。

Mcorist等（1997）用复合引物技术检验了Lawsonia intracellularis为回肠炎的流行病学调查提供了快速、准确的方法。

核糖体序列(rRNAs或rDNAs)分析已经成为研究微生物分类单元之间系统进化关系的最常用方法。

5s rRNA包含了种的专一性的核苷酸特征决定了它可被用于物种的鉴定。

16s rRNA是当今研究得最透彻的分子之一，上百个物种的部分或全部16s rRNA序列已经探明。

16s rRNA的分析使微生物学家对原核生物系统发育有了新的认识，导致了三界系统的出现。

常用分析方法是RT—PCR、PCR—DGGE和克隆测序等技术。

最近，张晓君等（2003）利用16s rDNA克隆测序的方法分析了马兰冰川一个深层冰芯样品的微生物多样性，样品中有许多序列与嗜冷微生物的序列很相似。

Gong等（2002）和Whitford等（1998）分别用PCR —DGGE技术研究了肉仔鸡肠道和瘤胃微生物的区系。

本实验室采用PCR—IX3GE研究了超早期断奶仔猪全消化道微生物区系，并且比较了几种不同日粮对猪消化道微生物区系的影响。

基因工程微生物(genetically engineered microorganism，GEM)生态学的研究已成为微生物分子生态学的一项主要研究内容之一。

GEM生态学研究的主要内容有生物学特征鉴定、GEM的适合度和潜在的延迟效应、环境释放规模和频度、基因转移和遗传稳定性以及潜在的生态影响。

王平等（1996）也采用发光光度法对土壤中小麦根部带lux AB基因的荧光假单胞菌进行了跟踪检测和回收，发现在接种后5个月的田里的土壤中还能用上述方法检测到定殖于小麦根部的标记菌株。

3．4 分子生态学与空间生态学的结合应用
生态学发展至今有2件大事令人瞩目：一是1992年《分子生态学》的创刊，标志着分子生态学这门学科的正式诞生；一是被称为“生态学理论的最后前沿”的空间生态学(Spatial ecology)的诞生。

空间生态学是一门侧重生物个体及其组织的空间位置和各种生态过程空间尺度的学科，在其理论模型中往往直接或间接包含有空间变量。

目前在许多实例研究中，这2门学科正逐步融合到一起。

尤其是微卫星等DNA标记技术已被广泛应用于分子生态学研究的多个领域中，在种群的空间遗传结构、基因流研究领域正逐步与现代空间技术(3S)结合起来。

开拓了分子生态学与空间生态学相结合的新的研究领域一空间分子生态学(Spatial Molecular ecology)。

4分子生态学的研究热点
4.1 生态适应性研究
研究植物对水、温度、盐、重金属等非生物胁迫的分子反应以及生物胁迫反应，包括胁迫环境下植物数量性状的QTL定位、热激反应的生态适应等。

研究表明，多数黄酮类物质可缓解热胁迫而保证Imomoea purpuread的正常结实（张爱兵等，2002）。

4.2 重组生物带来的危险
重组生物的存活、繁殖、扩散和对其他生物的影响以及对重组生物提出生态预测，是分子生态学研究的热点问题之一。

一些学者认为，大多数遗传工程产生的产物并不会带来大的风险，然而人们并不能因此排除它们中的一部分会带来严重后果。

虽然现在尚无关于遗传工程改良产物危险环境的令人信服的证据，但依据人类在引种、育种方面的经验，以及目前遗传学、生态学及进化学等有关知识，可以推论遗传工程生物释放于环境可能产生的潜在效应（康乐等，1995）。

4.3 保护生物学
保护生物学的核心是生物多样性的保护。

就物种多样性而言，尽管遗传工程本身在技术上可增加其潜力，但实际上遗传工程改良生物投放环境后的直接和间接效应却将减低物种的多样性。

在生产上，人们更愿意选择产量高的品种而将其他品种淘汰。

遗传工程生物的专利禁止育种学家们自由交换种质，限制遗传交流等都降低了遗传多样性。

转基因生物进入环境后参与的优良物种竞争可能会使一些本来稀有的动植物种类灭绝或排斥本地种。

如何协调遗传工程或保存物种、基因的多样性的矛盾是分子生态学的一个重要任务。

4.4 行为生态学
目前对动物行为生态学研究较多。

而植物行为生态学正处于发展的初级阶段，它的一个重要特点是把生态学与行为学、遗传学和进化理论结合在一起，并引入经济学思想，探索新的研究理论和研究方法。

其研究热点主要有：花粉和种子传播的分子鉴定；克隆繁殖植物的克隆结构及其斑块形成机制等；有性繁殖和无性繁殖的比例（蒋志刚等，1997）。

5 小结与展望
分子生态学才刚刚兴起十几年，但发展很快。

可以预计，随着各种检测DNA多样性方法的发明和广泛使用，分子生态学将成为生态学的—个重要研究领域，其研究范围将越来越广泛，研究内容也越来越丰富，阐明问题也越来越深入，各种生物种群的遗传结构将得到迸一步阐明。

通过适应性基因的克隆及其分子分析可以揭示适应的起源并建立一个统一的进化理论。

更重要的是分子生态学从功能上阐明生态学过程的分子机理。

分子生态学方法是一类已经建立的且具洞察力的方法，但进一步的发展不仅依赖于对已利用的分子变异的性质和动态的深入理解，还依赖于将分子遗传数据和现时的及历史过程的综合信息的有效结合。

做到后者必须投入大量的精力去研究具体的实例。

当前，我国分子生物学的研究已具备了良好的发展基础，并取得了一定的成果，这为分子生态学的研究提供了一定的有利条件。

同时，我国生物种类和生态系统巨大的丰富多样性，为开展分子生态学研究提供了必要的前提。

近年来，虽然对生物多样性的重要性的认识已经有了很大提高，但对于地球上蕴藏着的巨大生物多样性的认识还仍不足，分子生态学技术的产生使研究生物多样性的方法更为直接。

通过对生物生态系统的组成、不同个体间及种群间的相互关系的测定，对于生物多样性的研究是非常重要的。

可以预见，分子生态学技术为生物种群进化过程的研究提供了一个全新的方法，也为生物多样性保护的研究打开了新的篇章（HEIG S M 1994）。

生物种群遗传结构动态、遗传多样性在生态系统中的功能以及全球变化条件下遗传资源的丢失等问题也亟待分子生态学技术提供解决途径与洞察视角。

由此，作者认为将分子生态学技术与种群统计、生理学等方法结合起来，将分子信息与生态、统计、生理的野外数据结合起来，各种生物种群的遗传结构才能得到进一步阐明，才能理解物种或种群的进化规律．伴随着各种检测DNA多样性方法的发明和广泛使用，分子生态学的研究将为生物多样性的研究带来革命性的前景。

当然，分子生态学也仅仅是一种新的技术手段，只有将它与传统生态学、种群统计、生理学、环境学等学科和方法结合起来，将分子信息与生态的、统计的、生理的野外数据结合起来，才能最终理解种群的结构与动态、物种不同形态及生理特征的实际意义，才能理解物种或种群的进化规律。

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