群体遗传与进化-第十三群体遗传.ppt

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1、第十三章第十三章 群体遗传群体遗传 第一节群体的遗传平衡第一节群体的遗传平衡 第二节改变基因频率的因素第二节改变基因频率的因素 普通遗传学普通遗传学 长江大学n n遗传学遗传学 研究生物遗传和变异的规律和机理；n n进化论进化论 研究生物物种的起源和演变过程。每个物种具有相当稳定的遗传特性，而新种新种的形成和发展的形成和发展则有赖于可遗传的变异可遗传的变异。群体遗传学群体遗传学是研究进化论的必要基础。n n群体遗传学的研究：群体遗传学的研究：.为生物进化的研究提供更多的证据；.解释生物进化根本原因和历史过程。普通遗传学普通遗传学 长江大学第一节第一节 群体的遗传平衡群体的遗传平衡n n一、等位

2、基因频率和基因型频率一、等位基因频率和基因型频率n n二、哈德魏伯格定律二、哈德魏伯格定律 普通遗传学普通遗传学 长江大学n n遗传学遗传学群体群体的概念的概念：群体群体 是各个体间能互配是各个体间能互配(相互交配关系相互交配关系)的集合体，的集合体，而不是一些个体的简单集合体。而不是一些个体的简单集合体。个体间互配可使个体间互配可使孟德尔遗传因子孟德尔遗传因子孟德尔遗传因子孟德尔遗传因子以各种不同方式以各种不同方式代代相传代代相传代代相传代代相传 遗传学上称为遗传学上称为“孟德尔群体孟德尔群体”或或“基因库基因库基因库基因库”。同一群体内个体基因组合不同，但所有基因是一同一群体内个体基因组合

3、不同，但所有基因是一定的定的 基因库基因库基因库基因库是指一个群体中所包含的是指一个群体中所包含的基因总数基因总数基因总数基因总数。普通遗传学普通遗传学 长江大学群体遗传学群体遗传学(population genetics)有机体繁殖过程 并不能把各个体的基因型传递给子代，传递给子代的只是不同频率的基因传递给子代的只是不同频率的基因。n n群体遗传学群体遗传学是研究一个群体内基因传递情况基因传递情况 及其频率改变的科学频率改变的科学。n n通过群体中 等位基因频率等位基因频率 和基因型频率基因型频率 来 研究群体的遗传结构及其变化规律。普通遗传学普通遗传学 长江大学一一、等位基因频率和基因型频

4、率等位基因频率和基因型频率1基因型和表现型的概念基因型和表现型的概念：在孟德尔的杂交试验之后 遗传学中提出了基因型和表现型的概念。n n基因型基因型 是基因的一种组合是基因的一种组合 个体遗传组成。n n表现型表现型 指生物个体所有性状表现的类型 基因型与环境影响基因型与环境影响共同作用的结果。普通遗传学普通遗传学 长江大学2基因型频率和基因频率基因型频率和基因频率：.基因型频率基因型频率(genotype frequency)：指在一个群体内某特定基因型所占的比例某特定基因型所占的比例。一个群体内由许多不同基因型的个体所组合。基因型基因型是受精时由父母本基因共同组成的，而基因型频率基因型频率

5、则需从F2的表现型比例推算推算出来，同时再从F3加以验证。普通遗传学普通遗传学 长江大学2基因型频率和基因频率基因型频率和基因频率：.基因频率（或等位基因频率）：基因频率（或等位基因频率）：指在一个群体内特定基因座某一等位基因某一等位基因占该基因座等位基因总数的的比例的比例。基因频率基因频率通过基因型频率推算推算而来 只要环境条件或遗传结构不变，等位基因频率也就不会改变。普通遗传学普通遗传学 长江大学3基因频率的推算基因频率的推算：设设设设一对同源染色体某基因座有一对同源染色体某基因座有一对等位基因一对等位基因一对等位基因一对等位基因A A1 1A A2 2。其中A1频率为p、A2频率为q，则

6、p+q=1由这一对基因可以构成三种不同基因型三种不同基因型 A1A1 A1A2 A2A2个体数个体数为 N11 N12 N22 设群体总个体数设群体总个体数为N，即 N11+N12+N22=N基因型基因型频率 N11/N N12/N N22/N 普通遗传学普通遗传学 长江大学 3种种基因型基因型频率频率为：普通遗传学普通遗传学 长江大学 2种种等位基因等位基因频率频率为：二倍体生物各基因型由两个等位基因组成 如A1A1、A1A2、A2A2，其中：其中：A1基因基因有 2N11+N12，A2基因基因有 N12+2N22。普通遗传学普通遗传学 长江大学二、哈德魏伯格定律二、哈德魏伯格定律n n1.

7、概念概念：在一个完全随机交配的群体完全随机交配的群体(即一个体与群即一个体与群体内其它个体交配机会相等体内其它个体交配机会相等)内，如果没有其它因素(如突变如突变、选择选择、迁移等迁移等)，则基因频率和基因型频率可保持一定，各代不变。普通遗传学普通遗传学 长江大学n n设：设：在一个随机交配群内随机交配群内，基因A1与A2的频率分别为p1和p2(p1+p2=1)，三个基因型的频率为：P11=p12,P12=2 p1p2,P22=p22当3种不同基因型个体间充分进行随机交配 则下一代基因型频率就会和亲代完全一样，不会发生改变。这一现象由这一现象由德国医生魏伯格魏伯格(Weinberg W.)和英

8、国数学家哈德哈德(Hardy G.H.)在1908年分别发现发现 哈德魏伯格定律哈德魏伯格定律。普通遗传学普通遗传学 长江大学2.验证验证：设一群体内三个基因型频率三个基因型频率是A1A1A1A2A2A2P11=p12，P12=2 p1p2，P22=p22这三种基因型产生配子频率配子频率为A1：p12+(1/2)(2 p1p2)=p1(p1+p2)=p1A2：(1/2)(2 p1p2)+p22=p2(p1+p2)=p2在一个大群体一个大群体中，个体间的随机交配个体间的随机交配 配子间的随机结合配子间的随机结合 可得以下结果：普通遗传学普通遗传学 长江大学下一代的三个基因型频率分别为 A1A1

9、A1A2 A2A2P11=p12,P12=2 p1p2,P22=p22这三个基因型频率是和上一代频率完全一样。就这对基因而言，群体已经达到平衡群体已经达到平衡。普通遗传学普通遗传学 长江大学4定律要点定律要点：.在随机交配在随机交配的的的的大群体中大群体中，如果没有其它如果没有其它因素干扰，则各代基因频率能保持不变各代基因频率能保持不变；.在任何一个大群体内在任何一个大群体内，不论原始原始等位基因频率 和基因型频率如何只要只要经过经过一一一一代的随机交配代的随机交配 就可达到平衡就可达到平衡。普通遗传学普通遗传学 长江大学4定律要点定律要点：.当一个群体达到平衡状态后当一个群体达到平衡状态后，

10、基因频率基因频率和和和和基因基因 型频率关系是型频率关系是：P P1111=p p1 12 2,P P1212=2=2 p p1 1p p2 2,P P2222=p p2 22 2 。实际上自然界中许多群体都是很大许多群体都是很大的，个体间的交配一般也是接近随机的 哈德魏伯格定律哈德魏伯格定律基本上是普遍适用基本上是普遍适用的。普通遗传学普通遗传学 长江大学5定律意义定律意义：哈德魏伯格定律哈德魏伯格定律在群体遗传学中的重要性 揭示揭示基因频率和基因型频率的规律规律。.只要群体内个体间能进行随机交配 该群体 将能保持平衡状态和相对稳定。.即使由于突变突变、选择选择、迁移迁移和杂交杂交等因素改变

11、 了群体的基因频率和基因型频率，但只要这些只要这些 因素不再继续产生作用而进行随机交配时因素不再继续产生作用而进行随机交配时，则 这个群体仍将保持平衡。普通遗传学普通遗传学 长江大学6打破平衡的意义打破平衡的意义：在人工控制下通过在人工控制下通过选择选择选择选择、杂交杂交杂交杂交或人工或人工诱变诱变诱变诱变等途径等途径 就可以就可以打破这种平衡打破这种平衡打破这种平衡打破这种平衡 促使生物个体发生变异促使生物个体发生变异 群体群体(如亚种如亚种、变种变种、品种品种)遗传特性将随之改变遗传特性将随之改变。为动为动、植物植物育种工作育种工作育种工作育种工作中选育新类型提供有利的条件。中选育新类型提

12、供有利的条件。改变改变改变改变群体群体基因频率基因频率基因频率基因频率和和基因型频率基因型频率基因型频率基因型频率，打破打破打破打破其遗传平衡其遗传平衡 是目前动、植物育种中的主要手段。是目前动、植物育种中的主要手段。普通遗传学普通遗传学 长江大学第二节第二节 改变基因频率的因素改变基因频率的因素n n一、突变（一、突变（mutation）n n二、选择（二、选择（selection）n n三、遗传漂变遗传漂变(genetic drift)n n四、迁移（四、迁移（transference）普通遗传学普通遗传学 长江大学一、突变（一、突变（mutation）1.基因突变对于改变群体遗传组成的作

13、用基因突变对于改变群体遗传组成的作用 .能提供自然选择的原始材料；.会影响群体等位基因频率。如：如：一对等位基因，当当A1A2时时，群体中A1频率 减少、A2频率则增加。长期长期长期长期A A1 1A A2 2，最后这一群体中最后这一群体中A A1 1将完全被将完全被A A2 2代替。代替。这就是由于突变而产生的突变压。普通遗传学普通遗传学 长江大学2.当一个群体内正反突变压相等即平衡状态时当一个群体内正反突变压相等即平衡状态时 设：A1 A2为正突变，速率为为正突变，速率为u；A2 A1为反突变，速率为为反突变，速率为v。某一世代中A2频率为q，则A1频率为p=1q。平衡时平衡时，qv=pu

14、=(1 q)u qv=uuq qv+uq=u q(v+u)=u q=u/(v+u)同理可得：同理可得：p=v/(v+u)普通遗传学普通遗传学 长江大学3.当基因频率未达到平衡时当基因频率未达到平衡时：群体中A1频率的改变值改变值(p)是基因A2的突变频率(qv)减去基因A1的突变频率(pu)，即：即：p=qv pu。例如例如：A1 A A2突变率为突变率为1/1001/100万万，突变频率突变频率u u=0.000001=0.000001A2 A1突变率为0.5/100万，v v=0.0000005=0.0000005当一对等位基因的当一对等位基因的正反突变速率相等正反突变速率相等(即即v v

15、=u u)，则q和p的平衡值为0.5。普通遗传学普通遗传学 长江大学二、选择（二、选择（selection）1.基因突变对于改变群体遗传组成的作用基因突变对于改变群体遗传组成的作用：例如：玉米致死基因：例如：玉米致死基因：设：设：正常绿色基因C和等位白苗基因c 的基因频 率为0.5。经过一代繁殖经过一代繁殖，子代群体中将有1/41/4隐性纯合体白苗隐性纯合体白苗。则则：子代群体中的C频率变为频率变为2/3、c 频率频率只有1/3。其中(1/3)2cc的白化苗个体又将被淘汰。普通遗传学普通遗传学 长江大学2.育种选择可把某些性状选留下来育种选择可把某些性状选留下来，使这些性状使这些性状的基因型频

16、率增加的基因型频率增加，基因频率朝某一方向改变基因频率朝某一方向改变：.淘汰显性性状可以迅速改变基因频率淘汰显性性状可以迅速改变基因频率：只需自交一代只需自交一代，选留具隐性性状的个体即可成功选留具隐性性状的个体即可成功。例如：例如：红花红花白花白花 红花红花 红花红花3/4 3/4:白花白花1/41/4 淘汰红花植株淘汰红花植株淘汰红花植株淘汰红花植株、选留白花、选留白花 迅速消除群体中的红花迅速消除群体中的红花迅速消除群体中的红花迅速消除群体中的红花。红花基因频率为红花基因频率为红花基因频率为红花基因频率为0 0，白花基因频率升至，白花基因频率升至1 1。普通遗传学普通遗传学 长江大学.淘

17、汰隐性性状，改变基因频率较慢：淘汰隐性性状，改变基因频率较慢：设：设：未加选择一代的隐性基因频率隐性基因频率为p2(0)。淘汰淘汰A2 A2，下一代隐性基因频率(p2(1)只能从杂合子所占的比值求出（A2只占杂合体只占杂合体基因的一半基因的一半）A2在总个体中所占的比值可通过计算求出：普通遗传学普通遗传学 长江大学3选择影响基因频率的效果选择影响基因频率的效果：.基因频率接近基因频率接近0.5时时，选择最有效。选择最有效。基因频率基因频率 或或0.50.5时，选择有效度就降低很快；时，选择有效度就降低很快；.当隐性基因很少时当隐性基因很少时，对一个隐性基因的选择对一个隐性基因的选择 或淘汰的有

18、效度就很低。或淘汰的有效度就很低。此时隐性基因几乎完全存在于杂合体中而得到保护。普通遗传学普通遗传学 长江大学4.选择影响选择影响群体质量性状的基因频率和和数量性状遗传改良。普通遗传学普通遗传学 长江大学5适者生存适者生存，通过突变和自然选择综合作用而通过突变和自然选择综合作用而形成新生物类型：形成新生物类型：=如新变异类型比原类型更适应环境条件如新变异类型比原类型更适应环境条件，可以繁殖更可以繁殖更 多后代多后代 代替原有类型成为新种。代替原有类型成为新种。=如新产生类型和原有类型都能生存下来如新产生类型和原有类型都能生存下来，则不同类型则不同类型 就分布在各自最适宜地域就分布在各自最适宜地

19、域 成为地理亚种。成为地理亚种。=新类型不如原有类型 消失。自然选择自然选择自然选择自然选择是生物进化的主导因素是生物进化的主导因素，而而遗传遗传遗传遗传和和变异变异变异变异则是则是其作用的基础。其作用的基础。例如：例如：例如：例如：大量使用大量使用DDTDDT毒杀苍蝇毒杀苍蝇毒杀苍蝇毒杀苍蝇 逐渐出现一些抗逐渐出现一些抗逐渐出现一些抗逐渐出现一些抗 DDTDDT新类型新类型新类型新类型 突变突变突变突变和和自然选择自然选择自然选择自然选择的结果的结果。普通遗传学普通遗传学 长江大学n n亦称随机遗传漂变亦称随机遗传漂变1概念概念：一个小一个小群体内，每代从基因库中抽样抽样形成下一下一代个体的

20、配子时，就会产生较大误差，由这种误差由这种误差引起群体基因频率的偶然变化引起群体基因频率的偶然变化，叫做遗传漂变遗传漂变。遗传漂变一般发生于小群体中。三三、遗传漂变遗传漂变(genetic drift)普通遗传学普通遗传学 长江大学2引起遗传漂变的原因：引起遗传漂变的原因：在一个大群体中，在一个大群体中，如果不产生突变如果不产生突变如果不产生突变如果不产生突变，则根据哈德，则根据哈德 魏伯格定律，魏伯格定律，不同基因型的频率将会维持平衡状态不同基因型的频率将会维持平衡状态不同基因型的频率将会维持平衡状态不同基因型的频率将会维持平衡状态；在一个小群体中，在一个小群体中，一个小群体与其它群体相隔离

21、，一个小群体与其它群体相隔离，一个小群体与其它群体相隔离，一个小群体与其它群体相隔离，不能充分地随机交配不能充分地随机交配不能充分地随机交配不能充分地随机交配 在小群体内在小群体内基因不能达到基因不能达到基因不能达到基因不能达到完全完全自由分离和组合，使基因频率容易产生偏差。但这种偏自由分离和组合，使基因频率容易产生偏差。但这种偏差不是由于突变、选择等因素引起的。差不是由于突变、选择等因素引起的。一般群体愈小 愈易发生遗传漂变作用。普通遗传学普通遗传学 长江大学3.遗传漂变的作用遗传漂变的作用许多中性中性或不利性状不利性状的存在不一定可用自然选择来解释，可能是遗传漂变的作用 进化。通过遗传漂变

22、所产生的作用通过遗传漂变所产生的作用 可将那些中性或无利的性状在群体中继续保留下来，而不被消灭。n n例如例如：在人类不同种族所具有的血型血型频率差异 无适应性上的意义，但能同类人猿一样将血型差 异一直传递下来，可能是遗传漂变的结果。普通遗传学普通遗传学 长江大学四、迁移（四、迁移（transference）指在一个大群体内，由于每代有一部分个体每代有一部分个体新迁入新迁入 导致其基因频率变化基因频率变化的现象。个体的迁移也是影响群体基因频率的一个因素。但迁移一般是小规模的。普通遗传学普通遗传学 长江大学第三节第三节 达尔文的进化学说达尔文的进化学说一、生物进化的概述一、生物进化的概述二、达尔

23、文的进化学说及其发展二、达尔文的进化学说及其发展三、分子水平的进化三、分子水平的进化 普通遗传学普通遗传学 长江大学一、生物进化的概述一、生物进化的概述 生命在地球上起源于生命在地球上起源于35亿年前。亿年前。原始地球首先合成氨基酸等有机分子原始地球首先合成氨基酸等有机分子 整合成蛋白质整合成蛋白质、核苷酸和脂肪酸等生命分子核苷酸和脂肪酸等生命分子 产生古细菌等生物有机产生古细菌等生物有机体体 蓝藻等原核生物蓝藻等原核生物(2534(2534亿年前亿年前,能够进行光合作能够进行光合作用用)原始真核生物原始真核生物(22(22亿年前亿年前)植物植物、动物动物。普通遗传学普通遗传学 长江大学进化论

24、进化论认为:形成一个新种形成一个新种需在遗传、变异和自然选择、隔离等因素作用下 从一个旧物种逐渐形成。物种在自然界进化的途径 认识有机界在系统发育中的遗传和变异的规律 用实验方法人工创造和综合新的物种和新品种。如：如：采用远缘杂交和细胞遗传分析，发现小麦小麦、棉花棉花、烟草烟草和芸苔属芸苔属的许多复合种，都是由 低级二倍体经过杂交和染色体加倍后形成的 多倍体种。普通遗传学普通遗传学 长江大学二二、达尔文的进化学说及其发展达尔文的进化学说及其发展拉马克拉马克：动物学哲学提出用进废退用进废退和获得性状遗传原理获得性状遗传原理 解释生物进化 认为动植物生存条件的改变动植物生存条件的改变是引起遗传特性

25、发生变异的根本原因。普通遗传学普通遗传学 长江大学n n外界环境条件对生物的影响有两种形式外界环境条件对生物的影响有两种形式：.对于植物的影响是直接的：对于植物的影响是直接的：如如水生毛茛水生毛茛水生毛茛水生毛茛，生长在水面上的叶片呈掌状生长在水面上的叶片呈掌状、而生长而生长 在水面下的叶片呈丝状；在水面下的叶片呈丝状；.对具有对具有对具有对具有发达神经系统发达神经系统的的的的高等动物则是间接的高等动物则是间接的：当外界环境条件改变时当外界环境条件改变时 引起动物习性和行为改变引起动物习性和行为改变 促使某些器官使用的加强和减弱。促使某些器官使用的加强和减弱。用进废退和获得性状的遗传用进废退和

26、获得性状的遗传 生物才逐渐得以发展生物才逐渐得以发展。普通遗传学普通遗传学 长江大学n n达尔文的进化学说达尔文的进化学说：核心是选择核心是选择 作为选择材料的基础是种内个体作为选择材料的基础是种内个体 间的微小差异间的微小差异。自然选择自然选择自然条件下个体微小差异的选择和积累自然条件下个体微小差异的选择和积累。种和变种内存在着个体差异和繁殖过剩现象种和变种内存在着个体差异和繁殖过剩现象 出现出现 生存斗争生存斗争 自然选择自然选择，这是物种起源和生物进化的主这是物种起源和生物进化的主 要动力。要动力。人工选择人工选择人类对这些变异进行多代选择和积累人类对这些变异进行多代选择和积累、选育出新

27、的品种。选育出新的品种。普通遗传学普通遗传学 长江大学三、分子水平的进化三、分子水平的进化1.生物科学生物科学生物学生物学、分类学分类学、胚胎发生学胚胎发生学、比较解剖学比较解剖学、生物地理学生物地理学、生理学和遗传学知识可以证明生物进化生理学和遗传学知识可以证明生物进化的过程。的过程。近近3030年来年来，由于分子生物学兴起由于分子生物学兴起，生物学家开始生物学家开始从分子水平上研究生物的进化从分子水平上研究生物的进化。2.生物进化的遗传信息生物进化的遗传信息 蕴藏在蕴藏在蕴藏在蕴藏在核酸和蛋白质分子组成的序列中。核酸和蛋白质分子组成的序列中。不同物种间不同物种间不同物种间不同物种间的核酸和

28、蛋白质组成成分差异的核酸和蛋白质组成成分差异 估测估测相互之间的亲缘关系相互之间的亲缘关系 彼此间所具有的核苷酸或氨基酸彼此间所具有的核苷酸或氨基酸愈相似、其亲缘关系也就愈近。愈相似、其亲缘关系也就愈近。普通遗传学普通遗传学 长江大学3从分子水平上研究生物进化的优点从分子水平上研究生物进化的优点：根据生物所具有的根据生物所具有的核酸和蛋白质结构上差异核酸和蛋白质结构上差异核酸和蛋白质结构上差异核酸和蛋白质结构上差异程度：程度：.从数量上精确估计生物种类的进化时期和速度；.估计结构简单的微生物进化；.比较亲缘关系极远类型之间的进化信息。普通遗传学普通遗传学 长江大学4蛋白质进化蛋白质进化：蛋白质

29、 直接或间接影响直接或间接影响生物进化。DNADNA核苷酸核苷酸核苷酸核苷酸序列序列 氨基酸氨基酸氨基酸氨基酸序列序列 蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质主体结构主体结构和理化性质。和理化性质。比较生物之间同一蛋白质的组成比较生物之间同一蛋白质的组成比较生物之间同一蛋白质的组成比较生物之间同一蛋白质的组成 可以估计其可以估计其亲亲亲亲缘关系缘关系缘关系缘关系和和进化程度进化程度进化程度进化程度 发现生物进化中发现生物进化中遗传物质变化遗传物质变化遗传物质变化遗传物质变化情况情况。有些蛋白质在各类生物进化中执行着同一任务有些蛋白质在各类生物进化中执行着同一任务有些蛋白质在各类生物进化中执行着同一任务有些蛋

30、白质在各类生物进化中执行着同一任务，例如例如,细胞色素细胞色素细胞色素细胞色素C C是一种呼吸色素是一种呼吸色素、在氧化代谢中起转移在氧化代谢中起转移 电子的作用。电子的作用。普通遗传学普通遗传学 长江大学第四节第四节 物种的形成物种的形成一、物种的概念一、物种的概念n n物种：物种：具有一定形态和生理特征以及一定自然分布区的生物类群。是生物分类的基本单元，是生物繁殖和进化中的基本环节。普通遗传学普通遗传学 长江大学二、物种形成的方式二、物种形成的方式 物种的形成物种的形成：量变质变。n n主要有两种不同的方式：1渐变式渐变式:在一个长时间内在一个长时间内旧的物种逐渐演变演变成为新的物种，这是物种形成的主要形式。2爆发式：爆发式：不一定需要悠久的演变历史，在较短时间内即可形成新种。