《遗传学》课件第13章 群体遗传和进化

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十七章 遗传和进化,本章学时数：,3,学时,本章重点：,哈代,-,温伯格定律,群体遗传平衡及基因频率的计算,群体遗传学,群体遗传学,就是研究群体的遗传结构及其变化规律的遗传学分支学科,.,The branch of genetics that deals with frequencies of alleles and genotypes in breeding population.,研究群体的遗传结构及其变化规律,应用数学和统计学方法,研究群体中的基因频率和基因型频率以及影响这些频率的选择效应和突变作用、迁移和遗传漂变等,研究进化的机制,群体的遗传结构,孟德尔群体,（,Mendilian,populaion,）,：,一群相互交配的个体。,A natural interbreeding unit of sexually reproducing plants or animals sharing a common gene pool.,基因库,（,gene pool,）,：,群体中所有个体所共有的全部基因。,群体的遗传结构,等位基因频率,（,alleles frequency,）,：,一个二倍体基因座上某一个等位基因所占的比例。,基因型频率,（,genotype frequency,）,：,群体中某特定基因型个体占个体总数的比例。,群体的遗传结构,一个,N,个个体的群体有一对等位基因,A,、,a,在常染色体遗传，各基因型及个体数量分别为,n,1,AA,，,n,2,Aa,，,n,3,aa,，,三种基因型的频率分别为：,AA,：,D=n,1,/N,Aa,：,H=n,2,/N,aa,：,R=n,3,/N,基因,A,频率为：,p=D+H/2,基因,a,频率为：,q=R+H/2,D+H+R=1; p+q=1,汉族人群中,PTC,尝味能力分布,苯硫,脲（,PTC,）,尝味能力为常染色体上一对基因控制，,T,对,t,是不完全显性，表型和基因型相对应。,MN,血型在中国人中的分布,不同民族间遗传结构具有差异,随机交配,Random mating,在有性生殖生物中，一种性别的任何一个个体有同样的机会与相反性别的个体交配的方式。,泛交,遗传本身并不改变基因频率,进化的过程实际上是突变、遗传漂变和自然选择的结果,新的等位基因经过突变产生或漂变引入将引起群体等位基因频率的变化,遗传平衡定律,哈代,-,温伯格定律,：,当一个大的孟德尔群体中的个体间进行随机交配，同时没有选择、没有突变、没有迁移和遗传漂变发生时，下一代基因型的频率将和前一代一样。,Hardy-Weinberg equilibrium,遗传平衡定律,在一个大群体中，如果满足条件,无限大的群体,随机交配,无突变,无自然选择和迁移漂变。即群体中各基因型的比例可从一代到另一代保持不变。,这样的群体称为,理想群体,，,平衡群体,。隐性变异不会因显性基因的遮盖而消失。,理想群体中的基因频率,以,一对显隐性基因,A,、,a,为例：,群体中有,3,种基因型,AA,、,Aa,、,aa,，,假设起始频率为,0.1,、,0.2,、,0.7,产生配子为,Y=0.1+0.2*0.5=0.2,y=0.7+0.2*0.5=0.8,第二代时，,AA,、,Aa,、,aa,分别为,0.04,，,0.32,，,0.64,产生配子为,Y=0.2,；,y=0.8,所以以后各代基因频率稳定为,AA,、,Aa,、,aa,分别为,0.04,，,0.32,，,0.64,，群体达到平衡。,理想群体中的基因频率,用,代数式表示：设配子频率为,A=p,，,a=q,平衡群体,p+q=1,，,此时各基因频率为平衡频率。,AA=p,2,，,Aa,=2pq,，,aa,=q,2,。,非平衡群体经过一代的随机交配，即可变为平衡群体,如：群体中基因型频率分别为：,AA,Aa,aa,D,0,H,0,R,0,0.18 0.04 0.78,则,A p,0,=0.18+1/2*0.04=0.2 a q,0,=0.78+1/2*0.04=0.8,随机交配一代后，各基因型频率为：,AA，0.04;,Aa,0.32;,aa,0.64,等位基因频率,：,A:p,1,=0.04+1/2*0.32=0.2=p,0,a: q,1,=0.64+1/2*0.32=0.8=q,0,哈代,-,温伯格定律的要点,在,随机交配的大的孟德尔群体中，如果没有其他因素的干扰，基因频率世代相传不变,无论群体的起始成分如何，经过一个世代的随机交配后，群体的基因型频率大到平衡，取决于其基因频率,只要随机交配系统维持，基因型频率就保持不变。,平衡群体的性质,在,一个二倍体群体中，杂合子的比例在,p=q,时有最大值为,0.5,杂合子的频率是两个纯合体频率的乘机的平方根的,2,倍：,H=2 D,R,杂合体之间的交配频率等于显性纯合体与隐性纯合体之间交配频率的两倍。,若一个基因的频率很低（接近,0,），则有极限形式，杂合体比例约为该基因频率的两倍,平衡群体的性质,平衡定律的推广,（一）复等位基因的平衡,如：人血型决定基因有,I,A,、,I,B,、,I,三个，其基因型频率分别为,p,、,q,、,r,。,p+q+r=1,。,某,基因的频率是其纯合体频率加上含有该基因的全部杂合体频率的,。,基因型,表型,表型频率,I,A,I,A,I,A,i,I,B,I,B,I,B,i,I,A,I,B,ii,A,AB,B,p,2,+2pr,q,2,+2qr,2pq,r,2,O,举例,一个群体中个体的血型比例是：,血型,A B O AB,比例,0.32 0.15 0.49 0.04,计算各等位基因的频率。,解答,设三个基因的频率分别为,p,、,q,、,r,p=1-,（,q+r,）,=1-,(B+O)=0.1,q=1-,（,p+r,）,=1-,(A+O)=0.2,r=,O =0.7,平衡定律的推广,(,二,),伴性基因的平衡,雄性 雌性,（,X,A,X,a,） （,X,A,X,A,X,A,X,a,X,a,X,a,）,p q p,2,2pq q,2,（,基因型频率）,雌性的基因型频率与常染色体上基因的基因型频率的平衡一样；雄性基因型频率与其基因频率相同。,伴性基因的平衡计算举例：,如：色盲为伴,X,隐性遗传疾病，已知男性色盲患者为,7%,，求女性患色盲的比例。,q=0.07,（,男性色盲,X,a,）,所以女性色盲,X,a,X,a,为,q,2,=0.49%,这与实际情况（女性色盲发病率为,0.5%,）相符合,.,伴性基因的平衡,一个世代的随机交配不能使伴性基因由一个任意群体达到平衡,以振荡的方式快速接近平衡（,p475,图）,计算随机交配群体中平衡的伴性基因频率，要从配子异型的性别入手，即,xy,或,zw,个体。,影响,Hardy-Weinberg,平衡的因素,基因突变,自然选择,迁 移,遗传漂变,突变对群体中基因频率的影响,突变是可遗传变异的源泉,在没有自然选择等因素的干扰下，只考虑突变对基因频率的影响,只考虑正突变：,设,f,A,=p,，,f,（,Aa,）,=U,P,n,=p,0,(1-U),n,A,的频率最终减为,0,，但速率很慢,突变对群体中基因频率的影响,正向突变和回复突变同时存在时：,设,f,A,=p=1-q,，,f,a,=q,；,f,（,Aa,）,=U,，,f,（,a A,）,=V,。,突变,有,pU,=(1-q)U,回复突变有,qV,当,(1-q)U=,qV,时,处于平衡状态,此时,:,q=U/(U+V),即,只有突变时,基因频率有突变率和回复突变率决定,.,选择,对群体中基因频率的影响,突变引起基因频率的改变，但这种改变因环境的选择而影响基因型的改变并最终影响基因频率。,适合度,(fitness),记作,w,指某一基因型能生存并将基因传给下一代的能力。以相对的生育率来衡量。最高适合度为,w=1,在丹麦对软骨发育不全症进行调查，发现,108,名患者共生育了,27,个孩子，但这些患者的,457,名同胞共生育了,582,个孩子。,该病的适合度计算：,软骨发育不全患者们的生育率是,27/108,，,而正常同胞们的生育率是,582/457,。,患者与正常人的相对生育率（适合度）：,W= = 0.20,例：,27/108,582/457,几种遗传病的适合度,性状,适合度,视网膜母细胞瘤（杂合）,0,幼儿型黑蒙性痴呆（纯合）,0,软骨发育不全侏儒症（杂合）,0.2,血友病（男性）,0.29,神经纤维瘤（杂合）,男,0.41女0.75,慢性进行性舞蹈症（杂合）,男,0.82女1.25,镰刀型红细胞贫血症（杂合）,1.26（在疟疾区）,工业黑化,椒花,蛾,灰色,(+),黑色,(-),由于工业污染,灰色不利于生存,黑色型越来越多,.,灰色型逐渐消失,.,选择对群体中基因频率的影响,选择系数,s,指在选择作用下降低的适合度，用于测量某一基因型在群体中不利生存的程度。,s=1-w,选择对隐性基因不利,0,S,1,q=2/3,时，选择最有效。,选择对隐性基因完全选择,选择一代后，群体中,a,的相对频率变为：,q,1,=2p,0,q,0,/,（,p,0,2,+2p,0,q,0,）*,1/2=q,0,/,（,1+q,0,）,同理可求得选择,n,代后，,a,的相对频率为：,q,n,=q,0,/,（,1+nq,0,）,a,的相对频率由,q,0,q,n,，,需经历,n=1/ q,n,-1/ q,0,代。,如：已知某白化病等位基因频率为,0.01,，假如让所有的白化病人绝育，以达到在这个群体中淘汰这个致病隐性基因的目的（,q=0.0001,）,需要,9900,代才能实现。,。,随着时间推移，,q,下降的越来越慢，因为大量的,a,保存在杂合体中。,所以，优生学措施对降低人群中隐性致病基因的频率是低效的,选择对显性基因不利,AA,Aa,aa,总数,原基因型频率,p,2,2pq,q,2,1,适合度,1-s,1-s,1,选择后的绝对频率,p,2,(1-s),2pq(1-s),q,2,1-sp(2-p),选择后的相对频率,p,2,(1-s),1-sp(2-p),2pq(1-s),1-sp(2-p),q,2,1-sp(2-p),1,选择后的,A,的频率：,自然选择造成的,a,基因的频率改变：,突变和选择对基因频率的共同影响,隐性基因的频率,突变,(1-q)U,，,回复突变率,qV,选择,sq,2,(1-q),当,(1-q)U-,qV,= sq,2,(1-q),时,即选择和突变达到平衡时,: U= sq,2,q= U/s,可以计算群体中某一基因的突变率,:,U= sq,2,迁移,迁移,Migration,或基因流,gene flow,：,指个体从一个群体进入另一个群体,参与交配繁殖，带来基因平衡的改变的现象,.,例题：,Rh,血型的,R,基因频率为：,美国白人,0.028 q,美国黑人,0.446,q,n,非洲黑人,0.630 q,0,这是白人与黑人十代通婚的结果，估计每代的迁移速率,（,1-m,）,10,=(0.446-0.028)/(0.630-0.028),m= 0.036(,白人进入黑人群体的基因流的速率为每代,3.6%),B,型血基因在中亚频率最高，在西班牙东北部最低，与罗马帝国崩溃后蒙古人迁入欧洲的线路一致。,遗传漂变,随机遗传漂变,random genetic drift,指,由于群体较小或偶然事件而造成的基因频率的随机波动,称为随机遗传漂变,简称遗传漂变,.,也叫,Wright,效应（由,S. Wright,于,1930,年提出）。,遗传漂变,奠基者效应,:,有少数个体的基因频率决定了他们后代中的基因频率的效应,.,是一种极端的遗传漂变作用,.,人类群体中很多不利基因的漂变，均是奠基者效应的例证：,如：南非的欧洲人群体中,，,pulin,症发病率达,4/1000,；远高于其他地方。现证明，在南非的欧洲人都是,1686,年到南非好望角结婚的一对荷兰夫妇的后裔。而这对夫妇中的一人可能是,pulin,症致病基因携带者。,遗传漂变,瓶颈效应,：群体数量的消长对遗传组成所造成的影响。,一个大群体由于环境剧烈变化，随机漂变使群体中个体数量急剧减少，由少数个体再扩展成原来的规模的群体。,如：在太平洋东卡罗林岛的,pingelapese,人中有一种特殊的先天性盲，是由常染色体隐性基因控制的，患病率高达,4%-10%,。其原因可能是,1780-1790,年间的一次台风过后，大约有,9,个男人和数目不祥的女人幸存，推测其中有,1,人或几人是该基因的携带者。,群体中的多态现象,遗传多态,:,指同一群体中存在着两种以上变异的现象,.,杂合性,heterozygosity,：,是指每个基因座上都是杂合的个体的平均频率。,形态变异和染色体多态性,蛋白质多态性,DNA,序列多态性,群体中的多态现象,同一地域同一物种群体内,存在二个或多个不连续的类型,较少的类型不需要通过反复突变才得以保持,.,杂合体的选择优势,定向选择,中性突变学说,新种形成,物种,species:,形态上各别而遗传上固定的生物类群,.,可以是一个或多个群体,个体之间可以交配并繁殖后代,在自然条件下不能与另一物种的个体交配而交流基因,.,物种形成,不同物种的成员在生殖上是彼此隔离的。,遗传学上用生殖隔离的标准所鉴定的物种，同经典分类学的形态学上,“,种,”,的概念是不同的。,隔离,定义,:isolation,指不同种之间没有或只有限制的基因交流,.,方式,:,地理隔离,生殖隔离,(,真正物种隔离的本质所在,),生殖隔离机制,RIM,的分类,物种形成的方式,渐变式（,地理物种形成）,同一物种由于地理隔离存在,分别产生不同的基因突变和染色体畸变,经过自然选择作用而形成亚种,进而演化成新种,.,地理隔离,遗传分化,生殖隔离,新种形成,实例：南美热带果蝇,D.Willistoni,；,它有两个亚种就处于地理物种形成的第一个阶段。,物种形成的方式,爆发式（,量子式物种的形成）,植物界中多见,远缘杂种经染色体加倍后形成新种,.,如：萝卜甘蓝和小黑麦都是先通过杂交，后进行染色体加倍形成多倍体，它们与二倍体祖先种之间都产生杂种不育形式的生殖隔离。,分子进化与中性学说,蛋白质的种系发生、进化树,DNA,序列的种系发生,进化中的基因重复,分子进化的中性学说：,分子水平上的大量进化变化以及物种中的大多数变异不是由达尔文选择而是由选择上呈中性或近中性的突变等位基因的随机漂变造成的。中性学说的本质并不是强调分子的突变型是严格意义上的选择中性，而在于它们的命运很大程度上是随机的的遗传漂变决定的。,中性学说与选择理论的关系,SARS,病毒的进化树,进化理论,拉马克的获得性状遗传学说,达尔文的自然选择学说,拉马克的获得性状遗传学说,Lamarck,，,用进废退,要点：,需求促进器官改变以适应需求。,经常使用使之功能增进，不用时会退化或消失。,由此引起的性状变异可以遗传给下一代。,达尔文的自然选择学说,1859,，,Darwin,要点：,个体间存在差异（变异），至少有一部分是由于遗传上的差异。,生存竞争（生存差别）,繁育差别,自然选择,进化,突变是进化的基础,突变随机产生,极少数突变是有利的，可以作为进化的原始材料。,突变的有利与否，随所处的环境而异。,新基因的起源,突变,等位基因,新基因,改变位置,等位关系消失,重复与新基因产生,A,A,A,重复,A,B,突变积累,不影响,A,的功能与生存能力,C,死亡,生存,突变积累,应用,育种实践中的人工选择,环境,遗传变异,育种实践中的远缘杂交,作业,