分子生态学的兴起及其研究进展

成绩：中南林业科技大学《分子生态学》课程论文分子生态学的兴起及其研究进展学生夏伊静专业生态学班级07级学号20070346学院生命科学与技术学院2010年10月31日分子生态学的兴起及其研究进展摘要：分子生态学的产生给整个生态学领域带来了巨大的冲击,其研究的问题、研究的方法是全新的,它一产生就引起了广大生物学家的高度重视。本文着重论述了分子生态学的兴起及其研究进展。关键字：分子生态学、研究方法、研究热点、研究进展1、分子生态学的概念1分子生态学由于发展时间短,不同学者从各自的研究背景出发对它的定义有着不同的理解。Burke等在《分子生态学》杂志的发刊词中对分子生态学的定义是:分子生态学是生态学和种群生态学的交叉,它利用分子生物学的方法研究自然人工种群与其环境的关系以及转基因生物(或其产物释放)所带来的一系列潜在的生态问题。Bachman在“植物分子生态学中的分子标记”综述中定义分子生态学为应用分子生物学方法研究生态和种群生物学的新兴学科,引用了156篇论文,每一篇都谈及DNA水平的工作。文中把等位酶标记作为DNA标记的参照物,讨论了DNA标记的优点。Moritz把分子生态学定义为:用遗传物质,如线粒体DNA(mtDNA)的变化来帮助指导种群生物学的研究。在国内,2向近敏等认为: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的关系。我国学者黄勇平和朱湘雄认为分子生态学是应用分子生物学的原理和方法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。它是生态学与分子生物学相互渗透而形成的一门新兴交叉学科,也是生态学分支学科之一。张德兴则认为分子生态学是多学科交叉的复合学科,从研究角度概括而说,就是运用分子进化和群体遗传学的理论、分子生物学的技术手段、系统发生学和数学的分析方法以及其他学科的知识(如地学、古气候学等)去研究种群、进化、生态、行为、分类、生物地理演化、生物保护等学科领域的各种问题。分子生态学研究的最典型特色是运用分子遗传标记来检测研究对象的遗传变异特征,以揭示事物所隐含的演化规律。由此可见,分子生态学研究是围绕着生态现象的分子活动规律这个中心进行的。主要研究手段是用分子标记、核酸指纹图谱等分子手段研究生物进化、遗传和物种多样性、生物对环境变化的相应对策、转基因生物的环境释放等问题。在研究方法、研究结论和研究意义等方面都有别于以往用数学语言或其他语言对生态现象机理的解释,也不同于用生物学中诸如生理学、分类学等学科的语言对生态问题所作的解释。因此,分子生态学是一个相对独立的、新兴的、正在逐渐完善的生态学研究领域。2、分子生态学的研究对象、研究领域与研究任务分子生态学是生态学的微观研究层次与领域,它主要涉及生态现象与生态规律的发生、演化与发展的分子生物学过程与机理,即怎样利用DNA(基因)、蛋白质(酶)等生物活性分子的活动变化规律的研究资料来阐释生态变化的生物分子活动的规律。因此,它的研究对象是所有生态现象,特别是这些生态现象的微观活动。分子生态学的研究范围是极为广泛的,几乎涉及生态学的各个方面,因为各个生态现象、生态问题均应有一个分子水平上的解释。至今,分子生态学研究的问题主要集中在以下几个方面:①家系/家谱和亲属关系的分析;②种群的遗传结构分析;③物种形成的种系发生与大进化的探讨;④基因遗传多样性(保护遗传学)等。这些研究内容构成了当前分子生态学所面临的主要研究课题。现在所发表的分子生态学方面的研究成果大多是围绕这些课题展开的。随着分子生态学研究的发展与深入,生态学上许多原来悬而未决的或难以确证的课题得到了澄清或新的认识,如某些动物的繁殖策略中存在的正常婚配生后代与非正常婚配生后代的鉴别区分和种群来源与大小的确定与鉴定等问题可借助于DNA指纹图谱法的分析就能较好地完成。分子生态学的研究也使一些一直困绕着生态学家的难题有了进一步的认识,如濒危动物保护中有关种群的稳定性问题,分子生态学研究中围绕着种群杂合度这个重要指标探讨了种群杂合度与种群稳定性间的关系,指出了种群生存涉及两个方面的问题,即:首先研究在所有濒危生物种群中是否出现或存在分子或基因的变异性的显著下降,若如此,则进一步探讨这种分子或基因的变异性下降是否会导致该种群生存力的下降。大量研究表明,大多数情况下,大部分濒危种群的基因杂合度是下降的,而至于这种下降是否会导致种群生存力的下降则没有任何定论。此外,生态学中某些已有定论的内容,通过分子生态学的研究,原有结论得到了修正或完善。因此,分子生态学的研究,一方面在理论上有重大意义,它极大地丰富和发展了生态学原有的理论体系和学科内容,另一方面它的研究往往针对现实中亟待解决的生态问题,因而又具有重要的现实意义,所进行的研究将为我国的社会经济发展作出贡献,特别是为制定我国濒危生物保护策略方面提供科学依据。3、分子生态学的常用研究方法分子生态学有选择地采用分子生物学的某些研究方法为己所用。概而言之,这些方法归为两大类,即属于DNA层次的研究方法和蛋白质层次的研究方法。前者主要的研究对象是线粒体DNA(mtDNA),后者很多采用多位点等位酶为指标。在分子生态学中,DNA水平上的研究方法主要有:DNA杂交技术,限制性片断长度多态法(RFLPs),DNA序列分析法,DNA指纹图谱法,PCR法和随机扩增多态法(RAPD)。这些方法各有其特点和适用范围,在分子生态学研究中,最为常用的有RFLPs、DNA测序、DNA指纹图谱法和PCR法。而RAPD法的应用也很广泛。在蛋白质水平上的研究方法主要有:蛋白质免疫法、蛋白质电泳法等,以后者为最常用。采用蛋白质电泳所获得的多位点等位酶资料是分子生态学研究中最有价值资料,可依此来分析基因的变异情况,由此作为依据来推断出一些结论。可以相信,随着分子生物学和分子生态学研究的不断发展,新的技术和方法将会不断出现。4、分子生态学的研究热点概而言之,当前在分子生态学研究中比较集中的、可称之为热点的课题主要有以下几个:①生物的生态行为问题。如亲缘关系(kinship)、种群的结构、生物体色变化的分子机理、管理单位等。②某些生物物种的遗传学鉴定3。有些物种很难根据形态解剖结构、生理功能和行为特点等方面所表现出来的特征来进行生物学分类,若采用分子生态学特有的某些方法利用该物种的遗传物质特征来鉴定则往往有效。③有关种群大小的确定问题。在对自然野生种群的生态学研究中往往会遇到这样的难题,即某个生物种群的两个小种群间因存在个体交流时,很难用一般的生态学方法把这两个小种群严格地划分开来,因而也就难以更准确地确定各个种群的大小。现在,可借助精确的DNA分析技术,从分子生态学的角度严格地判定各个个体所属的家系以及这两个小种群间是否存在遗传信息交流,并进而精确地推算这些种群的数量与大小。④转基因生物及转基因产物释放的生态学评估问题。转基因生物的大量种养对环境中原有生物会造成何种影响?4转基因产物释放到自然环境中后会有何潜在的生态风险?这些因生物技术革命所引起的新问题都亟待生态学家进行科学的评估,对此,用一般的生态学方法往往很难立即奏效,因为这些问题的答案必须深入到分子水平上用分子生物学的语言来表达,而这正是分子生态学的优势所在。5、分子生态学研究的内容及研究进展分子生态学是在蛋白质、核酸等分子上研究的解释有关生态学问题的一门交叉学科,它主要涉及生态现象与生态规律的发生、演化和发展的分子过程的分子机理。分子生态学的主要内容有:5.1、群体和保护遗传学群体遗传学,是用数学模型5和实验来研究繁育系统、突变、选择、随机漂变对种群基因频率的影响,也就是生物进化的过程。对保护遗传学的研究可以为物种保护提供对策和依据。5.2、植物地理、物种形成与杂交67分子标记在地理系统学的研究中有助于了解上一个冰期中物种避难地和冰期后的物种迁移路径。而在系统发育与分类中,利用分子标记对植物(棉花、大豆柑橘、石竹、杨树、水青冈等)的发育与进化关系进行研究,不仅能够探明未知的进化关系,也能够补充基于形态学的结论。5.3、血缘关系、亲本分析和行为生态学植物的亲本分析方法主要有遗传排除法和最大似然法,主要用来鉴定父本。但也不尽然,例如陈小勇和宋永昌分别用遗传排除法和最大似然法试图为青冈幼苗鉴定父本和母本。行为生态学主要研究动物的行为,如迁移、栖息地和繁殖等.张亚平等用微卫星DNA进行的圈养大熊猫的亲子鉴定。5.4、8遗传分化和形态分化物种是按形态特征区分的,对比研究占据不同生境的近缘物种DNA变异、可望了解形态分化的分子基础及与环境的关系。5.5、9遗传生态栽培学国际上研究植物细胞内信号转导的途径及其对基因表达与调控的分子生物学已成为热点问题并取得明显进展,这为10深入研究水稻产量形成的分子生态机理提供理论依据和技术借鉴。作物在感应栽培措施这种信息后,通过信号转导途径而引导相关研究制定相应措施,及时调控那些受显性遗传效应机制和加性效应基因与环境互作同向表达的性状是实现高产稳产的技术关键.5.6、分子适应11包括遗传分化和生理适应以及环境对基因表达的影响。植物不能逃避环境的胁迫,是研究适应的好材料。12通过对比生理特性与遗传组成和环境的关系,可以探讨生理适应的分子基础。胡志昂、王洪新首先报道了北京地区野生大豆自然种群等位酶的遗传结构。李军等金华种群研究证实同工酶组成与所在环境没有相关性。5.7、13GMOs释放及其生态效应(即生物安全)近年来,有关遗传工程改良生物大量产生并进入自然界,其潜在的不良环境后果引起了许多科学家的高度重视。国内大范围地真正开始GMO生态学风险的实验研究是在转基因抗虫棉商品化的1997年,至今GMO的生态学风险的研究也取得了一些成绩,最主要的是在害虫耐受性得非靶标效应以及基因流两个方面。5.8、分子生态学的技术Burke1992年提出分子生态学技术包括探针、序列和引物,即3类检测生物自然种群DNA序列多态性的方法:(1)利用14探针显示限制性内切酶识别专一DNA序列的特性,显示限制片段长度多态性;(2)引物对模板专一识别的扩增片段长度多态性;(3)DNA序列分析。6、15分子生态学的发展趋势以物理生态学和化学生态学为基础的分子生态学，是研究和探索物理化学复合生态系统的环境系统的多样性与生物物种适应多样性之间的相互关系。即研究生命多样性的机理问题这就是人类历史必须解决的问题年联合国环境与发展大会在巴西里约热内卢举行。自此以后,环境与生物问题成为人类必须解决和回答的重要问题在会议上所签署的5个文件中。除21世纪行动计划外。有属于以物理生态系统的气候变化文件和生物多样性与森林经营问题。实际上,会议讨论的内容就是环境与生物−植物、动物和人类的关系。也就是分子生态学与生物和人类的关系问题更值得着重指出的是,森林在地球景观和人类生活与生存的作用和地位具有划时代的意义。因为在陆地生态系统中，森林生态系统是下垫面最高物种组成最复杂、层次最多、生命最长生长量最高。环境容量最大，对于物理生态因素和化学生态因素具有重要的重新分配的作用的系统。具有基因多样性最大等特点所以对于森林应该重新认识，重新评价，用现代林业思想和环境林业思想认识森林生态系统一全部的生物因素−生物多样性全部的环境因素−环境多样性和全面而科学的经营管理方案的最佳组合。这是符合环境保护与发展原则的,分子生态学的发展趋势也是有广阔前景的。7、小结与展望分子生态学刚刚兴起,但发展很快。可以预测,随着各种检测DNA多样性方法的发明和广泛应用,各种生物种群的遗传结构将得到进一步阐明,指导生物多样性的保育。适应性基因的克隆及其分子分析,可望揭示适应的起源并建立一个统一的进化理论。分子生态学强调用分子的手段来解决生态学的问题,将为生态学和分子生物学的研究注入生机和拓宽了视野。参考文献1王业遽.论分子生态学的现状与发展.东北林学院学报.1994:21～252王洪新,胡志昂,钟敏等.盐渍条件下野大豆群体的遗传分化和生理适应:同工酶和随机扩增多态DNA研究[J].植物学报,1997,39:29～343王洪新,董夫贵,胡志昂.生物大分子的非放射性标记和检测[J].植物学通报,1993