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        分子標(biāo)記在種群遺傳學(xué)研究中的應(yīng)用

        2010-08-15 00:46:11黃文達趙學(xué)勇趙哈林王少昆
        草業(yè)科學(xué) 2010年11期
        關(guān)鍵詞:標(biāo)記技術(shù)遺傳學(xué)種群

        黃文達,趙學(xué)勇,趙 昕,趙哈林,連 杰,王少昆

        (1.中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所,甘肅蘭州 730000;2.中國科學(xué)院研究生院,北京 100039)

        近年來,種群遺傳學(xué)已經(jīng)逐漸發(fā)展壯大。這門學(xué)科有3個重要組成部分:有效檢測DNA信息片段的技術(shù)[1-2];對DNA數(shù)據(jù)庫進行統(tǒng)計分析;方便快捷的計算機軟件應(yīng)用[3],這使得利用分子遺傳學(xué)數(shù)據(jù)將生物固有的特性緊密地聯(lián)系在一起成為可能,從而在不同的生物等級中揭露其特有但至今尚未發(fā)現(xiàn)的信息[4]。目前,由遺傳數(shù)據(jù)得到的基因族譜信息和單基因位點遺傳標(biāo)記技術(shù),已經(jīng)能夠有效地回答一些生物學(xué)問題,同時為進化生物學(xué)、種群生物學(xué)和保護生物學(xué)的發(fā)展也提供了技術(shù)支持。

        1 種群遺傳學(xué)的研究進展

        種群間不同個體的基因組DNA序列存在差異,這種變異通常發(fā)生在個體基因(或基因型)水平。某個基因是否會發(fā)生變異在時間和空間上受其他生物和個體的影響,而且變異會通過繁殖、遷徙、種群大小改變和自然選擇在個體間傳遞。利用種群遺傳模式,探討種群統(tǒng)計特征和分子遺傳變異分布之間的聯(lián)系[5],可以對有機體的生物學(xué)信息做出一定的推斷。遺傳變異對個體的影響最終導(dǎo)致對整個種群的影響,這個過程反過來也影響物種形成和物種的等級分類[6]。因此,利用不同的遺傳標(biāo)記對個體遺傳變異水平進行研究,可以獲得任何一個種群及其進化過程中任一階段的正確信號和信息。

        分子標(biāo)記在種群生物學(xué)中的應(yīng)用性,將為不同級別的種群生物學(xué)提供信息。首先,最敏感的遺傳信號是基因型數(shù)據(jù)組成(genotypic arrays),運用微衛(wèi)星定位的方法,通常能在抽樣個體中發(fā)現(xiàn)這種信號。在有性繁殖的物種中,這些數(shù)據(jù)組合會代代改組,因此有利于規(guī)模性種群的快速形成,例如親子關(guān)系和相互作用的個體之間的關(guān)系識別[7-10]。不過,在沒有頻繁遺傳重組的有機體中通常能識別這種數(shù)據(jù)組合[11]。其次,微衛(wèi)星定位、線粒體DNA和其他的單基因標(biāo)記也可以用于個體基因分析,揭示其發(fā)生重組的頻率和地理分布的遺傳分析。比起基因型數(shù)組,這些研究方法的變化在較大的時間和空間尺度上是有效的遺傳標(biāo)記,這些標(biāo)記可以說明基因流和種群史,即使是存在有限遺傳變異的物種[12-13]。第三,發(fā)生突變以后,新等位基因的產(chǎn)生過程會很慢,因此,新等位基因之間進化關(guān)系(等位基因和基因族譜,或系統(tǒng)發(fā)育)的分析是富有信息的。同時,這種過程也是系統(tǒng)地理學(xué)、形態(tài)學(xué)和較深的分類系統(tǒng)發(fā)育體系重建的長期過程[6]。

        2 分子標(biāo)記在種群遺傳學(xué)研究中的應(yīng)用

        用于種群遺傳分析的遺傳學(xué)技術(shù),是一個令人費解的基因型數(shù)據(jù)組合[4]。但是,把研究重點放在技術(shù)本身不同的研究特性方面,會有助于對種群遺傳分析方法的理解。遺傳標(biāo)記只是每個位點上具有豐富信息的遺傳特征。通常,在一個二倍體有機體內(nèi),每個位點上可以有1~2個不同的等位基因。所有的遺傳標(biāo)記都能反映DNA序列的差異,因此,通常應(yīng)該在數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實驗操作簡便之間做一個權(quán)衡。每個獨立的位點都能對假設(shè)進行獨立檢測。因此,若許多個位點都分別對假設(shè)進行獨立檢測,將能產(chǎn)生大量敏感的數(shù)據(jù)組合。遺傳變異通常是按等級分布的,例如,一個個體內(nèi)的2個等位基因,一個亞種群內(nèi)的N個個體和一個種群內(nèi)的Y個亞種群。因此,數(shù)據(jù)要能經(jīng)得起分析檢驗,運用的方法要與生態(tài)學(xué)家們認(rèn)可的主要統(tǒng)計學(xué)方法密切相關(guān),包括方差分析、空間自相關(guān)因素分析等。與此同時,根據(jù)研究特性,對不同遺傳學(xué)技術(shù)進行篩選,以便得到較為可靠的遺傳數(shù)據(jù),從而提高種群遺傳分析的準(zhǔn)確性。

        2.1 分子標(biāo)記的選擇若要對某個種群進行遺傳調(diào)查,選擇恰當(dāng)?shù)倪z傳標(biāo)記將是一個良好的開端。遺傳調(diào)查時存在的主要問題和具體標(biāo)記方法的屬性如下。

        2.1.1靈敏性 用來解決問題的標(biāo)記必須要有正確反映信息的能力。研究對象可能會存在很多遺傳信息(如果個體之間差異太大,那它們之間就沒有任何聯(lián)系)或很少的信息(沒有信號)。研究過程中不斷地進行數(shù)據(jù)積累,了解不同的分子標(biāo)記能夠較為準(zhǔn)確地表達不同水平的遺傳信息。在許多能夠恰當(dāng)分辨的標(biāo)記之間,應(yīng)該選擇更切合實際的標(biāo)記。

        2.1.2多位點或單個位點 通常情況下,要考慮到遺傳標(biāo)記的實用性和準(zhǔn)確性2個方面。多位點DNA技術(shù),如 RAPDs(DNA隨即擴增多態(tài)性)[14-22]、AFLP(擴增片段長度多態(tài)性)、RFLP(限制性內(nèi)切酶片段長度多態(tài)性)[23]、ISSR(簡單序列重復(fù))[24-31]、ITS區(qū)(DNA的內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū))[30-35]等;單位點技術(shù),如常用微衛(wèi)星和單拷貝核(scn)DNA區(qū)等。多位點的研究方法在技術(shù)上便于操作,但也存在很多明顯的弱點和局限性,其中包括利用這些方法檢測到的遺傳變異在很大程度上是非遺傳的或甚至不是源于目的有機體。這些缺點已經(jīng)在植物、哺乳動物和鳥類研究中被證明[36-37]。相比之下,單位點標(biāo)記更為靈活,內(nèi)容豐富并且可以聯(lián)系在一起,因為可以分析基因型數(shù)組、等位基因頻率和基因族譜[38]。也有人認(rèn)為,多位點技術(shù)更經(jīng)濟[39]。單位點標(biāo)記技術(shù)的發(fā)展,使得RAPD標(biāo)記被忽視,其表現(xiàn)在一個高水平趨異進化的同形種、種內(nèi)基因流和高水平的基因重組以及生物學(xué)更復(fù)雜的方面。但是考慮到比較數(shù)據(jù)組合的重要性時,單位點標(biāo)記技術(shù)更為經(jīng)濟[38]。

        許多研究表明,種群遺傳分析不能使用多態(tài)位點的數(shù)據(jù),主要因為多態(tài)位點技術(shù)不能提供的位點內(nèi)和位點間等位基因的特性比較,從而對種群遺傳做出分析。但是,多態(tài)位點技術(shù)能產(chǎn)生許多可變帶,因此被廣泛地應(yīng)用在基因圖譜構(gòu)建和數(shù)量性狀分析中[40]。

        2.1.3基因譜系 關(guān)于種群數(shù)量統(tǒng)計和基因譜系之間相關(guān)性的分析是種群生物學(xué)的一個主要發(fā)展領(lǐng)域,也催生了一些具有創(chuàng)新性的研究成果,種群的形成過程能幫助我們更好地理解種群生物學(xué)[3-4,6,13,41]。例如,分子系統(tǒng)發(fā)育是幫助從“小冰期”的影響中[41]理清當(dāng)前的系統(tǒng)發(fā)育情況并獲得長期種群統(tǒng)計信息保護計劃的唯一途徑[6]。基因族譜的基礎(chǔ)是同源DNA序列的重組。一個染色體上的2個位點重組事件發(fā)生的可能性決定于它們的物理距離,因此遺傳連鎖圖譜可以作為物理圖譜的一種參考[42]。嵌套分支分析是制定一個特別清晰的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和假設(shè)測試框架,并且可以通過計算機程序執(zhí)行[41]。從種群形成的時間和空間的細節(jié)推斷可以找到一些參考信息,以及形成相應(yīng)的基因族譜,從而更加確定其推論的準(zhǔn)確性。因此,研究者收集不同生物種群的數(shù)據(jù)信息,并進行基因族譜分析,最終整合生物學(xué)和系統(tǒng)發(fā)育概念[43]。

        2.1.4細胞器和細胞核DNA 大多數(shù)真核生物細胞中,含有可遺傳的雙親信息的核DNA,以及通??蛇z傳的單親信息的細胞器DNA(線粒體和植物葉綠體)。信息傳遞方面的差異,以及一些進化模式的主要分歧,產(chǎn)生了細胞器 DNA和核DNA基因族譜,以反映種群生物學(xué)和種群歷史的不同方面。線粒體DNA較核DNA標(biāo)記所得的Ne值小,并因此在多數(shù)種群分布統(tǒng)計情況下,線粒體DNA變種使得生物分類診斷變得更迅速。線粒體和核基因型的比較能幫助識別雜合體。非對稱雜交偏好和變種祖先類群的多態(tài)性隨機效應(yīng),能導(dǎo)致某些基因的系統(tǒng)發(fā)育樹與類群所攜帶的信息不匹配[41]。因此,一般最好使用一套能夠檢測這種跡象的標(biāo)記。

        如果遺傳標(biāo)記能較早地開發(fā),并且盡可能地篩選,就會使研究過程更加省時省力,從而有助于提高工作效率。在評估候選標(biāo)記的相對適用性時,應(yīng)該考慮技術(shù)操作的便利性。

        2.2 遺傳數(shù)據(jù)分析種群遺傳分析最大限度地應(yīng)用了最大似然法、貝葉斯統(tǒng)計學(xué)技術(shù),以便從遺傳數(shù)據(jù)中提取大量信息[3,43-44]。利用DNA序列進行系統(tǒng)發(fā)生分析是分子進化研究的必要手段。要解決特定的系統(tǒng)發(fā)生問題,首先要挑選合理的分類群及序列,盡量減少數(shù)據(jù)的偏倚,然后選擇構(gòu)樹方法,最后還要對結(jié)果進行評價并給出進化學(xué)上的解釋[45]。基因組程序化表達調(diào)控與生物體形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生的相互對應(yīng)是圖式遺傳學(xué)和系統(tǒng)生物技術(shù)研究復(fù)雜生物系統(tǒng)的核心[46];基因族譜分析側(cè)重于研究同一物種不同種群內(nèi)個體等位基因之間的進化關(guān)系[41]。這些技術(shù)(主要是“合并方法”[3,6,41]和“嵌套分化枝分析”[41])能夠?qū)v史和空間的假說進行明確的測試,例如從以前的基因流中區(qū)分出目前受限制的基因流,調(diào)查受限制基因流的發(fā)展方向。最后,分子進化學(xué)的變化模型正在精細化,并且能大大提高譜系推理的合理性。這些發(fā)展能使人們了解種群生物學(xué)的基本進展。Luikart和 England[44]引用了26種不同的遺傳分析方法,對4種類型的種群生物學(xué)進行研究,其中包括關(guān)聯(lián)性和親子關(guān)系、擴散和遷徙、近親繁殖和有效的種群大?。∟e值),實驗得到了一些全新的數(shù)據(jù)信息,而這些數(shù)據(jù)信息主要通過微衛(wèi)星定位分析方法研究所得。微衛(wèi)星定位分析的研究取得了很大進步,其中對非平衡態(tài)情況的遺傳分析,主要應(yīng)用在保護生物學(xué)和入侵生物的研究中[13,41]。

        種群遺傳學(xué)的當(dāng)前繁榮主要源于方便快捷的電腦軟件,例如GENEPOP(http://www.cefe.cnrs-mop.fr/)、PH YLIP和 PAUP[47-48]。不過,盡管包括GENEPOP在內(nèi)的電腦軟件之間的互補性大大促進了該領(lǐng)域的發(fā)展,但仍然有很大的發(fā)展空間[49]。

        總的來說,隨著分子生物學(xué)研究的深入,越來越多新的分子標(biāo)記技術(shù)最終會被發(fā)現(xiàn),對各種種群遺傳變異分析也提出了新的挑戰(zhàn),如何利用計算機程序和網(wǎng)絡(luò)信息對復(fù)雜數(shù)據(jù)的處理能力將成為今后種群遺傳分析的重點。

        3 存在問題及展望

        以DNA序列為核心的分子標(biāo)記技術(shù),即建立在PCR技術(shù)基礎(chǔ)上的DNA測序分析技術(shù)(DNA sequencing)。該技術(shù)的開發(fā)使DNA分子標(biāo)記技術(shù)取得了突破性的進展[50-52]。近年來,由于DNA測序技術(shù)的發(fā)展使得人們對一些基因結(jié)構(gòu)[53-55]、功能進化規(guī)律的認(rèn)識更加深入,其中一些基因已用于動植物的進化與分類研究[26,56-60]。

        目前,基于PCR的DNA直接測序技術(shù)在種群遺傳學(xué)中的應(yīng)用己成為國際上相當(dāng)活躍的研究領(lǐng)域。但文獻報道主要集中在歐美,我國在這方面的研究還相當(dāng)滯后,僅見為數(shù)不多的報道,如一些特有物種[61]以及瀕危樹種的研究[62]。制約因素主要是技術(shù)應(yīng)用存在局限性,實驗成本較高、操作過程中對實驗技術(shù)的要求較高等,使得用于種群遺傳學(xué)研究的方法很少。其次,數(shù)據(jù)分析的軟件也有一定局限性,常規(guī)的研究指標(biāo)已經(jīng)顯得比較單一。因此,作為方法學(xué)的研究,在種群遺傳學(xué)研究中還應(yīng)加大研究力量的投入,選擇和發(fā)展出更適合種群遺傳學(xué)研究的分子標(biāo)記技術(shù)。同時,僅僅依靠分子生物學(xué)技術(shù)在相當(dāng)長的時期內(nèi)還不能全面深入地解決種群遺傳學(xué)研究中的問題,應(yīng)該選擇多種方法進行協(xié)同分析,比如分子標(biāo)記技術(shù)與細胞學(xué)標(biāo)記技術(shù)、生化標(biāo)記技術(shù)等協(xié)同使用,從而促進種群遺傳學(xué)的進展取得更加輝煌的成就。

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