分子生态学前沿进展论文

分子生态学研究进展与发展趋势摘要：分子生态学是分子生物学与生态学融合而成的新的生物学分枝学科。而不仅只是应用分子生物学技术研究生态学问题。分子生态学作为生态学领域的新兴学科，，在分子水平上阐述生命现象的发生、发展机理已成为生物学家们共同关注的目标。采用分子生物学的研究方法和研究成果来阐述生态规律的分子机理，进而产生了一门崭新的学科。目前，分子生态学已成为当前国际生物学的研究热点之一，是生态学研究的新领域。关键字：分子生态学研究进展发展趋势分子生态学是90年代初新兴的一门生态学学科分支，它一经产生就引起了人们的广泛重视。不同的学者从各自的研究背景出发，对分子生态学的概念有着不同的理解。Burke等和Smith等分别在《分子生态学》的创刊号中解释了分子生态学的概念。这个概念注重动植物和微生物的个体或群体与环境的关系，认为分子生态学是分子生物学与生态学有机结合的一个很好的界面。它利用分子生物学手段来研究生态学或种群生物学的方方面面，阐明自然种群和引进种群与环境之间的联系，评价重组生物体释放对环境的影响。向近敏等（1996）则将分子生态学与宏观生态学和微观生态学对应起来，认为分子生态学是研究细胞内的生物活性分子，特别是核酸分子与其分子环境关系的。这个概念强调有生命形式的细胞内寄生物及其有生物学活性的细胞和分子与其相关细胞之间的各种活性分子，直至分子网络相互作用的生理平衡态和病理失调态的分子机制，从而提出促进生理平衡和防止病理失调的措施和方法[1]。一、分子生态学产生的背景虽然分子生态学这一概念是在最近几年才正式提出的，但是类似的研究工作可以追溯到70多年前。从分子生态学的发展历史来看，主要有三门分支学科为分子生态学的形成奠定了基础。它们是：群体遗传学、生态遗传学和进化遗传学。虽然生态遗传学可能是分子生态学的最直接来源，但是，为了叙述的整体性，以下论述将不会有意将这三者分隔开来。经典生态遗传学主要是论证和测度自然系统中选择的重要性（Real1994）。Ford（1964）在他的经典著作《EcologicalGenetics》中，给生态遗传学下了这样的定义：生态遗传学“是将野外和实验室工作结合起来的一种方法”，并指出，生态学的研究成果指示着生物体之间及其与生存环境之间的相互关系。因此，“生态遗传学也是研究野生种群对其生存环境的调整和适应”，“它支持这样一种方法，就是研究目前发生的进化的实际过程，这是唯一直接的方法”。群体遗传学是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，是孟德尔定律与数理统计方法相结合的产物。1908年，Hardy和Weinberg分别独立发表了群体遗传平衡的文章，文章中将孟德尔定律用于随机交配的大群体，提出所谓的Hardy-Weinberg定律，为群体遗传学的诞生奠定了第一块基石。分子生态学在有效地评价这些风险方面占重要地位。目前，我们对这些遗传修饰生物体的散布和控制所知甚少，也不太了解不同种之间的相互作用。分子生态学由于能够提供明确的标记，因而会帮助我们更加精确地研究这些遗传修饰生物体在环境中的散布及其对环境产生的影响。基因与环境有着如此密切的联系，许多具有丰富分子生物学经验的学者希望能够将他们的专长用在解决基因与自然环境关系的问题上；而另外一些对生态学有兴趣的学者则希望分子技术能够帮助他们解决一些棘手的生态学问题。所以，分子生态学的产生是必然的，而且将会对科学活动产生巨大的推动作用[3]。Ford（1964）认为生态遗传学是一种方法，是将实验室研究和野外调查相结合的一种方法。Merrell（1981）在他的著作中也持同样观点，并且强调了种群遗传学和种群生态学的结合。他指出，无论是生态遗传学、进化生物学、达尔文生态学，还是进化遗传学、种群生物学，都是遗传学和种群生态学结合方法的不同名称。名称使用上的差别，只是反映了作者们在经历和兴趣上有某种程度的不同而已。而群体遗传学就不一样了，它只是对实验结果的一种数理统计方法，很少考虑到与环境的联系。虽然群体遗传学为生态遗传学的发展提供了宝贵的理论和统计方法，并为分子生态学的诞生铺平了道路，但是只有当分子群体遗传学介入生态环境问题时，它才会成为分子生态学的一部分。生态遗传学所涉及的主要是种群生态学方面的问题，分子生态学的内容似乎更宽广一些。其实分子生态学这个名词也反映了一个喜好问题，但由于一方面它强调所要解决的是生态学问题，另一方面它强调了分子手段的应用，因而得到广泛的认可。如同生态遗传学和群体遗传学一样，分子生态学也非常关注分子的进化方式，而且分子生态学能够直接在核苷酸序列的水平上揭示分子进化的理论，这是作为它的基础的那三门分支学科所不能及的。最近出版的一部有关分子生态学的著作，将分子生态学和进化放在一起讨论。二、分子生态学的概念和任务Hoelzel认为，分子生态学是以DNA和蛋白质的特征，研究物种的进化、演化及种群生物学。Burke等和Smith等分别在《分子生态学》的创刊号和第2期首卷的社论中解释了分子生态学的概念，认为分子生态学是分子生物学与生态学有机结合的一个很好的界面。向近敏等认为，分子生态学是研究细胞内生物活性分子特别是核酸分子与其分子环境的关系。而目前较为一致的看法是:分子生态学是生态学的微观研究层次与领域，它利用分子生物学原理、方法和技术，来研究生命系统与环境系统相互作用的机理及其分子机制的科学，从分子水平探讨生物与环境的关系。生态学研究的生物有机体是一个层次复杂的生命系统，个体物种在宏观水平上能够体现出生命有机体新陈代谢、自我繁殖、自我调节，变异进化等生命的基本特征，但不能表征由于所处环境的异质性而导致的不同环境中同种个体在新陈代谢、自我繁殖、自我调节、变异进化等方面的差异。事实上，任何一个个体物种都不是以单一个体的形式存在于自然环境中，而是以群体物种的形式有存在于自然环境中。生态学上将同种生物在特定空间的个体集群称为种群，它既有数量特征和空间特征，又有遗传特征，即有一定的遗传组成，世代传递基因频率，通过改变基因频率来适应环境的不断变化，它是生态层次的基本结构单位，也是生态系统的基本功能单位[4]。从分子生物学的角度上看，种群是指能自由交配和繁殖的一群同种个体，它在一定的时间内拥有全部基因的总和称为该种群的基因库，而携带的全部遗传信息的总和又称为该种群的基因组。结合生态学和分子生物学对种群的定义和理解，分子生态学将在分子水平上，从结构研究（分子基础和功能研究）和分子机制两方面来研究种群与环境的相互作用，并将其作为自己的主流任务。三、分子生态学的研究对象和研究内容分子生态学主要涉及分子种群生物学、分子环境遗传学和分子适应3个方面的问题，在技术上主要有用于物种鉴定的分子技术、新探针的构建以及用于种群研究的基因序列分析和引物设计以及探讨基因工程产物的环境适应性和投放环境后所引起的物种与环境互作、物种之间互作、种内竞争等方面的生态效应等重要领域。目前分子生态学研究的主要内容包括分子群体生物学、分子环境遗传学和分子适应等。实际上分子生态学不是简单的分子技术在生态学问题中的应用，其研究内容还远不止于此。分子生态学的深入发展依赖分子标记和检测技术的重大突破，客观地说，分子生态学还是一门十分年轻的学科，它没有公认的学科创始人和标识性的学术论著，其发展主要通过跟踪精确的分子标记技术和分子检测技术来准确地鉴别生物大分子结构与功能的差异，借此来揭示生物与环境相互作用的分子机制，这是分子生物学最显著的学科特征。分子生态学研究始终依赖和跟踪分子标记技术和分子检测技术。分子标记技术包括限制性片断长度多态（RFLP）、单核苷酸多态（SNP）、扩增片段长度多态性（AFLP）、随机扩增DNA多态性（RAPD）、可变的串连重复多态（VNTRP）和PCR技术；分子检测技术包括DNA（或RNA）序列分析、片段分析、（长度分析），单链构象多态性（SSCP）、变性梯度（DGGE），温度梯度凝胶电泳（TGGE）、变性高效液相色谱（DHPLC）。Weber通过PCR扩增和直接的序列测定发现了一类特殊的VNTR，其串连重复的核心单元仅由2个碱基组成，称为微卫星，它与等位酶和RFLP一样是很好的共显性标记物。随着基因组测序计划的开展以及更多的蛋白质序列和结构的测定，微卫星可以揭示出更高水平的多态性[5]。四、分子生态学的研究现状自从1992年《MolecularEcology》问世以来，其上刊登了许多优秀的有关分子生态学研究的论文。Hoelze编著的《种群的分子遗传学分析：实践方法》一书中，总结了能够有效地用于种群生物学研究的、许多可行的分子生物学技术方法。Crawford和Hewitt（1992）编著出版了《GenesinEcology》，书中论述了基因和生态学有机结合的理论与实践。该书在1994年重新印刷出版。在这里值得一提的是Schierwater等编著的《分子生态学与进化：方法和应用》。该书从分子的角度描述了应用于生态学、进化、种群生物学、分子系统学、保护遗传学中的一些分子生物学方法的理论和技术及其进展。中国出版的《分子生态学》著作则对分子生态学概念另有见地。虽然分子生态学这个名词出现很晚，但国际上已经成立了一些研究机构专门从事分子生态学、的研究工作。比如，英国Durham大学生物科学系的A．R．Hoelzel领导的分子生态学研究小组就非常活跃。他们实验室的研究工作是对群体遗传学和系统发育、免疫基因进化以及各种不同生活史和行为对策在群体遗传结构进化中的作用进行研究，研究对象包括动植物的自然种群。德国的马克斯-普朗克化学生态学研究所专门成立了分子生态学研究室，并准备在2001年扩大规模。在国内，分子生态学也受到越来越多的重视，湖北医科大学成立了分子生态学研究室。1996年10月，中国植物学会青年工作委员会与东北林业大学森林植物生态学开放研究实验室共同举办了首届全国植物分子生态学学术研讨会，与会专家一致认为，应用分子生物学的研究方法与技术手段，如同工酶、RFLP、PCR、RAPD、DNA序列测定等技术来揭示植物个体、种群在生物大分子水平上的异同，是分子生态学现阶段的主要研究方法[6]五、国际分子生态学研究进展Burke等（1994）评述了许多检测分子变异的技术手段及其在分子生态学中的应用。这些分子手段包括DNA杂交，限制性片段分析，DNA指纹分析，多位点指纹和单位点指纹以及可变数量的衔接重复（VNTR），PCR，DNA测序和随机扩增多态性DNA等。生态学应用包括性别鉴定（用分子标记去鉴别特殊的性染色体的序列特征）、交配制度（近缘家族关系的分析）、种群结构（种群在空间和时间尺度上的变异）、迁移和基因流以及渐渗现象与杂交带的研究，既可以用物种特异性探针来鉴定物种，用分子标记来研究物种或种群之间的系统发育关系，也可以用分子工具来揭示出微生物群体中从未检测出的多种性。本文所综述的生态学应用主要集中于动物和微生物种群的研究。分子标记在植物种群的研究中也有很多实例。Bachmann（1994）阐述了这些实例及其限制。这些应用主要包括：①形态学鉴定困难时，帮助作菌根、生物体和基因型的鉴别；②在无性繁殖的种类中鉴别无性系；③确定无性种群中遗传变异是来自无性系内还是不同无性系的突变；④重建无性系和自交生物体的基因型进化和果实分布，通过后代排除法分析测度异交的程度；⑤辨别和分析在杂交带中与不同适应反应有关的基因渐渗和重组基因型特征：追溯生态学上不同的小种或种的进化起源以及进化程度；⑥分离负责特殊适应的基因，绘基因图，并研究遗传基础的特征。Schierwater等（1994）编著的《分子生态学与进化：方法和应用》既包括了动物种群，又包括了植物种群的研究。但是由于植物种群的研究滞后于动物种群的研究，加上编著者受本身的专业背景所限，该著作中植物种群的分子生态学与进化研究只占一小部分。书中Smith和Williams（1994）论述了随机扩增的指纹分在植物繁育、分类和系统发育中的应用。Caetano-Anollés和Gresshoff（1994）则专门介绍了DNA放大指纹（DAF）在植物种群生