第五章--分子标记在保护遗传学上的应用课件

第五章第五章第五章第五章 分子标记在保分子标记在保分子标记在保分子标记在保护遗传学上的应用护遗传学上的应用护遗传学上的应用护遗传学上的应用生命科学与工程学院生命科学与工程学院第五章 分子标记在保护遗传学上的应用生命科学与工程学院将遗传学的原理和方法运用于生物多样性的研究将遗传学的原理和方法运用于生物多样性的研究和保护形成了和保护形成了保护遗传学保护遗传学(conservation(conservation genetics)genetics)。保护遗传学是在对濒危物种制定正确的保护策略保护遗传学是在对濒危物种制定正确的保护策略中应运而生的，它首先要解决的问题是中应运而生的，它首先要解决的问题是确立保护确立保护单元单元，查明物种当前的，查明物种当前的遗传学状况遗传学状况(即遗传多样即遗传多样性水平、群体的分化程度等性水平、群体的分化程度等)，并依此决定对其，并依此决定对其实施何种保护策略。实施何种保护策略。将遗传学的原理和方法运用于生物多样性的研究和保护形成了保护遗2近年来，随着染色体、等位酶近年来，随着染色体、等位酶(同工酶同工酶)、DNA等多种等多种分子标记手段逐步得到广泛应用，特别是分子生物学分子标记手段逐步得到广泛应用，特别是分子生物学和群体遗传学的迅猛发展，为保护遗传学研究奠定了和群体遗传学的迅猛发展，为保护遗传学研究奠定了坚实的理论和技术基础。同时，保护遗传学也得到迅坚实的理论和技术基础。同时，保护遗传学也得到迅速发展，尤其是在野生动物中得到较为广泛的应用，速发展，尤其是在野生动物中得到较为广泛的应用，而植物的保护遗传学起步相对较晚，但近年来已取得而植物的保护遗传学起步相对较晚，但近年来已取得了可喜的进展。了可喜的进展。近年来，随着染色体、等位酶(同工酶)、DNA等多种分子标记手3保护单元的确定，是保护遗传学中一个重要而保护单元的确定，是保护遗传学中一个重要而关键的问题。关键的问题。保护单元：保护单元：进化显著单元进化显著单元(evolutionarily (evolutionarily significant unitsignificant unit，ESU)ESU)；有效种群大小有效种群大小(effective population(effective population sizesize，EPS)EPS)；可操作单元可操作单元(operational unit(operational unit，OU)OU)。保护单元的确定，是保护遗传学中一个重要而关键的问题。4第一节第一节 进化显著单元进化显著单元一、进化显著单元的定义一、进化显著单元的定义进化显著单元是一个种群单元，该单元便于分开管理且在保护上高度优先。进化显著单元包括两方面的含义：繁殖和过去的隔离；适应性上的独特性。适应性差异可能是由基因流动引起的，且可能因基因流动而不断地发生变化，但繁殖隔离的种群间基因流动被抑制。因此，进化显著单元包括独立进化单独立进化单元间保持繁殖隔离元间保持繁殖隔离，且这种单元内又存在适应性变异。第一节 进化显著单元一、进化显著单元的定义5第一节第一节 进化显著单元进化显著单元ESU种群在mtDNA等位基因上是交互式单元群，且在核基因座上等位基因频率表现出显著的分离。一般来说，物种进化成功的潜力常通过适应性的物种进化成功的潜力常通过适应性的多样性来维持而处于最佳状态，或通过一个种分布区多样性来维持而处于最佳状态，或通过一个种分布区内基因拷贝内基因拷贝(gene copy)(gene copy)功能分离的最大多样性来保功能分离的最大多样性来保持。持。生态可交换性生态可交换性(ecological exchangeability)指选择条件下的生活史性状、形态、生境和数量性状（QTLs）等的遗传资料获得与分析。遗传可交换性遗传可交换性(genetic exchangeability)指通过基因流动而产生的新的遗传变异扩散的限制因子。代表性证据可以通过SSR、mtDNA、cpDNA、nDNA和同工酶等遗传资料获得。第一节 进化显著单元ESU种群在mtDNA等位基因上是交互6第一节第一节 进化显著单元进化显著单元第一节 进化显著单元7第一节第一节 进化显著单元进化显著单元二、特征明显种群的诊断二、特征明显种群的诊断在植物ESU确定时强调的是表型变异表型变异，因而可以保护有意义的适应特征保护有意义的适应特征，这与潜在的遗传变异相关联。这种变异可通过基因流动、遗传漂变和自然选择形成。基因流动的效果可表现在遗传可交换性上，遗传漂变和自然选择的效果可表现在生态可交换性上。可交换性可作为一种零假设(null hypothesis)，即可交换性的虚假设将遗传、生态、现在和过去中的每一个类别均用拒绝(+)或不拒绝(-)来表示有16种可能的结果(图51)，而形成特征明显种群诊断和管理应用的基础。第一节 进化显著单元二、特征明显种群的诊断8第一节第一节 进化显著单元进化显著单元第一节 进化显著单元9第一节第一节 进化显著单元进化显著单元1生态可交换性 生态可交换性的主要观点是认为个体能在种群间移动，并能占住相同的生态位。生态可交换性起源于种群共有的基本适应性，如相近的生活史、生态需求、形态和种口变化特征。在同一生态群落中，生态上可交换的个体执行相似的功能。用于显示生态可交换性的特征应在遗传上避免复杂生态环境和遗传上的基本差异。可利用种群谱系的重叠生态资料来检验生态可交换性的虚假设，在没有谱系资料的情况下，利用标准的统计检测方法(如t检验和主成分分析等)来分析形态差异，即可求出生态可交换性。第一节 进化显著单元1生态可交换性10第一节第一节 进化显著单元进化显著单元2遗传可交换性如果种群间有高水平的基因流，那么来自不同种群的个体间有遗传可交换性。独特等位基因、低水平基因流或与地理屏障一致的系统发育分歧为拒绝遗传可交换性提供了标准。基因流的水平可通过以下分子标记估计出，如SSR、同工酶(等位酶)、核苷酸序列(mtDNA、nDNA和cpDNA)、AFLP、RAPD等，且不同的分子标记有不同的优缺点。求解生态和遗传可交换性的方法有三种：第一种方法是直接评价历史资料。第二种方法是使用不同的分子标记获得不同时段不同时段的信息。第三种方法是检测系统发育关系。这三种方法为建立不同的时间框架提供了可操作的标准，过去和现在的二分法必须是在特定物种和一套特定分子标记的结合下进行的。第一节 进化显著单元2遗传可交换性11第一节第一节 进化显著单元进化显著单元3采样策略 种群分析的核心问题是必须有一个合适的采样策略，包括个体数目和地理覆盖面积。依据不同的采样策略，所估计的生态和遗传可交换性可能会发生戏剧性的变化。例如，当采样种群正在经历基因流时，那么狭窄的采样可能导致对特征明显种群的错误诊断。相反，如果资料是不可用的，有限的采样可能出现相反的结果，导致对可交换性虚假设的拒绝。根据重叠论(coalescent theory)，样品大小在2050(多样性水平由低到高)之间将能包括种群内现在单倍型的95或更多。第一节 进化显著单元3采样策略12第一节第一节 进化显著单元进化显著单元三、种群的管理和恢复三、种群的管理和恢复种群管理中的三个基本原理：第一，管理目标。是保护种群间遗传相关的自然网络，而不是仅仅保护网络内的特别明显种群。这样可确保维持适应多样性和进化潜力的过程能被保护。第二，管理措施。依据最近的干扰的强度和状态制定管理措施。恢复(分离或单个种群)应多注重在由于近期人为活动(如生境退化、传播的人为屏障和外来种的引进)将发展为分离或混合的种群上。如果隔离或混合的结果来自于自然过程，如冰河期以后环境的变化，那么不应考虑这种情况下的恢复。第三，管理建议。应建立在充足采样和适合分析的基础上。第一节 进化显著单元三、种群的管理和恢复13第一节第一节 进化显著单元进化显著单元四、进化显著单元的应用四、进化显著单元的应用 数量遗传技术被引入表型变异的研究中，使变异的遗传组成可以准确地被定义出；基于分子标记的相关资料估计种群内性状遗传组成差异的方法强调了分子遗传技术估计种群历史和关联的重要性。与此相反的是，测定适应性多样性必须分析生态上相关的遗传性状。第一节 进化显著单元四、进化显著单元的应用14第一节第一节 进化显著单元进化显著单元四、进化显著单元的应用四、进化显著单元的应用第一节 进化显著单元四、进化显著单元的应用15第一节第一节 进化显著单元进化显著单元五、进化显著单元研究展望五、进化显著单元研究展望 自ESU概念形成以来，已过去了二十多年，应当怎样定义这个概念，一直是争论的热点。关于中性遗传标记中性遗传标记与实际中使用的别的方法相比在保护应用中应起多大作用，也正日益成为ESU标准争论的热点。第一节 进化显著单元五、进化显著单元研究展望16第二节第二节 可操作单元可操作单元 评估和探讨物种地理分布上遗传的连评估和探讨物种地理分布上遗传的连续性，定义多个类别或改变样品网络，可续性，定义多个类别或改变样品网络，可以建立最佳策略来解决和保护种的遗传变以建立最佳策略来解决和保护种的遗传变异，通过定义可应用于保护程序的可操作异，通过定义可应用于保护程序的可操作单元单元(如保护区如保护区)的地理位置来实现的地理位置来实现。第二节 可操作单元 评估和探讨物种地理分17第二节第二节 可操作单元可操作单元一、空间自相关分析的理论和方法一、空间自相关分析的理论和方法二、空间相关图和可操作单元的定义二、空间相关图和可操作单元的定义三、应用实例三、应用实例四、结论四、结论第二节 可操作单元一、空间自相关分析的理论和方法18第二节第二节 可操作单元可操作单元一、空间自相关分析的理论和方法一、空间自相关分析的理论和方法第二节 可操作单元一、空间自相关分析的理论和方法19第二节第二节 可操作单元可操作单元一、空间自相关分析的理论和方法一、空间自相关分析的理论和方法 I值在-1.01.0之间，分别为最大的负和正相最大的负和正相关关。地理距离可以被分为不连续的情况不连续的情况以创建连续创建连续的的W W矩阵矩阵和计算同一变量的不同计算同一变量的不同I I值值。这样可以估计空间相关图上距离函数上空间自相关值。第二节 可操作单元一、空间自相关分析的理论和方法 20第二节第二节 可操作单元可操作单元一、空间自相关分析的理论和方法一、空间自相关分析的理论和方法 Mantel的Z Z统计方法：统计方法：可构建多变量相关图可构建多变量相关图，以检测以检测样品间样品间遗传和地理遗传和地理距离间的相关性距离间的相关性。Z值由下式求出：式中，Nij是样品i和j间的遗传距离；Wij是关联矩阵W的元素。Z Z值介于值介于0 0和和1.01.0之间，基于不同的遗传资料之间，基于不同的遗传资料求解的遗传距离和相似性系数都是可用的求解的遗传距离和相似性系数都是可用的，如RAPD、SSR、DNA杂交和来自mtDNA、cpDNA和nDNA的核苷酸系列等。因此，可通过Mantel检验构建多变量的相关图。第二节 可操作单元一、空间自相关分析的理论和方法 M21第二节第二节 可操作单元可操作单元一、空间自相关分析的理论和方法一、空间自相关分析的理论和方法空间自相关分析可应用于连续的或不连续分布的种群，可描述目前的遗传变异或进化过程的动力(如基因流路径等)。相关图是空间遗传变异的总结，能应用于划定空间自相关水平高低的不同地理区域。不同的相关图，可依据反映涉及的不同的相关图，可依据反映涉及的种群差异的微种群差异的微进化过程和历史事件进化过程和历史事件种群遗传资料得到种群遗传资料得到。在这些图中，相关图的截取点被定义为地理距离截取点被定义为地理距离(x(x轴轴)，在此位置在此位置处，相关是不显著的处，相关是不显著的，并可测定遗传缀块遗传缀块的直径直径(如在此距离下样品在遗传上是独立的)(图53)。第二节 可操作单元一、空间自相关分析的理论和方法空间自相关22第二节第二节 可操作单元可操作单元一、空间自相关分析的理论和方法一、空间自相关分析的理论和方法第二节 可操作单元一、空间自相关分析的理论和方法23第二节第二节 可操作单元可操作单元二、空间相关图和可操作单元的定义二、空间相关图和可操作单元的定义 保护遗传学中对空间相关图的解释是保护遗传学中对空间相关图的解释是依据遗传依据遗传资料所得到的常见三种曲线，曲线的斜率和截距资料所得到的常见三种曲线，曲线的斜率和截距(箭箭头所示头所示)可帮助管理者或研究者设计管理和保护策略。可帮助管理者或研究者设计管理和保护策略。在图中：在图中：1 1、长距离渐变曲线长距离渐变曲线显示的信息状态是随着地理显示的信息状态是随着地理距离的增加自相关系数不断降低，意味着距离的增加自相关系数不断降低，意味着遗传变异遗传变异上连续的缀块上连续的缀块(patch)(patch)或缀块存在明显的空间结构或缀块存在明显的空间结构。在相关图上确定独立样的地理范围以及定义保护和在相关图上确定独立样的地理范围以及定义保护和管理的最小单元。管理的最小单元。第二节 可操作单元二、空间相关图和可操作单元的定义24第二节第二节 可操作单元可操作单元二、空间相关图和可操作单元的定义二、空间相关图和可操作单元的定义 可操作单元的确定应建立在与相关图中的截距可操作单元的确定应建立在与相关图中的截距相等或更大的地理距离范围上，因为如果样品位于相等或更大的地理距离范围上，因为如果样品位于比图离更小的位置，将有可能产生自立的或假重复比图离更小的位置，将有可能产生自立的或假重复现象现象(如单元太小，且遗传上不独立如单元太小，且遗传上不独立)。同时，根据。同时，根据大距离分隔的保护种群，在取样分析的极端空间范大距离分隔的保护种群，在取样分析的极端空间范围内，能保证抽取到种群间遗传差异的大多数。围内，能保证抽取到种群间遗传差异的大多数。第二节 可操作单元二、空间相关图和可操作单元的定义25第二节第二节 可操作单元可操作单元二、空间相关图和可操作单元的定义二、空间相关图和可操作单元的定义 2 2、稳定曲线稳定曲线显示的信息状态是在第一距离层次显示的信息状态是在第一距离层次上正相关的，随后距离层次上无相关性，意味着存上正相关的，随后距离层次上无相关性，意味着存在在遗传相似性的空间范围，在大距离层次上样品间遗传相似性的空间范围，在大距离层次上样品间存在高和低遗传趋异的结合（由于进化历程中常涉存在高和低遗传趋异的结合（由于进化历程中常涉及随机性）及随机性），可确定每个遗传变异斑块内有特定意，可确定每个遗传变异斑块内有特定意义的保护样。义的保护样。在上述理论框架内，相关图中渐变和稳定曲线在上述理论框架内，相关图中渐变和稳定曲线的截距表示需要保护的样品间的最小距离，也是评的截距表示需要保护的样品间的最小距离，也是评价遗传多样性最有效和低成本的取样距离。价遗传多样性最有效和低成本的取样距离。第二节 可操作单元二、空间相关图和可操作单元的定义26第二节第二节 可操作单元可操作单元二、空间相关图和可操作单元的定义二、空间相关图和可操作单元的定义 为实用目的，相关图截距可放在为实用目的，相关图截距可放在0 0处，因为它不可处，因为它不可能检测最适宜空间范围内的自相关。通过测定能检测最适宜空间范围内的自相关。通过测定FsTFsT值，值，如果种群间差异是显著的，那么每个样都可作为特征如果种群间差异是显著的，那么每个样都可作为特征明显的保护单元，因为样品分析中使用的最小地理距明显的保护单元，因为样品分析中使用的最小地理距离比基因流动或过去趋异的近期范围更大。离比基因流动或过去趋异的近期范围更大。另一情况是，如果空间格局和差异显著性同时缺另一情况是，如果空间格局和差异显著性同时缺乏，一般来说，这暗示着一个随机交配种群应作为一乏，一般来说，这暗示着一个随机交配种群应作为一个单独的保护单元。个单独的保护单元。第二节 可操作单元二、空间相关图和可操作单元的定义27第二节第二节 可操作单元可操作单元三、应用实例 巴西中部“Cerrado”地区的一种典型果树（Eugenia dysenterica D.C.）使用木材和果实。异花授粉植物，大蜜蜂是授粉者。与破碎化生境相适应的种口种口和生物学特性生物学特性趋于在局部中间在局部中间形成高水平的遗传趋异高水平的遗传趋异。由于农业活动的扩张和生物多样性及濒危种濒危种的高速丢失，已成为要求保护的热点地区之一。但以前以前并没有关于该果树的空间分布资料。按照相关图程序，Diniz Filo和Telles(2002)基于8个同功酶的12个等位基因，对该果树种的10个局部种群的变异情况进行了分析。见教材121页第二节 可操作单元三、应用实例28第二节第二节 可操作单元可操作单元三、应用实例三、应用实例 由于相对的小数量种群和曲线的高度随机变异，为了实际由于相对的小数量种群和曲线的高度随机变异，为了实际中的应用，最适用的截距为每个中的应用，最适用的截距为每个距离等级距离等级I值的均值值的均值(如平均相如平均相关图曲线关图曲线)(图图55)。平均曲线显示了。平均曲线显示了渐变渐变的遗传趋异的的遗传趋异的空间结空间结构构，截距为，截距为120 km。因此，小于。因此，小于120 km距离的局部种群可进距离的局部种群可进行同工酶变异的单独分析。行同工酶变异的单独分析。第二节 可操作单元三、应用实例29第三节第三节 物种保护类别及其分子鉴定物种保护类别及其分子鉴定一、物种保护类别一、物种保护类别 国际自然保护联盟国际自然保护联盟(international union for the conservation of nature，IUCN)建立了以下建立了以下1 0个保护类型：个保护类型：1.灭绝灭绝(extinct)物种物种(及其他类元，例如亚种和变种及其他类元，例如亚种和变种)在野外已不在野外已不存在。科学家在它们曾经被发现的地点和其他可能存在的地点存在。科学家在它们曾经被发现的地点和其他可能存在的地点不懈地进行了多次搜寻，但最终未能探察到这些物种。不懈地进行了多次搜寻，但最终未能探察到这些物种。2.野外灭绝野外灭绝(extinct in the wild)物种仅存在于栽培或圈养条件下，物种仅存在于栽培或圈养条件下，或者仅在其原来的分布区之外存在着驯化的种群。在其已知的或者仅在其原来的分布区之外存在着驯化的种群。在其已知的分布区内找不到该物种。分布区内找不到该物种。3.极危极危(critically endangered)物种在不远的将来走向灭绝的可物种在不远的将来走向灭绝的可能性极大。所包括的物种的数量已减少至某点，在该点如果现能性极大。所包括的物种的数量已减少至某点，在该点如果现在的趋势仍旧继续的话，该物种生存的希望不大。在的趋势仍旧继续的话，该物种生存的希望不大。第三节 物种保护类别及其分子鉴定一、物种保护类别30第三节第三节 物种保护类别及其分子鉴定物种保护类别及其分子鉴定一、物种保护类别一、物种保护类别4.濒危濒危(endangered)物种在不远的将来走向灭绝的可能性较大，物种在不远的将来走向灭绝的可能性较大，而且可能会成为极危物种。而且可能会成为极危物种。5.易危易危(vulnerable)物种在中期的将来走向物种在中期的将来走向灭绝的可能性的可能性较大，大，而且可能会成而且可能会成为濒危物种。危物种。6.依依赖保保护(conservationdependent)依依赖于保于保护计划，物种目划，物种目前并不受到前并不受到灭绝的威的威胁。但若没有保。但若没有保护计划的划的话，该物种就会物种就会有有灭绝的可能性。的可能性。第三节 物种保护类别及其分子鉴定一、物种保护类别31第三节第三节 物种保护类别及其分子鉴定物种保护类别及其分子鉴定一、物种保护类别一、物种保护类别7.接近受胁接近受胁(near threatened)物种的处境接近易危物种，但物种的处境接近易危物种，但目前并未认定其受胁。目前并未认定其受胁。8.极少关注极少关注(1east concern)物种未被物种未被认定为接近受胁或受胁物种。认定为接近受胁或受胁物种。9.数据缺乏数据缺乏(data deficient)目前的资料尚不足以确定物种灭目前的资料尚不足以确定物种灭绝的可能性有多大。在许多样例中，由于没有生物学家努力绝的可能性有多大。在许多样例中，由于没有生物学家努力寻找它们，这些物种已经几年或几十年都见不到了。在对这寻找它们，这些物种已经几年或几十年都见不到了。在对这些物种进行受胁类别划分之前，还需要更多的资料。些物种进行受胁类别划分之前，还需要更多的资料。10.未评价未评价(not evaluated)物种的受胁类别还未进行评价。物种的受胁类别还未进行评价。第三节 物种保护类别及其分子鉴定一、物种保护类别32第三节第三节 物种保护类别及其分子鉴定物种保护类别及其分子鉴定一、物种保护类别一、物种保护类别 世界保护监测中心世界保护监测中心(world conservation monitoring center，WCMC)使用使用IUCN的保护类别，在其红皮书系列中，评估和描述了约的保护类别，在其红皮书系列中，评估和描述了约60000种植种植物和物和2000种动物已面临的威胁种动物已面临的威胁(IUCN,1 990)。为为体现体现保护优先顺序，保护优先顺序，IUCN系统已经应用在特别的地理区上。马来系统已经应用在特别的地理区上。马来西亚提供了一个样例西亚提供了一个样例(Kiew,1991)：马来半岛马来半岛2830种种木本植物木本植物中有中有511种受胁。种受胁。（数量状态）（数量状态）大量的马来西亚草本植物为某一大量的马来西亚草本植物为某一地点所独有地点所独有，例如，山顶、小溪、瀑，例如，山顶、小溪、瀑布或石灰岩露头等处。如果这些生境被破坏，这些物种就会面临灭绝的布或石灰岩露头等处。如果这些生境被破坏，这些物种就会面临灭绝的威胁。威胁。（生存状态、环境）（生存状态、环境）马来西亚的全部马来西亚的全部5种种海龟海龟由于复合原因被认为是濒危物种，原因包括由于复合原因被认为是濒危物种，原因包括生境丧失，采集龟卵，猎杀，海洋水质污染，无控制的旅游和被渔网缠生境丧失，采集龟卵，猎杀，海洋水质污染，无控制的旅游和被渔网缠住。住。（原因）（原因）35种马来西亚鸟类被列为受胁物种，并有更多物种经历着与生境破坏种马来西亚鸟类被列为受胁物种，并有更多物种经历着与生境破坏有关的种群衰落。有关的种群衰落。超过超过80的马来西亚婆罗州的灵长类动物面临着某种危险，原因包括的马来西亚婆罗州的灵长类动物面临着某种危险，原因包括生境破坏和猎杀。生境破坏和猎杀。第三节 物种保护类别及其分子鉴定一、物种保护类别33第三节第三节 物种保护类别及其分子鉴定物种保护类别及其分子鉴定一、物种保护类别一、物种保护类别 为为帮帮助助关关注注那那些些最最需需要要马马上上保保护护行行动动的的受受胁胁物物种种，IUCN发发布布了了世世界界“最最受受胁胁”的的植植物物和和动动物物的的名名录录。这这些些名名录录包包含含了了具具有有独独一一无无二二的的保保护护价价值值的的物物种种。1996年年10月月，中中国国首首次次作作为为IUCN的的国国家家成成员员参参加加了了在在加加拿拿大大蒙蒙特特利利尔尔召召开开的的世世界界保保护护大大会会(world conservation congress)，成成为为IUCN第第75个个成成员员国国。目目前前IUCN的的成成员员包包括括国国家家、政政府府机机构构以以及及非非政政府府组组织织成成员已经达到员已经达到915个，遍及个，遍及133个不同国家。个不同国家。第三节 物种保护类别及其分子鉴定一、物种保护类别34第三节第三节 物种保护类别及其分子鉴定物种保护类别及其分子鉴定一、物种保护类别一、物种保护类别 在使用保护类别系统时存在的困难：在使用保护类别系统时存在的困难：1、每每个个所所列列举举的的物物种种必必须须被被研研究究，以以确确定定其其种种群群大大小小和和数数量量变变化化趋趋势势。这这类类研研究究的的实实施施可可能能很很困困难难，花花费费巨巨大大，耗耗时时较较长。长。2、必须对物种的全部分布范围进行研究，这有逻辑上的困难。、必须对物种的全部分布范围进行研究，这有逻辑上的困难。3、IUCN保保护护类类别别对对大大多多数数热热带带昆昆虫虫不不适适用用，它它们们在在分分类类学学和和生生物物学学方方面面都都了了解解很很少少，但但在在热热带带雨雨林林被被砍砍伐伐时时这这些些昆昆虫虫却面临着灭绝的威胁。却面临着灭绝的威胁。4、即即使使某某物物种种已已经经多多年年见见不不到到了了，该该物物种种仍仍然然通通常常被被列列为为濒濒危危物物种种，而而这这样样做做的的前前提提是是假假定定如如果果做做彻彻底底的的搜搜寻寻就就能能重重新新找到该物种。找到该物种。第三节 物种保护类别及其分子鉴定一、物种保护类别35第三节第三节 物种保护类别及其分子鉴定物种保护类别及其分子鉴定 对自然史的考察发现有某种类生物，但这种生物已经数十年都见不到了，它们的处境没人知道，也没有列入红皮书。在这种情况下，在未进行野外研究以确定它们的真正处境之前，多年见不到的物种和被人类活动严重地破坏了生境的物种应该被列为灭绝或濒危类型。物种保护方案的划分，受相配套的法律的限制以及由此产生的对土地所有者、企业和政府在经济方面的影响，对每个保护类型的定义都需要做出明确的解释，以避免由此而引发纠纷。为改善上述状况，世界自然保护联盟近期发布了修改过的保护类别，根据灭绝可能性灭绝可能性提出了一个包括三个类别的分类系统，而且其定义更为定量化。第三节 物种保护类别及其分子鉴定 对自然史的考36第三节第三节 物种保护类别及其分子鉴定物种保护类别及其分子鉴定 1.极危物种 在10年或3代内有50或更高的概率灭绝，且不论哪一个标准经历的时间更长。2.濒危物种 在20年或5代内有20的概率灭绝。3.易危物种 在100年内有10的概率灭绝。这些类别的划分至少是以以下类型信息的其中之一为根据的：可观测的个体数的降低；物种的地理分布区和种群数量；存活个体总数和繁殖个体数；如果目前和预计的种群衰落或生境破坏趋势持续，估计出的个体数的降低；物种在一定年数或世代数内走向灭绝的可能性。第三节 物种保护类别及其分子鉴定 1.极危物种37第三节第三节 物种保护类别及其分子鉴定物种保护类别及其分子鉴定 划分这些类别的新标准建立在发展种群生生存存能能力力分分析析方方法法和特别关注种群趋向和生境条件的基础之上。例如，极危物种具有以下两个或更多的特征：种群大小，250个个体或50个繁殖个体；种群个体数在过去10年或3代内下降了80或更多；种群个数在3年或一代内下降超过2 5；或者种群在10年或3代内总的灭绝可能性大于50。观察到或预测将发生的生境丧失，生态平衡破坏或经济开发也能导致物种灭绝，则划入极极危危类类。使用生生境境丧丧失失划划分分受受胁胁类类别别对那些较不了解的物种特别有用。例如许多热带昆虫，如果它们的生境正在遭到破坏，就可以将它们列为受胁物种。该系统的优优点点在于提供了一套标准的方法，使用此方法，其他科学家依照已被接受的定定量量标标准准和和使使用用现现存存的的所所有有资资料料，就能回顾和评价划分类别的决定。然而，在没有足够的数据而必须做决定的时候，此方法也会变成一种武断的方法。第三节 物种保护类别及其分子鉴定 划分这些类别38第三节第三节 物种保护类别及其分子鉴定物种保护类别及其分子鉴定 过去对物物种种保保护护类类别别的划分，主要是依依据据调调查查和和统统计计方方法法进行，这些方法有其自身的局限性。近年来，分子标记和分子生物学技术的飞速发展，为物种保护类别的重新划分和确认提供了强有力的工具。第三节 物种保护类别及其分子鉴定 过去对物39第三节第三节 物种保护类别及其分子鉴定物种保护类别及其分子鉴定二、物种保护类别的分子鉴定二、物种保护类别的分子鉴定 植物中偏离任意有性交配系统的现象被认为是许多极危偏离任意有性交配系统的现象被认为是许多极危物种进化的结果物种进化的结果，且这些物种不适合归于传统的植物分类中不适合归于传统的植物分类中去去。自花授粉、无性繁殖和无融合生殖能让谱系保持下去自花授粉、无性繁殖和无融合生殖能让谱系保持下去。但这些但这些谱系间谱系间的的区别区别是非常微妙的是非常微妙的，导致这些谱系在分类上出现混杂或争议出现混杂或争议。第三节 物种保护类别及其分子鉴定二、物种保护类别的分子鉴定40第三节第三节 物种保护类别及其分子鉴定物种保护类别及其分子鉴定二、物种保护类别的分子鉴定二、物种保护类别的分子鉴定 对于一个特定群体的分类处理方法不同，这个谱系既可被当作一个种，也可以与更广义定义的种混在一起更广义定义的种混在一起。因此分类方法的选择分类方法的选择严重影响一个给定群体内稀有和地给定群体内稀有和地方种的数目方种的数目，从而影响物种保护类别的划分和物种保护。物种保护类别的判断是非常重要的。物种保护类别的判断示例：Epipactis Zinn是兰科一个较大的属，主要分布在欧亚大陆，而在北非和北美则为边缘种。第三节 物种保护类别及其分子鉴定二、物种保护类别的分子鉴定41第四节第四节 三种遗传变异及其在濒灭种保护中的应用三种遗传变异及其在濒灭种保护中的应用保护遗传学保护遗传学以三个主要的遗传变异：（一）中性(neutral)变异 （二）有害(detrimental)变异 （三）适应性(adaptive)变异为主要的研究内容和任务，对物种保护物种保护进行研究和在保护中应用的。当然，一个特定的变异，无论是中性、有害还是适应性一个特定的变异，无论是中性、有害还是适应性的，都依赖于环境、种群大小和遗传背景等因素的，都依赖于环境、种群大小和遗传背景等因素。第四节 三种遗传变异及其在濒灭种保护中的应用保护遗传学以三42第四节第四节 三种遗传变异及其在濒灭种保护中的应用三种遗传变异及其在濒灭种保护中的应用一、中性变异一、中性变异(neutral variation)一个种群内部分子变异的范围和格局分子变异的范围和格局，常被认为是与中性变是与中性变异相一致异相一致；也就是，一种平衡被维持，通过遗传漂变来减少变异，而通过突变增加变异。当种群较小时，即使选择了一个有利于变异的已知基因而产生的变异，但遗传漂变等位基因频率的变化程度可能比选择作用有更大的效果。一般来说，当选择系数选择系数(selection coefficient)小于12效种群大小(EPS)，遗传变异是中性的。因此，由于濒危物种的有效种群大小常是很低的，遗传变异比一般种群更偏向于中性。护遗传学研究集中在中性变异的应用上，中性变异的应应用用包括物种物种、进化显著单元进化显著单元、管理单元管理单元和个体起源的鉴定个体起源的鉴定等。第四节 三种遗传变异及其在濒灭种保护中的应用一、中性变异(43第四节第四节 三种遗传变异及其在濒灭种保护中的应用三种遗传变异及其在濒灭种保护中的应用 高遗传变异的遗传标记(如SSR)允许对使用低变异标记对使用低变异标记时时没有变异的情况进行重新量化。大量单核苷酸多态性单核苷酸多态性(SNPs)的应用也可以提供高的遗传确定提供高的遗传确定。但是高的遗传变异高的遗传变异位点位点的使用必须小心，因为统计的显著差异并不能反应生物统计的显著差异并不能反应生物间的重要差异间的重要差异，与其他标记相比时，它或者可能给出了一个错误的信号。分子遗传标记在保护中的重要参数测定上，如有效种群大小、过去瓶颈、有性繁殖种间的基因流动或者建立者贡献等保护应用方面有很大的前景。也可用于推断历史上和地理上的组间关系组间关系，以及在一个特定组内组内的个体鉴定上，高变异位点或大量分子标记可用于鉴定个体间关系鉴定个体间关系或者个体的近交者个体的近交水平水平。第四节 三种遗传变异及其在濒灭种保护中的应用 44第四节第四节 三种遗传变异及其在濒灭种保护中的应用三种遗传变异及其在濒灭种保护中的应用二、有害变异二、有害变异(detrimental variation)对近交衰退重要性的认识是遗传对保护的最初贡献，遗对近交衰退重要性的认识是遗传对保护的最初贡献，遗传学认为近交衰退是：传学认为近交衰退是：由于增加了有害等位基因以致该基因的纯合造成的；由于增加了有害等位基因以致该基因的纯合造成的；由于近交使适合度降低，造成整个种群的适合度随时由于近交使适合度降低，造成整个种群的适合度随时间推移而降低。间推移而降低。因为在一个小种群内，小的不利的选择性的有害突变可因为在一个小种群内，小的不利的选择性的有害突变可能被固定。近交衰退常被用于区别适合度降低的效果，与没能被固定。近交衰退常被用于区别适合度降低的效果，与没有降低适合度的种群相比，用于定义遗传负载有降低适合度的种群相比，用于定义遗传负载(genetic load)作为由于有害变异而造成种群平均适合度降低的参数估计值。作为由于有害变异而造成种群平均适合度降低的参数估计值。近交衰退和遗传负载已成为研究濒危物种非常关注的两个概近交衰退和遗传负载已成为研究濒危物种非常关注的两个概念，且在控制繁殖系统中避免近交衰退已是优先考虑的一个念，且在控制繁殖系统中避免近交衰退已是优先考虑的一个问题。问题。第四节 三种遗传变异及其在濒灭种保护中的应用二、有害变异(45第四节第四节 三种遗传变异及其在濒灭种保护中的应用三种遗传变异及其在濒灭种保护中的应用三、适应性变异三、适应性变异适适应应性性(有有利利)变变异异的的程程度度和和格格局局是是濒濒危危物物种种保保存存的的一一个个关关键键问问题题。特特别别是是，当当种种群群面面临临一一个个新新的的环环境境挑挑战战(如如新新的的疾疾病病或或来来自自引引进进种种的的竞竞争争)时时，如如果果没没有有适适应应性性变变异异，那那么么就就没没有有潜潜在在适适应应能能力力，除除非非新新的的突突变变或或与与其其他他分分类类间间有有基基因因流流动动。但但是是，确确定定目目前前和和将将来来环环境境中中适适应应性性变变异异的的程程度度和和格格局局是是非非常常困困难难的的。不不同同环环境境中中适适合合度度与与适适应应性性的的检检测测是是可可能能完完成成的的，但但这这是是非非常常困困难难的的，且且对对于于濒濒危危种种来来说说，这这实实际际上上是是不不可可能能的。的。第四节 三种遗传变异及其在濒灭种保护中的应用三、适应性变异46第四节第四节 三种遗传变异及其在濒灭种保护中的应用三种遗传变异及其在濒灭种保护中的应用 一般来说，有几个明显的分子方法可以用来区别等位基一般来说，有几个明显的分子方法可以用来区别等位基因变异是中性、有害或适应性的，但是，通过选择固定下来因变异是中性、有害或适应性的，但是，通过选择固定下来的有利基因被认为表现出低变异，且与紧密连锁的分子标记的有利基因被认为表现出低变异，且与紧密连锁的分子标记间有高的连锁不平衡。间有高的连锁不平衡。在一个控制种群中保持遗传变异最好的方法是最小化平在一个控制种群中保持遗传变异最好的方法是最小化平均亲缘关系。为选择任何特定适应性的等位基因而设计的育均亲缘关系。为选择任何特定适应性的等位基因而设计的育种策略可能导致基因组中大多数其他位点变异的快速丢失。种策略可能导致基因组中大多数其他位点变异的快速丢失。考虑到极端情况，如果一个带有稀有等位基因的个体的贡献考虑到极端情况，如果一个带有稀有等位基因的个体的贡献不断增大，那么谱系过度地反应那个个体对祖先的贡献。在不断增大，那么谱系过度地反应那个个体对祖先的贡献。在一个控制谱系中，选择一个稀少等位基因的方法比最小化亲一个控制谱系中，选择一个稀少等位基因的方法比最小化亲缘系数的方法更不可靠，但效果的大小依赖于谱系的复杂性缘系数的方法更不可靠，但效果的大小依赖于谱系的复杂性和种群大小。和种群大小。第四节 三种遗传变异及其在濒灭种保护中的应用 47第四节第四节 三种遗传变异及其在濒灭种保护中的应用三种遗传变异及其在濒灭种保护中的应用四、中性变异可作为有害和适应性变异的指示器四、中性变异可作为有害和适应性变异的指示器 中性遗传变异的程度和方式已有被用于指导有害和适应中性遗传变异的程度和方式已有被用于指导有害和适应性变异的数量和方式。如果这些联系总是显著的正相关，那性变异的数量和方式。如果这些联系总是显著的正相关，那就可以较好的预计有多少可能降低适合度的有害变异存在和就可以较好的预计有多少可能降低适合度的有害变异存在和有多少可应对将来挑战的适应性变异存在。如果有较多的多有多少可应对将来挑战的适应性变异存在。如果有较多的多变位点，那么遗传变异程度和方式的估计将变得更准确。但变位点，那么遗传变异程度和方式的估计将变得更准确。但是，不同的进化事件可能是与不同的遗传变异有关是，不同的进化事件可能是与不同的遗传变异有关(表表52，引自引自Hedrick，2001)，且这些事件可能依次导致不同数量和，且这些事件可能依次导致不同数量和方式的有害或适应性变异。当种群大小在长时间内较大或较方式的有害或适应性变异。当种群大小在长时间内较大或较小时，正相关可能发生，即随机效应占遗传变异的主导。小时，正相关可能发生，即随机效应占遗传变异的主导。第四节 三种遗传变异及其在濒灭种保护中的应用四、中性变异可48