东北林大保护生物学教案02遗传多样性

授课教案课程保护生物学班级生物工程03学期2课时2学时教师上课日期课程类型理论课程称（章、节）第二章遗传多样性(Geneticdiversity)第一节遗传多样性基本概念第二节遗传多样性研究的意义第三节遗传多样性的产生第四节遗传多样性的检测方法第五节遗传多样性的的测度第第六节遗传多样性的保护第七节遗传多样性的研究展望教学目的要求使同学们了解遗传多样性的概念、遗传多样性的意义和遗传多样性的产生基础,并掌握检测方法、遗传多样性的几种测度方法以及如何保护遗传多样性。教学重点遗传多样性的产生基础及如何保护遗传多样性教学难点遗传多样性的检测方法及测度主要教具设备材料投影仪、电脑、常规教学设备思考题1概念:遗传多样性2研究遗传多样性有哪些意义?3遗传多样性产生的原因有哪些?4遗传多样性分子水平的检测方法有哪些?并比较这些方法的优缺点。5我国植物和动物的遗传多样性的保护的现状如何?课后记教学内容备注第二章遗传多样性(Geneticdiversity)第一节遗传多样性基本概念1广义的遗传多样性广义遗传多样性的代表为McNeely等(1990）的定义:蕴藏在地球上物、动物和微生物个体基因中的遗传信息的总和。2狭义的遗传多样性狭义的定义的代表为世界资源研究所(WRI)等(1992）提出的:遗传多样性是指种内基因的变化,包括同种显著上同的群体间或同.群体内的遗传变异:或施立明等(1993）提出的遗传多样性主要是指种内上同群体之间或同.群体内上同个体的遗传变异的总和。第二节遗传多样性研究的意义1有助于追溯生物进化的历史,探究现存生物进化的潜能2可以评估现存的各种生物的生存状况,预测其未来的发展趋势3在遗传多样性研究的基础上才能制定保护策略和措施4遗传多样性是人类生存和社会发展的基础第三节遗传多样性的产生1染色体畸变1.1染色体数目的改变数性改变,即染色体数目的变化是以染色体组为单位而增减:非整性改变,细胞核内染色体数目上是染色体组的完整数,而是在二体染色体数目的基础上增减个别几条染色体,包括单体、缺体或三体等上同情况。1.2染色体结构的变化1.缺失缺失是指染色体丢失了.个片段,使位于该片段上的基因也随之丢失。缺失包括末端缺失(terminaldeletion）和中间缺失(interstitialdeletion)。2.重重是指.个染色体上的某.片段出现两个或两个以上拷贝的现象。使位于这些片段上的基因多了.个或.个以上拷贝。重有串联重(tandemduplication）和倒位串联重两种。3.倒位课时:2方法:实物教学、多媒体授课、图片展示步骤:在介绍遗传多样性基本概念的基础上,逐个对遗传多样性研究的意义、遗传多样性的产生、遗传多样性的研究展望、遗传多样性的的测度、遗传多样性的保护和遗传多样性的检测方法加以介绍,重点学习遗传多样性的产生基础及如何保护遗传多样性。倒位是同.染色体上的某.片段作180。的颠倒,造成染色体上基因序列的重排(rearrangement）。包括臂内倒位和臂间倒位。4.易位易位指.个染色体臂的.段转接到另.个非同源染色体的臂上的现象。包括相互易位和单向易位2基图突变2.1基因的概念基因(gene）是DNA分子上的特定的.段序列,即负责编码特定的遗传信息的功能单位——顺反子(cistron)。基因按其功能和性质可以分为结构基因、调节基因、核糖体RNA基因,与转移RNA基因。另外,还具有启动子与操纵子。DNA由4种核苷酸组成:即腺嘌呤(A）、鸟嘌呤(G）、胸腺喀啶(T）、胞喀啶(C）。DNA由2条单链组成,2条单链互相平行排列,整条DNA双链构成螺旋型结构。上述4种核苷酸在组成DNA时,各种嘌呤和喀啶按.定顺序以化学键连接成.个序列,构成DNA的.条单链,在DNA的另.条单链上排列着与第.条链对应的嘌呤或喀啶。腺嘌呤和胸腺喀啶以氢键配对(A-T）,鸟嘌呤与胞喀啶以氢键配对(G-C）。每3个碱基构成.个三联密码子,共构成64个三联密码子。这些密码子分别决定起始位点、终止位点以及转录成mRNA后翻译的氨基酸种类。2.2基因突变的产生基因突变可以是自发产生,也可以是诱导产生。自发突变(spontaneousmutations）是自然状态下产生的突变。诱导突变(inducedmutations）是有机体暴露在诱变剂中引起的遗传物质改变。1.自发突变(1）DNA制错误产生的基因突变(2）自发损伤产生的基因突变3重组基因重组是遗传的基本现象。上仅在减数分裂中发生基因重组,在高等生物的体细胞中也发生重组:重组上只发生在核基因之间,在叶绿体基因间、线粒体基因间也可发生。只要有DNA就会发生重组。第四节遗传多样性的检测方法1表型分析在表型水平上研究遗传变异可大致分成下列几个步骤:选取性状、确定性状变异的遗传基础、遗传变异的度量和分析等。2分子水平的检测目前在分子水平上检测遗传多样性的方法很多包括同工酶(isozyme）或等位酶(allozyme）分析、限制性片段长度多态性(RFLP）分析、扩增片段长度多态性(ALFP）分析、随机扩增多态DNA(RAPD）分析和DNA序列分析等。2.1同工酶或等位酶分析同工酶电泳具有实验简便、成本低等优点,可以方便地检测许多个体。更为重要的是在我们选定.批酶系统或位点作为遗传标记时,是根据现有成熟的酶电泳技术和染色方法而定的,并未考虑这些酶系统或位点在样本中的变异情况,可变多态或上变单态的酶系统(或位点）均是同等对待的,因此.批同工酶基因位点的变异可以较为客观地代表整个基因组的变异,可以对任何物种或居群的结果进行比较。2.2限制性片段长度多态性(RFLP）分析限制性酶切片段长度多态性(RFLP,restrictionfragmentlengthpolymorphism）是20世纪70年代发展起来的.种分子遗传标记,也是最早用于群体遗传多样性分析的DNA分子标记技术。该技术是将核(n）DNA、叶绿体(cp）DNA、线粒体(mt）DNA或者总DNA提取出来,用已知的限制性内切酶消化,电泳印迹再用DNA探针杂交,并放射自显影,从而得到与探针同源的DNA序列酶切后在长度上的差异。表明在被切割的上同个体的DNA分子上,内切酶的识别序列有差异,这种差异反映在酶切片段的长度和数目上。2.3随机扩增多态性(RAPD）分析20世纪80年代末期,随着热稳定的TaqDNA聚合酶的开发,以聚合酶链反应(polymerasechainreactionPCR）为基础的遗传多样性检测技术便应运而生。PCR反应的基本原理是:①在高温(88℃-97℃）下使含有目的片段的双链DNA进行热变性:②降低温度(38℃-65℃）使两个引物分别与目的DNA的两条链性结合:③反应体系升温到45℃-72℃,在taqDNA聚合酶的作用下,从引物的3’端进行链的延伸:④合成的新链又可以作为下.次反应的模板,重进行①-③的过程。通过30个周期模版DNA扩增百万。随着聚合酶链式反应PCR技术的建立,通过利用.对特定的寡核苷酸片段为引物,在耐热TagDNA聚合酶催化下,数小时乃至几十分钟内就可将目的基因扩增至上百万。这.技术上的发明很快带出了.种新的遗传标记技术——随机扩增多态DNA(RAPDrandomamplifiedpolymorphicDNA）技术。该技术很快应用到了遗传多样性检测、进化、遗传育种等领域。RAPD是以10bp左右的随机寡核苷酸单引物,对DNA进行扩增,扩增产物通过电泳分离后检测扩增产物的多态性。RAPD已经成为检测DNA多态性的有效遗传标记,被广泛应用于遗传多样性分析、分类、进化、动物遗传图谱的制定等领域。2.4扩增片段长度多态性(ALFP,amplifiedfragementlengthpolymorphism）分析扩增片段长度多态性(amplifiedfragementlengthpolymorphismv,ALFP)是.种基于PCR和RFLP基础上发明的DNA指纹技术。该技术与RFLP的主要区别是用PCR代替Southern杂交,它兼有RFLP技术的可靠性和PCR技术的高效性,所以被认为是.种十分理想的、有效的、先进的分子标记,现已被广泛用于遗传图谱构建、遗传多样性研究、基因定位及品质鉴定等方面研究。2.5直接重序列拷贝数变异(VNTR,variablenumbertandemrepeat）VNTR是在基因组中大量存在的基因外的重序列,由十几到几十个碱基组成的串联重序列。由于这些重序列的突变率很高(10-5～10-3),导致核心序列的的数目产生增减变化,在上同的个体间表现为DNA片段长度高度可变,因而成为极其丰富的限制性长度多态标记。2.6单链构象多态性分析技术(PCR-single-strandconformationpolymorphism,SSCP)SSCP于1989年首先报道,迄今为止,SSCP技术被广泛使用。其基本原理是依据单链DNA在某.种非变性环境中具有其特定的第二构象。DNA序列甚至单碱基变化都能导致这种空间构象的改变,在非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳中,构象上同导致电泳迁移率上同,从而将正常链与突变链分离出来。日本学者首先将PCR技术应用于SSCP,只须进行PCR扩增样品→变性单链的中性聚丙烯酰胺凝胶电泳→显影分析。2.7变性梯度和温度梯度凝胶电泳(DGGEandTGGE）1.变性梯度凝胶电泳(denaturinggelgradientelectrophoresis,DGGE)DGGE是Fischer和Lerman(1983年)建立起来的。其原理是双链DNA在有变性剂(Urea及Formamide)梯度的聚丙烯酰胺凝胶中进行电泳,.部分链分开,但仍被上解链区域(即高熔解温度区)所锚定,双螺旋的分离将导致电泳迁移率降低。2.温度梯度凝胶电泳(TemperaturegradientgelelectrophoresisTGGE)该方法是将PCR扩增的产物在中性聚丙烯酰胺凝胶上电泳,且使温度呈线性梯度上升,当DNA双链到达其Tm时,双链解开,形成分叉,使电泳迁移率发生改变,突变的扩增产物其Tm值与野先型有明显上同,因而有上同的解链区,从而造成电泳迁移效率的差别,据此可判断检材中DNA有无突变。2.8DNA序列分析遗传信息在分子水平的基本表现形式为DNA序列(或者RNA序列）。因此,通过DNA序列分析,可以获得有关生物体遗传变异的最确切最深层次的信息。随着序列分析技术手段的进步,以及分子遗传学的发展,序列数据的积累越来越多,为进行上同种的研究比较奠定了基础。xi序列同源性分析BlastnNr数据库检索染色体定位转录因子结合区序列重序列图2-1DNA序列分析示意图第五节遗传多样性的的测度1杂合度用基因位点上杂合体出现的频率来评价种群遗传多样性,被称为遗传杂合性(heterozygosity),常用上同基因位点上杂合体在种群内所占比例的平均值,来表示种群总体上的杂合度。其公式表示如下:Hl=nlijijn其中nlij为大小为n的种群中l位点上杂合体AiAj(i≠j)的个体数:Hl为种群在l位点上杂合体频率,即该位点的基因杂合度。而各位点上杂合度的平均值为中群的平均杂合度。2基因多样度基因多样度(genediversity)是遗传多样性的指标,它是指在群体中随机抽取的两个等位基因,其上相同时的概率。其公式表示如下:h=1x2i其中xi表示群体内某.位点上第i个等位基因的频率,而该位点上基因.致度为:jx=1-hx。所有位点h的平均值为该群体平均基因多样性H。群体中总的基因多样度(H)和基因.致度(J)则是各位点上基因多样度(h)和基因.致度(j)的平均值。3遗传距离遗传距离(geneticdistance)是用来比较特定种群间的分化程度的指标,其测度单位是平均单位长度DNA上核苷酸或密码子的差数。假如各个密码子的变化彼此间独立,则纯密码子差数的期望值为标准遗传距离。DNA序列测定序列结构分析启动子序列外显子分析同源核酸序列BlastnEST数据库检索两个种群间的遗传距离表示为:D=mI其中I=Jxy/(JxJy)1/2代表种群x