黄文达,赵学勇,赵 昕,赵哈林,连 杰,王少昆

（1.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,甘肃兰州 730000；2.中国科学院研究生院,北京 100039）

近年来,种群遗传学已经逐渐发展壮大。这门学科有3个重要组成部分:有效检测DNA信息片段的技术[1-2]；对DNA数据库进行统计分析；方便快捷的计算机软件应用[3],这使得利用分子遗传学数据将生物固有的特性紧密地联系在一起成为可能,从而在不同的生物等级中揭露其特有但至今尚未发现的信息[4]。目前,由遗传数据得到的基因族谱信息和单基因位点遗传标记技术,已经能够有效地回答一些生物学问题,同时为进化生物学、种群生物学和保护生物学的发展也提供了技术支持。

1 种群遗传学的研究进展

种群间不同个体的基因组DNA序列存在差异,这种变异通常发生在个体基因（或基因型）水平。某个基因是否会发生变异在时间和空间上受其他生物和个体的影响,而且变异会通过繁殖、迁徙、种群大小改变和自然选择在个体间传递。利用种群遗传模式,探讨种群统计特征和分子遗传变异分布之间的联系[5],可以对有机体的生物学信息做出一定的推断。遗传变异对个体的影响最终导致对整个种群的影响,这个过程反过来也影响物种形成和物种的等级分类[6]。因此,利用不同的遗传标记对个体遗传变异水平进行研究,可以获得任何一个种群及其进化过程中任一阶段的正确信号和信息。

分子标记在种群生物学中的应用性,将为不同级别的种群生物学提供信息。首先,最敏感的遗传信号是基因型数据组成（genotypic arrays）,运用微卫星定位的方法,通常能在抽样个体中发现这种信号。在有性繁殖的物种中,这些数据组合会代代改组,因此有利于规模性种群的快速形成,例如亲子关系和相互作用的个体之间的关系识别[7-10]。不过,在没有频繁遗传重组的有机体中通常能识别这种数据组合[11]。其次,微卫星定位、线粒体DNA和其他的单基因标记也可以用于个体基因分析,揭示其发生重组的频率和地理分布的遗传分析。比起基因型数组,这些研究方法的变化在较大的时间和空间尺度上是有效的遗传标记,这些标记可以说明基因流和种群史,即使是存在有限遗传变异的物种[12-13]。第三,发生突变以后,新等位基因的产生过程会很慢,因此,新等位基因之间进化关系（等位基因和基因族谱,或系统发育）的分析是富有信息的。同时,这种过程也是系统地理学、形态学和较深的分类系统发育体系重建的长期过程[6]。

2 分子标记在种群遗传学研究中的应用

用于种群遗传分析的遗传学技术,是一个令人费解的基因型数据组合[4]。但是,把研究重点放在技术本身不同的研究特性方面,会有助于对种群遗传分析方法的理解。遗传标记只是每个位点上具有丰富信息的遗传特征。通常,在一个二倍体有机体内,每个位点上可以有1～2个不同的等位基因。所有的遗传标记都能反映DNA序列的差异,因此,通常应该在数据的准确性和实验操作简便之间做一个权衡。每个独立的位点都能对假设进行独立检测。因此,若许多个位点都分别对假设进行独立检测,将能产生大量敏感的数据组合。遗传变异通常是按等级分布的,例如,一个个体内的2个等位基因,一个亚种群内的N个个体和一个种群内的Y个亚种群。因此,数据要能经得起分析检验,运用的方法要与生态学家们认可的主要统计学方法密切相关,包括方差分析、空间自相关因素分析等。与此同时,根据研究特性,对不同遗传学技术进行筛选,以便得到较为可靠的遗传数据,从而提高种群遗传分析的准确性。

2.1 分子标记的选择若要对某个种群进行遗传调查,选择恰当的遗传标记将是一个良好的开端。遗传调查时存在的主要问题和具体标记方法的属性如下。

2.1.1灵敏性 用来解决问题的标记必须要有正确反映信息的能力。研究对象可能会存在很多遗传信息（如果个体之间差异太大,那它们之间就没有任何联系）或很少的信息（没有信号）。研究过程中不断地进行数据积累,了解不同的分子标记能够较为准确地表达不同水平的遗传信息。在许多能够恰当分辨的标记之间,应该选择更切合实际的标记。

2.1.2多位点或单个位点 通常情况下,要考虑到遗传标记的实用性和准确性2个方面。多位点DNA技术,如 RAPDs（DNA随即扩增多态性）[14-22]、AFLP（扩增片段长度多态性）、RFLP（限制性内切酶片段长度多态性）[23]、ISSR（简单序列重复）[24-31]、ITS区（DNA的内转录间隔区）[30-35]等；单位点技术,如常用微卫星和单拷贝核（scn）DNA区等。多位点的研究方法在技术上便于操作,但也存在很多明显的弱点和局限性,其中包括利用这些方法检测到的遗传变异在很大程度上是非遗传的或甚至不是源于目的有机体。这些缺点已经在植物、哺乳动物和鸟类研究中被证明[36-37]。相比之下,单位点标记更为灵活,内容丰富并且可以联系在一起,因为可以分析基因型数组、等位基因频率和基因族谱[38]。也有人认为,多位点技术更经济[39]。单位点标记技术的发展,使得RAPD标记被忽视,其表现在一个高水平趋异进化的同形种、种内基因流和高水平的基因重组以及生物学更复杂的方面。但是考虑到比较数据组合的重要性时,单位点标记技术更为经济[38]。

许多研究表明,种群遗传分析不能使用多态位点的数据,主要因为多态位点技术不能提供的位点内和位点间等位基因的特性比较,从而对种群遗传做出分析。但是,多态位点技术能产生许多可变带,因此被广泛地应用在基因图谱构建和数量性状分析中[40]。

2.1.3基因谱系 关于种群数量统计和基因谱系之间相关性的分析是种群生物学的一个主要发展领域,也催生了一些具有创新性的研究成果,种群的形成过程能帮助我们更好地理解种群生物学[3-4,6,13,41]。例如,分子系统发育是帮助从“小冰期”的影响中[41]理清当前的系统发育情况并获得长期种群统计信息保护计划的唯一途径[6]。基因族谱的基础是同源DNA序列的重组。一个染色体上的2个位点重组事件发生的可能性决定于它们的物理距离,因此遗传连锁图谱可以作为物理图谱的一种参考[42]。嵌套分支分析是制定一个特别清晰的统计数据和假设测试框架,并且可以通过计算机程序执行[41]。从种群形成的时间和空间的细节推断可以找到一些参考信息,以及形成相应的基因族谱,从而更加确定其推论的准确性。因此,研究者收集不同生物种群的数据信息,并进行基因族谱分析,最终整合生物学和系统发育概念[43]。

2.1.4细胞器和细胞核DNA 大多数真核生物细胞中,含有可遗传的双亲信息的核DNA,以及通常可遗传的单亲信息的细胞器DNA（线粒体和植物叶绿体）。信息传递方面的差异,以及一些进化模式的主要分歧,产生了细胞器 DNA和核DNA基因族谱,以反映种群生物学和种群历史的不同方面。线粒体DNA较核DNA标记所得的Ne值小,并因此在多数种群分布统计情况下,线粒体DNA变种使得生物分类诊断变得更迅速。线粒体和核基因型的比较能帮助识别杂合体。非对称杂交偏好和变种祖先类群的多态性随机效应,能导致某些基因的系统发育树与类群所携带的信息不匹配[41]。因此,一般最好使用一套能够检测这种迹象的标记。

如果遗传标记能较早地开发,并且尽可能地筛选,就会使研究过程更加省时省力,从而有助于提高工作效率。在评估候选标记的相对适用性时,应该考虑技术操作的便利性。

2.2 遗传数据分析种群遗传分析最大限度地应用了最大似然法、贝叶斯统计学技术,以便从遗传数据中提取大量信息[3,43-44]。利用DNA序列进行系统发生分析是分子进化研究的必要手段。要解决特定的系统发生问题,首先要挑选合理的分类群及序列,尽量减少数据的偏倚,然后选择构树方法,最后还要对结果进行评价并给出进化学上的解释[45]。基因组程序化表达调控与生物体形态结构发生的相互对应是图式遗传学和系统生物技术研究复杂生物系统的核心[46]；基因族谱分析侧重于研究同一物种不同种群内个体等位基因之间的进化关系[41]。这些技术（主要是“合并方法”[3,6,41]和“嵌套分化枝分析”[41]）能够对历史和空间的假说进行明确的测试,例如从以前的基因流中区分出目前受限制的基因流,调查受限制基因流的发展方向。最后,分子进化学的变化模型正在精细化,并且能大大提高谱系推理的合理性。这些发展能使人们了解种群生物学的基本进展。Luikart和 England[44]引用了26种不同的遗传分析方法,对4种类型的种群生物学进行研究,其中包括关联性和亲子关系、扩散和迁徙、近亲繁殖和有效的种群大小（Ne值）,实验得到了一些全新的数据信息,而这些数据信息主要通过微卫星定位分析方法研究所得。微卫星定位分析的研究取得了很大进步,其中对非平衡态情况的遗传分析,主要应用在保护生物学和入侵生物的研究中[13,41]。

种群遗传学的当前繁荣主要源于方便快捷的电脑软件,例如GENEPOP（http://www.cefe.cnrs-mop.fr/）、PH YLIP和 PAUP[47-48]。不过,尽管包括GENEPOP在内的电脑软件之间的互补性大大促进了该领域的发展,但仍然有很大的发展空间[49]。

总的来说,随着分子生物学研究的深入,越来越多新的分子标记技术最终会被发现,对各种种群遗传变异分析也提出了新的挑战,如何利用计算机程序和网络信息对复杂数据的处理能力将成为今后种群遗传分析的重点。

3 存在问题及展望

以DNA序列为核心的分子标记技术,即建立在PCR技术基础上的DNA测序分析技术（DNA sequencing）。该技术的开发使DNA分子标记技术取得了突破性的进展[50-52]。近年来,由于DNA测序技术的发展使得人们对一些基因结构[53-55]、功能进化规律的认识更加深入,其中一些基因已用于动植物的进化与分类研究[26,56-60]。

目前,基于PCR的DNA直接测序技术在种群遗传学中的应用己成为国际上相当活跃的研究领域。但文献报道主要集中在欧美,我国在这方面的研究还相当滞后,仅见为数不多的报道,如一些特有物种[61]以及濒危树种的研究[62]。制约因素主要是技术应用存在局限性,实验成本较高、操作过程中对实验技术的要求较高等,使得用于种群遗传学研究的方法很少。其次,数据分析的软件也有一定局限性,常规的研究指标已经显得比较单一。因此,作为方法学的研究,在种群遗传学研究中还应加大研究力量的投入,选择和发展出更适合种群遗传学研究的分子标记技术。同时,仅仅依靠分子生物学技术在相当长的时期内还不能全面深入地解决种群遗传学研究中的问题,应该选择多种方法进行协同分析,比如分子标记技术与细胞学标记技术、生化标记技术等协同使用,从而促进种群遗传学的进展取得更加辉煌的成就。

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