第六章 群体遗传学基础1

null第六章第六章群体遗传学基础第一节 基因频率和基因型频率第一节 基因频率和基因型频率一、群体(population)群体：一个种、一个亚种、一个变种、一个品种或一个其他同类生物类群的所有成员的总和。 群体中的每一个成员称为个体。二、孟德尔群体二、孟德尔群体孟德尔群体(Mendelian population) 具有共同基因库 由有性交配个体组成(二倍体) 繁殖群体 基因库：一个群体中全部个体所共有的全部基因。三、基因频率和基因型频率三、基因频率和基因型频率基因型频率(genotype frequency)：群体中某一基因型个体占群体总数的比率。(一) 基因型频率设：在Ｎ个个体的群体中，有一对等位基因Ａ、a，其可能的基因型为：AA、Aa、aa。 如果群体有n1(AA)＋ n2(Aa)＋ n3(aa)个体，n1＋ n2＋ n3=N. 于是此3种基因型的频率为： AA： D= n1/N Aa: H=n2/N aa: R=n3/N 其中，D+H+R=1，D—显性；H—杂合；R—隐性.(二) 基因频率(二) 基因频率基因频率(gene frequency)：群体中某一等位基因(allele)占其同一基因座位(locus)全部等位基因的比率。假如某座位只有２个等位基因，分别为A和a，频率分别为p和q，群体大小为N，AA个体数为n1，Aa个体数为n2，aa个体数为n3，则： p = (2n1+n2)/2N=n1/N+n2/2N q = (2n3+n2)/2N=n3/N+n2/2N(三) 基因型频率与基因频率的性质(三) 基因型频率与基因频率的性质1、同一位点的各基因频率之和等于1，即p+q=1。 2、群体中同一性状的各种基因型频率之和等于1，即D+H+R=1。 3、基因频率的范围为大于或等于0，小于或等于1，即： 0≤p(q)≤1。 4、基因型频率的范围为大于或等于0，小于或等于1，即： 0≤D(H, R)≤1。(四) 基因型频率与基因频率的关系(四) 基因型频率与基因频率的关系1、位于常染色体上的基因设有1对等位基因A和a，基因频率分别为p和q，３种基因型AA、Aa和aa的频率分别为D、H和R，群体大小为N，AA个体数为n1，Aa个体数为n2，aa个体数为n3，则：所以，p=D+H/2，q=R+H/22、位于性染色体上的基因2、位于性染色体上的基因对性染色体同型染色体个体(XX、ZZ)来说，与常染体相同。 p=D+H/2，q=R+H/2 对性染色体异型个体(XY、ZW)来说，基因频率等于基因型频率。 p = D, q = R第二节 哈代-温伯定律第二节 哈代-温伯定律1908年，英国数学家哈代(Hardy)和德国医生温伯格(Weinberg)，各自独立研究得出。 又称基因平衡定律一、平衡群体的条件 一、平衡群体的条件 平衡群体(equilibrium population)：指在世代更替的过程中，遗传组成(基因频率和基因型频率)不变的群体。 一个平衡群体必须具备的条件：1、必须是大群体。 2、随机交配(random mating)：指在一个有性繁殖的生物群体中，一个性别的任何个体与相反性别的任何个体具有同样的交配机会，即每个雌雄个体间具有同样的交配概率。 3、无迁移现象。 4、无突变。 5、无选择。二、哈代-温伯格定律的要点二、哈代-温伯格定律的要点1、在随机交配的大群体中，若没有其它因素的影响，基因频率世代不变。即2、任何一个大群体，无论其基因频率如何，只要经过一个世代的随机交配，一对常染色体基因型频率就达到平衡；若没有其它因素的影响，一直进行随机交配，这种平衡状态始终不变。3、平衡群体中，基因型频率和基因频率的关系为：三、哈代-温伯格定律的证明三、哈代-温伯格定律的证明证明方法：数学归纳法 1、基因型频率的恒定性 2、基因频率的恒定性 P142——1451、数学证明2、生物学证明2、生物学证明例：1977年某中心血站曾对居民中的788人进行了MN血型调查。M、MN、N型血液的人频率依次为0.2220、0.4816、0.2964，总和为1。 以此数据可计算LM、LN基因频率p和q。 p=D+H/2=0.2220+0.4816/2=0.4628 q=R+H/2=0.2964+0.4816/2=0.5372 进而求出M、MN、N血型的理论频率和理论人数，并与这三种血型的实际人数和频率比较，看看该群体是否是一个平衡群体。null哈德－魏伯格定律哈德－魏伯格定律四、平衡群体的一些基本性质四、平衡群体的一些基本性质性质1：在二倍体遗传平衡群体中，杂合子的频率H=2pq的值永远不会超过0.5。 推导：p+q=1  (p+q)2=1  (p2+q2-2pq)+4pq=1  4pq=1-(p-q)2  当p-q=0 即p=q=0.5时，2pq有最大值：2pq=1/2=0.5 null性质2：杂合子频率是两个纯合子频率乘积平方根的2倍。 推导：H=2p×q=2p2×q2= 2D×H 或者：H2=4DR 或H/ D×H=2(可用于验证群体是否达到平衡)。 五、基因频率的计算五、基因频率的计算例如，短角牛中有白色、红色和沙色，而沙色是红、白牛杂交的后代。在牛群中，白、沙、红3种色分别占35%、50%和15%，求基因频率。 p = D+H/2 = 0.35+0.50/2 = 0.60 q = R+H/2 = 0.15+0.50/2 = 0.40(一) 无显性或显性不完全时(二) 完全显性时(二) 完全显性时例如，一个随机交配的牛群中，黑色对红色为显性，黑牛(BB、Bb)占96%，红牛(bb)占4%，求基因频率。 q = √R = √0.04 = 0.2 p = 1-q = 1－0.2 = 0.8(三) 复等位基因(三) 复等位基因例如，秦川牛血红蛋白基因有3个等位基因AA、BB、CC，其中AA27头，AB8头，AC5头，求A(p)、B(q)和C(r)的基因频率。 p = D1+(H1+H2)/2 = 0.675+(0.20+0.125)/2 = 0.8375 q = D2+(H1+H3)/2 = 0+(0.20+0)/2 = 0.10 r = D3+(H2+H3)/2 = 0+(0+0.125)/2 = 0.06251、等显性的复等位基因2、等显性及有等级显隐性的复等位基因2、等显性及有等级显隐性的复等位基因例如，Fan C. S. 1944年在昆明调查了6000个中国人的ABO血型，其中O型1846人，A型1920人，B型1627人，AB型607人。求基因频率。 p = √O = √1846/6000 = 0. 5547 q = 1－√A+O = 1－√(1920+1846)/6000 = 0.2077 r = 1－q－r = 1－0.5547－0.2077 = 0.23763、显隐性等级的复等位基因3、显隐性等级的复等位基因决定兔毛色的基因中有3个等位基因，其中C(灰色)对Ch(黑色)和c(白化)为显性， Ch对c为显性。如在一个随机交配的大兔群中，灰色占75%，“八黑”占9%，白化占16%。求基因频率。 r = √A = √0.16 = 0.4 p = 1－√A+H = 1－√0.16+0.09 = 0.5 q = 1－p－r = 1－0.5－0.4 = 0.14、具有伴性遗传的复等位基因频率的计算4、具有伴性遗传的复等位基因频率的计算绵羊角有3个等位基因控制：P无角，P’有角，p在公羊有角，在母羊无角。 P 对P’ 、p显性， P’ 对p显性。某农场的大群东北细毛羊中，有角公羊2%，有角母羊占1%。求基因频率。 p = 1 －√0.02 = 0.8586 r = √0.02－0.01 = 0.1 q = 1－p－r = 1－0.8586－0.1 = 0.0414第三节 影响基因频率与基因型频率的因素第三节 影响基因频率与基因型频率的因素一、迁移(migration) 迁移产生的原因有：混群、杂交、引种。 1、混合群体的基因频率等于两个群体基因频率以各自群体个体数为权的加权平均数。 例：有100个个体的群体某一基因A的频率为0.4，另有一个200个个体的群体，其基因A的濒率为0.5，混合群体的基因频率是多少？null2、如果是两个群体的雌雄个体杂交所产生的杂种群体，其基因频率为两个亲本群体基因频率的简单平均数。例：无角牛群为♂，有角的基因频率为q=0；有角牛群为♀，有角的基因频率为q=1. 混合牛群有角的基因频率为： null3、如果知道混合群中迁入者的比例，也可求得基因频率。若：m为迁入者的比率，1-m为原有个体的比率，qm为迁入个体中的基因频率，q0为原有个体中的基因频率，q为混合群体的基因频率。 那么，q=mqm+(1-m)q0 =m(qm-q0)+q0二、突变(mutation)二、突变(mutation)1、突变作用形成新的等位基因；直接改变基因频率。2、正突变与反突变对基因频率的影响3、突变n代后，隐性基因频率qn3、突变n代后，隐性基因频率qn可求出由q0突变为qn所需要的代数n。 例如：p1534、当突变率一定时(包括u、v)，起始基因频率已知为q0 ，当q0变为qn为时所需的代数n为4、当突变率一定时(包括u、v)，起始基因频率已知为q0 ，当q0变为qn为时所需的代数n为基因平衡时， 所以， 例如：p153—154三、选择(selection)三、选择(selection)选择(selection)：决定群体中不同基因型个体相对比例的过程。 适合度(fitness)：在选择中，某个基因型个体在下一代平均保留后代数的比率。 选择系数或淘汰率(s)：某一基因型个体在下一代淘汰的个体数占总后代数的比率。 适合度 = 1－s(一)全部淘汰显性个体(一)全部淘汰显性个体例如：p154(二)全部淘汰隐性个体(二)全部淘汰隐性个体1、淘汰隐性个体后，隐性基因频率变化的计算null下一代的基因频率为： 经两代淘汰后： 同理可证： 式中，qn——每代全部淘汰隐性纯合体，n代后隐性基因的频率；n——淘汰的代数。null2、q的变化率 3、使基因频率降到一定程度所需的代数(n)因为 所以 例如，p156 （三）隐性个体的不完全选择（三）隐性个体的不完全选择1、连续两代间基因频率的变化1、连续两代间基因频率的变化子代的基因频率： 归纳推理为： 2、q的一代变化率2、q的一代变化率根据此公式，当q0值为中等时，△q的变化最明显；当q0大或小时， △q 的变化很小。 即当s固定时，这种选择对一个畜群的常见性状最有效，对稀有性状则无效。3、使某一基因频率减少到一定程度所需的代数(n)3、使某一基因频率减少到一定程度所需的代数(n)当s=0.01或者更小时，分母接近１，有所以， 例如，p158 （四）测交选择显性纯合子公畜（四）测交选择显性纯合子公畜每世代都对公畜进行测交，对母畜不作选择null下一代的基因型频率： D1=p0，H1=q0，R1=0 下一代的基因频率： q1=H1/2=q0/2, q2=h2/2=q0/22 经过n代，qn=q0/2n  nlg2=lg(q0/qn) 所以，n=(lgq0-lgqn)/lg2 例：p159(五)淘汰部分显性类型的随机交配群体(五)淘汰部分显性类型的随机交配群体选择后下一代的隐性基因频率(六)突变和选择的联合效应(六)突变和选择的联合效应1、两者的平衡状态2、基因突变率的估计2、基因突变率的估计选择使a减少频率为：Δq2=-Sq2(1-q)/(1-Sq2)≈-Sq2(1-q) (注：q很小时作近似处理，即1-Sq2 ≈1) 平衡时： u(1-q)-vq= Sq2(1-q) [即Δq1 +Δq2 = 0] 若v也很小，vq≈0，则u ≈ Sq2 上式可用于推算自发突变的频率u或平衡时q四、遗传漂变四、遗传漂变定义１：由于抽样误差基因频率的随机波动。 定义２：基因频率的随机变化。 定义３：由某一代基因库中抽样形成下一代个体的配子时所发生的机误，这种机误引起基因频率的变化。 定义４：对固定群体大小来说，对配子的随机抽样引起基因频率的变化。(一) 概念(二)遗传漂变的方向(二)遗传漂变的方向遗传漂变的方向是不定的，但趋势是频率高的基因容易向高频率漂变。 随着抽样群体的增大，遗传漂变趋于缓和，故群体越大，愈难纯化。(三)遗传漂变的原因(三)遗传漂变的原因遗传漂变一般由引种、留种、分群、建系、近交及传染病死亡等引起。(四)遗传漂变的范围基因频率遗传漂变的范围大于0而小于1。 在基因频率为p=1，q=0，或p=0，q=1的群体中是不会发生的。五、随机交配的偏移五、随机交配的偏移同型交配：相同基因型，如AA×AA 异型交配：不同基因型，如AA×Aa 同质交配：相同或相似表型，如AA×Aa 异质交配：表型差异较大，如AA×aa(一)非随机交配类型(二)非随机交配的遗传效应(二)非随机交配的遗传效应同型交配： 纯合子：基因型和基因频率都不变 杂合子：基因频率不变，基因型频率改变；每一世代杂合子频率减少一半。 同质交配：实际上是不完全的同型交配。 异型交配：增加杂合子频率；不改变基因频率。第四节 遗传多样性第四节 遗传多样性广义：种内或种间表现在分子、细胞、个体三个水平的遗传变异程度。 狭义：主要是指种内不同群体和个体间遗传变异程度。遗传多样性(Genetic Diversity)的定义：一、遗传多样性的重要意义一、遗传多样性的重要意义1、进化和适应的基础 越丰富，越有利对环境的适应，进化潜力越大 2、对于人类有直接的经济意义 育种的素材；高产、抗逆和产品品质的提高二、保护遗传学的基础理论二、保护遗传学的基础理论保护遗传学(Conservation Genetics)：运用遗传学的原理和研究手段，以生物多样性尤其是遗传多样性的研究和保护为核心内容的学科。 1937年，Errington and Hamerstromsh首次提出了“conservation biology”这一名词，标志着保护遗传学的萌芽。1、隔离、基因交流和遗传分化1、隔离、基因交流和遗传分化隔离(isolation)：由于细胞上、解剖上、生理上、行为上，或者生态上的差异，或者地理上的障碍，使两个或者多个有关的种群或者物种不能成功交配。 基因交流(gene flow): 由于迁移而造成同一物种不同群体的基因交换，通常会导致受体群基因库许多座位基因频率发生变化。 遗传分化(genetic divergence)：由于各种进化力量的作用，如选择、遗传漂变、基因流动、同型交配等，使处于隔离或半隔离群体间基因频率的差异累积增长。 作用：形成新物种或地方特有类群；导致群体灭绝或退化。2、灭绝、生存以及遗传多样性2、灭绝、生存以及遗传多样性导致物种灭绝的主要因素： ①种群统计上的随机性，即遗传漂变的作用； ②群体社会机制障碍； ③遗传上的衰退。 遗传多样性的水平——遗传多样性指数：(N为有效群体的大小，u为基因的突变率)3、始祖效应、瓶颈效应及近亲繁殖3、始祖效应、瓶颈效应及近亲繁殖始祖效应(founder effect)：当从一个大群体中随机选取少数动物(始祖)以建立一个独立群体时，始祖只包括了亲本群体部分遗传多样性，结果因为进化压力不同，导致亲本群和新产生群体基因库的进化途径不同。 瓶颈效应(bottleneck effect)：由于遗传漂变的作用，当一个大群体的群体大小变小和增大，则基因频率会发生波动(通常是变异下降)。 近交(inbreeding)：有亲缘关系个体间的交配。四、遗传多样性的保护和保存四、遗传多样性的保护和保存原地保护 迁地保护 生物技术的应用 家畜保护策略： 1、保护与改良相结合，有选择地保护 2、发掘、保护、评估和利用相结合 3、系统保种与目标保种相结合第五节 分子进化第五节 分子进化Molecular Evolution一、进化论的发展历程一、进化论的发展历程1、拉马克的进化观点：用进废退，获得性遗传；生物是由简单到复杂，由低等到高等。 2、达尔文的进化学说： “物竞天择、适者生存”的自然选择假说。 3、新达尔文主义：物种在不断演变，他们都起始于共同的祖先；突变是变异的源泉，自然选择是新物种形成的主要外因条件，并在决定群体的遗传构成以及基因替换过程中起决定性作用。null如果从一个物种的整个基因组平均来看，DNA中核苷酸替代的速率是一个常数。因此，两个物种间核苷酸差异的程度可以及来估计他们在进化树中的分支点。 是建立分子进化树的基础 一直存在争议4、分子钟理论5、中性学说5、中性学说在进化过程中，大多数核苷酸替换不是由正向的达尔文选择造成的，而是由于中性或接近中性突变的随机固定引起的。 许多蛋白质的多态性是选择中性(不影响表型)，在群体中保存下来是由于突变和随机灭绝之间平衡的结果。 中性突变不是没有功能，它们只是在提高存活力和繁殖方面与祖先的等位基因是等效的。不过，因为只有比较少量的配子从每世代大量配子中“抽样”，只是下一世代个体的代表，所以，这些突变在一个群体中只能 随机地扩散。二、分子进化二、分子进化蛋白质钟假说：给定一家族蛋白质 (如细胞色素，珠蛋白)的氨基酸替换率为一常数，因此，两个物种蛋白质氨基酸差异的程度可以用来估计它们从一个共同祖先开始分化后的分化时间长短。 最小突变距离：同一种蛋白质氨基酸的差异是由进化过程中单碱基突变引起的，如果把氨基酸的差异转换成遗传密码，两个物种间确定所有氨基酸差异所代换的核苷酸总数。 用以确定物种的亲缘关系及其在进化分歧点的年代，绘制系统树。(一) 蛋白质进化null氨基酸的替换速率()：每年每个氨基酸被另外的氨基酸替代的比例。 单位进化时间(UEP)：每100个氨基酸发生一个替换的平均时间。（二）核苷酸的进化（二）核苷酸的进化DNA序列变化包括替换、缺失、插入和倒位等；以替换为主。 同义替换：不影响密码子编码的氨基酸。 非同义替换：影响密码子编码的氨基酸。 DNA进化速率：每年每个核苷酸被替代的比例。 单位进化时间(UEP)： 在一个被研究的谱系的两个分支点，起初完全相同的核苷酸相差1％所需的时间(百万年)。如珠蛋白基因家族的UEP为10.4。null影响DNA进化速率的因素： 不同基因，假基因 突变种类 基因的不同区域：编码区、内含子、5’侧翼序列、5’非翻译区、3’非翻译区(三) mtＤＮＡ的进化(三) mtＤＮＡ的进化替换速率高。 基因的空间排列和基因组的大小在各物种间相当稳定，说明核苷酸替代速率和结构进化速率间的无关性，即这两个过程是独立的。 母体遗传，存在于细胞质中。(四) 多基因家族的协同进化(四) 多基因家族的协同进化真核生物多基因家族(Multigene family)的成员在基因组中具有多个拷贝，它们可以彼此形成基因簇或分散分布于不同的染色体上。 维持着多基因家族中基因多拷贝中的序列一致性的现象，称为协同进化(concerted evolution)或分子驱动(molecular drive)。习 题习 题P174 3、4、5、7、8 10、12、15、17