1、,遗 传 学 Genetics,授课教师: 韩志平山西大同大学农学院,,第14章 群体遗传与进化,第一节 群体的遗传组成第二节 遗传平衡定律第三节 改变基因频率的因素第四节 物种形成与自然选择学说第五节 分子进化,,群体遗传学(population genetics)：以孟德尔理论为基础，应用数学和统计学方法研究群体的遗传结构及其变化规律的遗传学分支学科。现代综合进化论认为生物进化的实质是群体遗传组成的变化，因此群体遗传学是进化的理论基础。1908年，英国Hardy和德国Weinberg提出了群体遗传平衡定律，开创了群体遗传学的研究领域。,,第一节 群体的遗传组成,1、孟德尔群体孟德尔群体(M
2、endelian population)：享有一个共同的基因库，个体间能相互交配并能繁育后代的群体。最大的孟德尔群体是物种。遗传学群体多用于有性繁殖且经常是异交的种群。孟德尔群体内各个体间的交配是随机的，每个个体都有同等的交配机会。基因库(gene pool)：一个群体所包含的所有基因的总和，即一个群体全部个体所含有的全部基因。,,2、等位基因频率和基因型频率基因频率(gene frequency)：一个群体中，某一等位基因占该位点上等位基因总数的比率，又称等位基因频率(allele frequency)。基因型频率(genotype frequency)：一个群体内某一基因型个体所占的比率。
3、任一基因座的全部等位基因频率之和=1；任一座位的全部等位基因组成的基因型频率总和也=1。,,群体的遗传结构：群体中各等位基因的频率，以及由不同的交配体制产生的各种基因型在数量上的分布特征。例：某一群体中，AA个体60个，Aa个体120个，aa个体20个。则该位点上等位基因总数为：2(60+120+20)=400个，用P、H、Q分别代表AA、Aa、aa三种基因型频率，p、q分别代表A和a的基因频率。则有：P=60/200=0.3，H=120/200=0.6，Q=20/200=0.1p=(602+120)/400=0.6，q=(202+120)/400=0.4因此，基因频率与基因型频率的关系为：
4、p=P+1/2H，q=Q+1/2H，且p+q=1，P+H+Q=1,,第二节 遗传平衡定律,1908年，英国数学家Hardy和德国医生Weinberg分别提出了群体基因频率的平衡法则遗传平衡定律(law of genetic equilibrium)，又称哈迪-魏伯格定律(law of Hardy-Weinberg)。主要内容：在一个无限大的可随机交配的群体中，如果没有任何其他因素，如突变、选择、迁移和遗传漂变等的干扰，则群体中各基因频率和基因型频率世代保持不变；若不平衡，随机交配一代即可达到平衡。,,遗传平衡群体中，基因频率与基因型频率的关系为： P=p2，H=2pq，Q=q2，且p2+2pq
5、+q2=11、一对等位基因的遗传平衡遗传平衡定律的推导包括3个步骤：从亲本基因型到其产生的配子基因频率；从配子的随机组合到其产生的合子基因型频率；由合子的基因型频率计算子代的基因频率。,,设一个群体，由亲本产生的雌雄配子中，A、a基因的频率各为p和q，雌雄配子随机组合产生的合子基因型频率为：,后代3种合子AA、Aa、aa的频率分别为p2、2pq和q2，基因频率与上代完全一样，分别为： p=P+1/2H=p2+1/2(2pq)=p(p+q)=p q=Q+1/2H=q2+1/2(2pq)=q(p+q)=q继续随机交配一代，后代中3种基因型频率仍为P=p2、H= 2pq、Q=q2，基因频率仍为p和q
6、。,,验证遗传平衡定律的另一种方法：使亲代个体随机交配，各种交配频率完全由亲本基因型频率决定：,各种交配类型的频率为(P+H+Q)2的展开，9种交配类型可合并为6项：(P+H+Q)2=P2+H2+Q2+2PH+2PQ+2HQ,,各种交配类型的子代基因型频率,后代中3种基因型频率仍为p2、2pq和q2。在没有其他因素的干扰下，只要群体内各个体间随机交配，这种平衡状态就保持不变。,,例：某群体3种基因型AA、Aa、aa的频率分别为0.6、0.4和0，则该群体A、a基因的频率分别为： p=0.6+1/20.4=0.8， q=0+1/20.4=0.23种基因型频率p2、2pq和q2，故为不平衡群体。随
7、机交配一代后，3种基因型AA、Aa、aa的频率分别为： P=p2=0.64， H=2pq=0.32， Q=q2=0.04基因频率与基因型频率的关系符合平衡群体的条件，群体达到平衡。,,基因频率和基因型频率的变化动态,,2、复等位基因的遗传平衡遗传平衡定律适用于复等位基因。设某群体含有A、a、a三个复等位基因，频率分别为p、q、r，且p+q+r=1。一个足够大的随机交配群体达到平衡时，3个复等位基因的频率与6种基因型频率的关系为： (A a a)2=AA Aa aa Aa aa aa p q r p2 2pq q2 2pr 2qr r2即平衡状态下复等位基因频率与基因型频率的关系为：p=p2+1
8、/2(2pq+2pr) q=q2+1/2(2pq+2qr) r=r2+1/2(2pr+2qr),,即某基因频率是其纯合体频率与含有该基因的全部杂合体频率的一半之和。设决定ABO血型的3个复等位基因IA、IB、i频率分别为p、q、r，在自由婚配情况下，后代基因型频率为：,即A、B、AB、O各血型的表现型频率为： A=p2+2pr， B=q2+2qr， AB=2pq， O=r2,,因此，i基因的频率为O血型频率的平方根，r=r2=O A+O=p2+2pr+r2=(p+r)2，即有p+r=A+O由于p+q+r=1，所以有q=1-A+O。同理，p=1-B+O例：已知基因频率IA=0.36、IB=0.2
9、0、i=0.44，则该群体中A型个体的预期频率为：p2+2pr=0.362+20.360.44=0.446B型、AB型、O型个体的预期频率分别为：q2+2qr=0.216、 2pq=0.144、r2=0.194。孟德尔群体的基本特征：当环境条件或遗传结构不变时，基因频率在各世代保持不变。,,第三节 改变基因频率的因素,自然界中不存在无限大的随机交配群体，也没有绝对不受其他因素干扰的基因，因此不存在理想的遗传平衡群体。影响遗传平衡的因素主要有突变、选择、迁移和遗传漂变。1、突变突变(mutation)对群体的遗传组成有两个作用：影响群体的基因频率；为自然选择提供原始材料。,,设A基因频率p，a基
10、因频率q=1-p。Aa的正突变率u，a A的回复突变率v，则每代有(1-q)u的A基因突变为a，有qv的a基因回复突变为A。当(1-q)uqv时，a基因频率增加；当(1-q)uqv时，a基因频率减少。突变一代后a基因频率的变化为： q=(1-q)u-qv经多代突变，当(1-q)u=qv时，q=0，基因频率保持不变，群体达到遗传平衡。平衡时的基因频率取决于基因的突变频率，即有： q=u/(u+v)， p=v/(u+v),,如果只有正突变，没有回复突变，即v=0，设A基因的初始频率为p0，则经过n个世代后，群体中A基因的频率为： pn=p0(1-u)n多数基因的突变频率u很小(10-410-7)，
11、且突变缓慢，因此突变对基因频率的改变很难。但对于世代周期很短的微生物，突变有可能成为改变基因频率的重要因素。突变压(mutation pressure)：由于突变所造成的群体中基因频率改变的趋势。,,突变对改变基因频率的作用,,2、选择选择(selection) ：在与环境竞争中生存下来并能繁殖后代的生物体，将有利于生存和繁殖的性状传递给后代，引起种群遗传结构的改变，使群体向着更加适应环境的方向发展。自然选择是改变群体基因频率的重要因素，也是生物进化的驱动力量。自然选择的本质：群体中不同遗传变异体具有的差别生活力(viability)和差别生殖力(fertility)。,,（1）适合度与选择系
12、数适合度(fitness)：又称适应值(adaptive value)，是度量自然选择作用的参数，指一个个体能够生存并把其基因传递给子代的相对能力，用w表示。适合度常用相对生育率衡量。具有最高生育率的基因型的适合度定为1，致死或不育基因型个体的适合度定为0，其它基因型的适合度在01之间。选择系数(selective coefficicent)：度量自然选择强度即选择压的参数，指某一基因型在选择的作用下降低的适合度，用s 表示。,,适合度与选择系数的关系： s=1-ww=1，s=0时，选择不起作用；w=0，s=1时，为完全选择；0w1时，即0s1时，为不完全选择。适合度和选择系数的计算如下：,,
13、例：人类群体中软骨发育不全症患者108人共生育了27个子女，而其同胞457人共生育了582个子女。故侏儒症患者的相对生育率即适应值为：w=(27/108)/(457/582)=0.2即每个正常人平均能留下1个子女，而侏儒症患者只能留下0.2个后代。,,相同基因型的个体在不同的环境条件下适合度可能不同。如19世纪初欧洲工业城市近郊鳞翅目昆虫的工业黑化现象(industrial melanism)。椒花蛾(B. betularia)最初都是浅灰色的，随着栖息环境被污染，黑色个体比例迅速上升。研究表明，工业污染区浅灰色椒花蛾(dd)被黑色类型(DD、Dd)取代的主要原因是鸟类的选择型捕食作用。,,椒
14、花娥的捉放试验（捕捉-标记-释放-再捕捉）表明，污染区黑色类型的生存率高，与之比较浅灰色类型的适合度只有0.47；非污染区则浅灰色类型的生存率和适合度高于黑色类型。,,（2）对隐性纯合体不利的选择设等位基因A对a为完全显性，则杂合体Aa与显性纯合体AA的适合度都是1，选择仅对隐性纯合体aa起作用。设A、a的初始频率分别为p、q，不利于aa的选择系数为s，则经一代选择后，a基因的频率由q变为：q1=Q1+1/2H1=q2(1-s)/(1-sq2) + 1/22pq/(1-sq2) = q(1-sq)/(1-sq2),,选择一代后，a基因频率的改变量为： q= q1-q = q(1-sq)/(1-
15、sq2)-q = -sq2(1-q)/(1-sq2)当q或s很小时，a基因频率的改变量为：q -sq2(1-q)当纯合隐性个体致死或不育即s=1时，经一代选择，a基因的频率为： q1=0+1/22p0q0/(p02+2p0q0)= q0/(1+q0)a基因频率的改变量为：q=q1-q0=q0/(1+q0)-q0= -q02/(1+q0),,连续两代隐性基因频率的关系为：qn+1=qn/(1+qn)经n代选择后，a基因频率的一般式为： qn=q0/(1+nqn)从q0qn的改变所需的世代数为： n=1/qn-1/q0 当qn=1/2q0时，有n=1/q0，表明隐性基因频率减至初始频率一半所需的世
16、代数是初始基因频率q0的倒数。例：通过让所有白化症患者绝育，使某地区人群中白化症基因c频率从0.010.005，需n=1/q0=100代人的努力。说明优生学措施对于降低隐性致病基因频率的效率极低。,,不同选择系数下有害隐性基因频率改变所需代数,不同选择系数下，基因频率从0.99降到0.1的速度均较快；但基因频率进一步降低，速度就相当缓慢。对于稀少的隐性基因，选择效应缓慢的原因是大多数隐性基因存在于杂合体中，自然选择对其不起作用。隐性基因频率越低，群体中杂合体的频率相对越高。,,（3）对显性基因不利的选择对显性基因不利的选择更为有效。如果显性基因具有致死效应，则选择一代后其频率就等于0；如果显性
17、基因的选择系数减小，选择效应就大大放慢。设显性基因A的频率为p，对AA、Aa的选择系数为s，则选择一代后，A基因频率由p变为： p(1-s)/1-sp(2-p),,选择一代后，A基因频率的改变量为： p= p1-p = p(1-s)/1-sp(2-p)-p = -sp(1-p)2/1-sp(2-p)当s很小时，A基因频率的改变量为：p -sp(1-p)2。由于p=1-q，p -sq2(1-q)。说明当选择系数很小时，p和q都接近于-sq2(1-q)。但如果对显性个体和隐性个体的选择系数相同，则由于部分隐性基因以杂合体形式存在，显性基因频率的改变要大于隐性基因。,,（4）对杂合体有利的选择当杂合
18、体具有选择优势时，Aa的适合度最高为1；AA和aa的适合度相对较低，设其选择系数分别为s和t。则选择一代后，AA、Aa、aa基因型的频率分别变为：,,选择一代后，a基因频率的改变量为： q= q1-q = q(1-qt)/(1-sp2-tq2)-q = pq(ps-qt)/(1-sp2-tq2)对杂合体有利的选择会导致群体出现稳定的平衡多态。达到遗传平衡时，q=0，如果两个等位基因同时存在于群体中，即p和q0，则只有ps-qt=0。这样，平衡时等位基因的频率分别为： q=s/(t+s)， p=t/(t+s)说明基因的平衡频率与选择系数s和t有关，但仅取决于相对大小，与其实际值无关。,,例：人的
19、镰形红细胞贫血症在非洲和亚洲某些群体中比较普遍。HbSHbS纯合体产生异常的血红蛋白，多数个体在性成熟前死亡，适合度0；但在疟疾流行区，HbS基因频率却很高。原因：杂合体HbAHbS对恶性疟原虫抵抗力较强，纯合体HbAHbA抵抗力较差，因此选择对杂合体比对两种纯合体有利，纯合体HbSHbS死于贫血的概率大，HbAHbA死于疟疾的机会多。,,,,3、迁移迁移(migration)：个体或组群从一个群体迁入另一个群体，造成的群体间的基因流动，又称基因流(gene flow)。设某群体原有个体数为N，a基因频率为q0；每代新迁入个体数为M，a基因频率为qm。则在混合群体内迁入率为m= M/(M+N)
20、，原有个体比例为1m=N/(M+N)，混合群体内a基因频率为： q1=mqm+(1m)q0=m(qmq0)+q0,,基因频率的变化为： q=q1q0=m(qmq0)说明：迁移引起的基因频率的变化取决于混合群体的迁入率及迁入群体与原群体基因频率的差异。例：一种尺蠖有黑、棕2种成虫，黑色为显性。某工业区原有尺蠖1000只，80%为黑色，即q02=0.2，q0=0.447；从另一地区迁入该区595只尺蠖，383只为棕色，即qm2=383/595= 0.664，qm=0.802。则混合群体的迁入率m=595/(1000+595) =0.373，其中隐性基因频率为：q1=m(qm-q0)+q0= 0.3
21、73(0.802-0.447)-0.447=0.579,,,4、遗传漂变（1）遗传漂变的概念遗传漂变(genetic drift)：由于抽样误差造成的基因频率在小群体中的随机波动，又称Wright效应。遗传漂变是影响小群体基因频率的一个重要因素。设一个群体中等位基因A、a的频率为p=q=0.5，如果每代仅由4个个体组成，则其所具有8个基因中，a基因的数目可能是08个，其各自发生的频率为二项式(1/2+1/2)8的展开。,,F1群体中a基因频率的随机变化,F1群体中，a基因频率与亲代相同的概率仅为0.273，而基因频率发生变化的概率总和为0.727，其中a基因在群体中固定或消失的概率各为0.00
22、4。说明遗传漂变非常显著。,,（2）遗传漂变的估算遗传漂变的大小因样本群体的个体数而不同。样本越小，基因频率的随机波动越大。一般用基因频率的标准差定量描述群体的遗传漂变作用。设在A、a基因频率分别为p和q的平衡群体中，每次取N个个体繁殖下一代，则样本基因频率的方差、标准差表示为： S2=pq/(2N) S=pq/(2N)如果p=q=0.5，当样本数不同时，p的波动范围为：,,群体大小与遗传漂变的关系,N=50的小群体随机交配，等位基因在3060代就被固定；群体增大至500个个体后，经过100代随机交配，等位基因频率逐渐偏离0.5；当个体数达到5000时，经过100代，群体的等位基因频率仍接近初
23、始值0.5。,,第四节 物种形成与自然选择学说,1、物种的概念物种(species)：个体间可以自由交配并能产生可育后代的自然群体。物种是生物分类的基本单元，也是生物繁殖和进化的基本单元。不同物种的个体间不能杂交或杂交不育。一个种的全体成员具有一个共同的基因库，与其他种的基因库不同。,,不同动物物种,,2、物种的形成（1）物种形成的3个基本环节突变和基因重组，为物种形成提供原材料；自然选择，淘汰对生物生存不利的遗传变异，保留有利变异，影响物种形成的方向；隔离，使遗传物质的交流中断，群体的遗传差异不断加深，直到新种形成。,,（2）生殖隔离机制(reproductive isolation mec
24、hanism, RIM)阻止不同物种个体间相互交配的生物学和行为特性。隔离是物种形成的重要条件，也是有性物种形成的标准。生殖隔离机制分为两大类：合子前生殖隔离(prezygotic reproductive isolation)：阻止不同群体成员间受精和形成杂种合子的机制；合子后生殖隔离(postzygotic reproductive isolation)：降低杂种合子或杂种个体的生活力或生殖力的机制。,,合子前生殖隔离的机制：地理隔离(geographic isolation)：由于群体间地理分布区不重叠，使群体间直接的基因交流受到限制；生态隔离(ecologic isolation) ：
25、群体生活在同一地域内的不同栖息地，彼此不会相遇；季节或时间隔离(temporal isolation)：交配期或开花期在不同季节或在同一季节的不同时间；行为隔离(behavioral isolation)：又称生理隔离，雌雄性别间缺乏吸引力或吸引力微弱；,,机械隔离(mechanical isolation)：生殖器官的大小、形态或结构不同，不能授粉或受精；配子隔离(gametic isolation)：雌雄配子不能互相吸引，或精子及花粉在不相容的雌性生殖管道上没有活力。合子后生殖隔离的机制：杂种无生活力：杂合子不能成活，或不能达到性成熟；杂种不育：杂种不能产生有功能的配子；杂种衰败：F2或回
26、交世代的生殖力或生活力降低。,,（3）物种形成的方式渐进式物种形成：物种形成的主要方式，首先外界因素阻止种群间基因交流，种群间遗传差异逐渐缓慢积累，最后种群间产生生殖隔离而形成新种。又分为两种方式：继承式物种形成：一个物种在同一地区内逐渐累积变异，经悠久的地质年代由一系列中间类型，逐渐演变成新种。,,分化式物种形成：一个物种的不同群体，由于地理隔离或生态隔离，在其分布范围内逐渐分化成两个以上的新种。,,骤变式物种形成：一般不经过亚种阶段，由种群内的一部分个体，因遗传机制或突变、遗传漂变等因素而在短期内获得生殖隔离，形成新种。如普通小麦的形成。,,3、自然选择学说1859年，Darwin出版了物
27、种起源，证明各种生物都是曾经生存过的物种的后代，起源于共同的祖先，经历了由简单到复杂、由低等到高等、逐渐发展变化的进化历程。自然选择是进化论(the theory of evolution)的核心，观点：生物都有高速增加个体数的倾向，但生活条件有限，因而造成生存斗争；对生存有利的变异个体被保留，不利的变异个体被淘汰，这就是自然选择，通过积累微小的有利变异而促进生物进化。,,1937年，Dobzhansky发表了遗传学与物种起源，综合自然选择和基因论，提出了现代综合进化论。主要观点：种群是生物进化的基本单位，进化的实质是种群基因频率的改变。突变、选择和隔离是物种形成及生物进化的3个基本环节；突变
28、为进化提供原材料；选择使有利变异积累，不利变异被淘汰，使基因频率定向改变；隔离把突变和选择的多样性固定下来，实现种群分化和新种形成。,,第五节 分子进化,分子进化(molecular evolution)：在进化过程中，生物大分子，如蛋白质、核酸等结构和功能的变化，以及这些变化与生物进化的关系。利用基因克隆、PCR、分子杂交、蛋白质和DNA序列分析等分子生物学技术，能够从生物大分子的信息推断生物进化历史。,,1、蛋白质进化蛋白质的氨基酸序列是由基因编码的，其序列的变化反映了基因的变化。比较生物间同一蛋白质的氨基酸组成，可估计其亲缘关系和进化程度。不同物种间差异氨基酸数目越少，说明其亲缘关系越近
29、。,,人与不同生物细胞色素c氨基酸差异数,如细胞色素c由104个氨基酸组成，氨基酸差异分析表明，与人类的亲缘关系远近依次为：黑猩猩、猴子其他哺乳动物昆虫酵母菌。,,根据细胞色素c的氨基酸差异计算平均最小突变距离，可构建物种进化树(evolution tree)和种系发生树(phylogenic tree)。,,,,,2、核酸进化（1）DNA含量的进化不同物种间DNA含量差异很大，总规律：高等生物DNA含量比低等生物高，基因组更大。因为高等生物需要更多的基因来传递和表达较为复杂的遗传信息。如噬菌体有9个基因，SV病毒有610个基因，而人类有34万个基因。,,但基因组DNA含量与生物的进化程度并不
30、存在明确的对应关系。如肺鱼DNA含量是哺乳动物的40倍，玉米DNA含量是哺乳动物的2倍，因为这些生物中存在大量的重复序列。,,（2）DNA序列的进化不同物种的DNA核苷酸顺序也存在差异。通过分子杂交可测定不同物种DNA的差异，方法：提取两个物种A、B的DNA加热使其变性为单链A、B的单链一起复性测定杂种DNA双链A-B的Tm值。若A、B同源程度高，A-B的Tm值与A-A、B-B相似；A、B同源程度低，A-B的Tm值降低。DNA差异每增加1%，杂种DNA分子的Tm值下降1.6。,,根据DNA杂交估计的核苷酸替换率,根据不同物种DNA的同源程度，可推断不同物种亲缘关系的远近。两个物种的亲缘关系越远
31、，核苷酸差异越大。,,3、分子进化的中性学说木村资生(Kimura)根据核酸、蛋白质中的核苷酸和氨基酸的置换速率，以及由此造成的核酸和蛋白质分子的改变并不影响生物大分子的功能等，提出了分子进化的中性学说(neutral theory of molecular evolution)，主要观点：分子水平进化过程中的突变大多是中性突变。中性突变指不影响蛋白质功能，即对生物体既无利又无害的突变。进化中DNA和蛋白质的变化仅有少量是适应性的，大多是中性的。,,分子水平进化的主角是中性突变。生物进化是在连续的突变压下由中性突变随机固定造成的，是中性突变在自然群体中随机遗传漂变的结果，自然选择对其不起作用。中性突变率即核苷酸或氨基酸的替换率是恒定的，蛋白质的进化表现与时间呈直线关系，可根据不同物种同一蛋白质间的差异估计物种进化的历史，推测生物的系统发育。,,利用分子进化速率估算的生物进化,,,,,Thank You !,
