遗传多样性分析的方法与步骤

遗传多样性分析的方法与步骤

摘要：本文对生物的遗传多样性进行阐述，并综述了检测遗传多样性的形态学标记、细胞学标记、生物化学标记和分子标记4种遗传标记的发生与发展过程,并比较了各自的优缺点及其应用。

关键词：遗传多样性；形态学标记；细胞学标记；生物化学标记；DNA分子标记Genetic Diversity Analysis Method and Steps

Abstract:In this paper, the biological genetic diversity were summarized, and elaborates the detection of genetic diversity morphology mark, cytology mark, biochemical markers and molecular marker and genetic markers of the occurrence and development of the process, and compare their advantages and disadvantages and application.

Keywords:genetic diversity; Morphological markers; Cytology mark; Biochemical markers; DNA molecular markers

前言遗传多样性是生态系统多样性和物种多样性的基础,任何物种都有其独特的基因库或遗传组织形式[1]。广义的遗传多样性是指地球上所有生物所携带的遗传信息的总和,但通常所说的遗传多样性是指种内的遗传多样性,即种内不同种群之间或一个种群内不同个体的遗传变异[2]。遗传多样性的表现形式是多层次的,可以从形态特征、细胞学特征、生理特征、基因位点及DNA序列等不同方面来体现,其中DNA多样性是遗传多样性的本质[3]。通常,遗传多样性最直接的表现形式就是遗传变异水平的高低。然而,对任何一个物种来说,个体的生命是短暂的、有限的,而由个体构成的种群或种群系统(宗、亚种、种)在自然界中具有其特定的分布格局,在时间上连续不断,是进化的基本单位。因此,遗传多样性不仅包括变异水平的高低,而且包括变异的分布格局,即种群的遗传结构。种群遗传结构上的差异是遗传多样性的重要体现,一个物种的进化潜力和抵御不良环境的能力既取决于种内遗传变异的大小,也有赖于种群的遗传结构[4]。

1 遗传多样性的意义

根据联合国5生物多样性公约，生物多样性是指所有来源的活的生物体中的变异性, 包括陆地、海洋和其它水生生态系统及其所构成的生态综合体[ 1-7]。遗传多样性作为生物多样性的重要组成部分, 是生态系统多样性和物种多样性的基础方面, 任何物种都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基因的多样性。因此, 广义的遗传多样性是指地球上所有生物所携带的遗

传信息的总和。遗传多样性是重要的生物资源。遗传多样性的丧失是人类赖以生存资源的永久性丧失, 随着现代工业和科技的不断发展, 生态环境明显恶化,遗传多样性的研究、保护及可持续利用已成为全球瞩目的问题。所以广义上讲, 保护遗传多样性就是保持生物多样性和人类赖以生存的生态环境。

2、遗传多样性研究的方法及其步骤

对遗传多样性的系统研究始于十九世纪,达尔文在《物种起源》中用大量资料和证据揭示出生物中普遍存在变异现象,并发现了大部分变异有遗传现象,他把这种可遗传的变异称为多样性。随着孟德尔遗传定律的重新发现,摩尔根染色体遗传学及后来发展的细胞遗传学的诞生为群体遗传理论的发现奠定了基础并提供了科学的实验证据,充分证实了在自然界中确实存在大量的遗传变异。随着生物学理论和技术的不断进步,以及实验条件和方法的不断改进,检测遗传多样性的方法日益成熟和多样化,可从不同的角度和层次来揭示物种的变异。遗传标记(genetic markers)的发展经历了形态学标记(morphological markers)、细胞学标记(cytological markers)、生物化学标记(biochemical markers)和分子标记(molecular markers)4个主要阶段。

2.1 形态学标记

形态学标记是与目标性状紧密连锁、表型上可识别的等位基因突变体,即植物的外部特征特性。典型的形态学标记用肉眼即可识别和观察;广义的形态学标记还包括借助简单测试即可识别的性状,如生理特性、生殖特性、抗病虫性等。从形态学或表型性状上来检测遗传变异是最古老也是最简便易行的方法。通常所利用的表型性状有2类,一类是符合孟德尔遗传规律的单基因性状,如质量性状、稀有突变等,另一类是由多基因决定的数量性状。由于自然界中单基因性状较少,作为遗传标记,主要是用于一些农作物、林木、园艺作物及其野生近缘种的遗传多样性研究,而且多用于研究交配系统、基因流和选择等进化因素。而数量性状的变异则大量存在,对其进行研究同样能分析居群或个体的遗传变异,并且结合数量遗传学的方法来研究数量性状的遗传变异,通过特定的杂交试验和后代测定能分析性状在亲本与子代间的传递规律,并将影响变异的遗传因素同环境因素区分开,从而确定遗传因素在性状变异中的相对重要性;同时能分析遗传和环境的交互作用,甚至可以估算控制数量性状的多基因的位点数目。形态学标记已被广泛应用于遗传图谱的构建、品种演化与分布历史推测[8]、种质资源遗传多样性的分析[9,10]、种质资源的分类与鉴定[11,12]、杂交亲本的选配和核心种质的构建[13]等

研究中。虽然用形态学标记研究遗传多样性具有简便、易行、快速等特点,但是,由于表型性状是基因型与环境共同作用的结果,往往因环境因素的影响而发生变化,有时表型性状的变异并不能真实反映遗传变异;同时,形态标记数量有限,观测标准容易受到观测者的主观判断影响。因此,要更加准确、全面地了解物种的遗传多样性,仅仅依赖形态标记是远远不够的,还必须结合其他的标记技术,进行更深层次的研究[14]。

2.2 细胞学标记

细胞学标记主要是染色体的核型和带型分析。染色体是遗传物质的载体,是基因的携带者。与形态学变异不同,染色体的变异必然会导致遗传变异的发生,是生物遗传变异的重要来源。研究表明,在任何生物的天然居群中,都存在或大或小的染色体变异。染色体的变异主要表现为染色体组型特征的变异,包括染色体数目的变异(整倍性或非整倍性)和染色体结构的变异(缺失、易位、倒位、重复等),染色体的形态(着丝点位置)、缢痕和随体等核型特征也是多样性的来源。染色体分带(chromosome banding)指借助于一套特殊的处理程序,使染色体显现出深浅不同的带纹,常见染色体带型有C带、G带、R带、Q带等[15]。在植物中,染色体的多倍性现象广泛存在,Lewin研究发现约7%的双子叶植物有多倍现象,共涉及114科660属2 800种[16]。植物染色体的数目、形态等是最稳定的细胞学特征之一,染色体的核型、带型等是表明该种系统演化位置以及和近缘种亲缘关系的重要依据,是探讨植物亲缘关系和进化趋势的一个重要途径[17]。Tuna等[18]研究了无芒雀草(Bromusinermis)染色体的核型和带型,推测四倍体无芒雀草可能是异源四倍体,八倍体无芒雀草不是由四倍体的染色体直接加倍形成的。Liu等[19]对山龙眼科Leucadendron属27个物种的核型进行研究,发现它们的染色体都具有对称性,从细胞学的角度证明了该属的原始性。

2.3 生化标记生化标记( biochemical markers)

生化标记生化标记，主要包括同工酶, 是鉴定外源DNA 和研究物种起源进化的有效工具, 它们比形态标记更能提供较大的差异信息,1966 年, Hubby、Lewontin、Johnson 和Harris 分别报道了利用凝胶电泳技术结合酶的特异性染色对果蝇和人类群体遗传变异的定量研究, 打开了用一种全新方法研究天然群体变异的大门。这种方法就是后来在系统学和进化研究领域广泛应用的同工酶电泳技术( Isozyme electrophosis) 。其基本原理是根据不同蛋白质所带电荷性质不同, 通过蛋白质电泳或色谱技术以及专门的染色反应显示出不同形式的同