第16章 群体遗传学
群体(population)
v 又称为孟德尔群体(Mendelian population)
v 指一定地域内一群可以相互交配的所有
生物个体。
遗传结构
• 生物群体中的等位基因频率以及由不同
的交配体制所决定的基因型频率
群体遗传学(Population Genetics)
• 应用数学和统计学方法研究生物群体中
的基因频率和基因型频率以及影响这些
频率的遗传学因素,从而了解生物群体
遗传结构的变化规律。
遗传与进化
Ø遗传学研究生物遗传和变异的规律和机理;
Ø进化论研究生物物种的起源和演变过程;
Ø遗传结构的逐代变化是生物进化的基础;
Ø群体遗传学直接为进化论提供遗传学基础。
第1节 群体的遗传平衡
一、基因频率和基因型频率
二、Hardy-Weinberg定律
一、基因频率和基因型频率
基因型频率(genotype frequency):
群体中不同基因型个体所占的比例。
某人群中MN血型的基因型频率
血型 基因型 人数 基因型频率
M LMLM 22 0.03
MN LMLN 216 0.296
N LNLN 492 0.674
总计 730 1
基因频率
(gene frequency;allele frequency)
• 在一个群体中,在所研究的基因座位上
不同的等位基因所占的比例。
基因型频率的计算
• N11、N12和N22分别代
表三种基因型个体
的数量
• N11+N12+N22=N;
• D、H和R分别代表三
种基因型的频率
N
ND 11
N
NH 12
N
NR 22
基因型频率计算公式
总体 样本
基因型 计数 基因型频率 计数
基因型
频率估计
频率估计标准差
11 AA
11N
N
ND 11 11n
n
nD 11ˆ )ˆ1(ˆ1
11 DDnS
21 AA 12N
N
NH 12 12n
n
nH 12ˆ )ˆ1(ˆ1
12 HHnS
22 AA 22N
N
NR 22 22n
n
nR 22ˆ )ˆ1(ˆ1
22 RRnS
合计 N 1 n 1
基因频率计算公式
N
NNp 2
2 1211 N
NNq 2
2 2212
HDp 2
1 RHq
2
1
二倍体生物中,每个个体的每一个基因座位上有
2个等位基因,N个个体,共有2N个等位基因。
基因频率计算公式
总体 样本 基
因
型 计数 等位基因频率 计数
等位基因频率
估计
等位基因频率估计标准差
1A 1N
HD
N
NNp
2
1
2
2 1211
1n
HD
n
nnp
ˆ
2
1ˆ
2
2ˆ 1211
)ˆ2ˆˆ(2
1 2
1 pDpnS
2A 2N
HR
N
NNq
2
1
2
2 1222
2n
HR
n
nnq
ˆ
2
1ˆ
2
2ˆ 1222
)ˆ2ˆˆ(2
1 2
2 qRqnS
合计 2N 1 n2 1
二、Hardy-Weinberg定律
• 在一个平衡的
随机交配的大
群体内,A和a
的频率为p和q
,则三种基因
型的频率为:
2pD
pqH 2
2qR
Hardy-Weinberg定律
v 在一个完全随机交配的大群体中,如果
没有突变、选择、基因迁移等因素的干
扰,基因频率和基因型频率在世代之间
保持不变。
v 也称为遗传平衡定律(law of genetic
equilibrium)。
所谓随机交配,实质上是不同基因型的配
子之间的随机结合
♀
♂
pA qa
pA AAp2 pqAa
qa pqAa aaq2
• 不管群体中原始基因型频率如何,是不
是处于平衡状态,只要经过一代的随机
交配,群体就能达到平衡。
例,某一群体中,起始的基因型频率为:
则初始基因频率(初始群体产生的配子频率)为:
这是一个不平衡群体。
4.0)(
2.0)(
4.0)(
220
210
110
AAR
AAH
AAD
5.02
1)(
5.02
1)(
0020
0010
RHAq
HDAp
随机交配一代的基因型频率和基因频率为:
在随机交配情况下,第二代的基因型频率和基因频率为:
5.02
1)(
5.02
1)(
1121
1111
RHAq
HDAp
25.0)(
5.02)(
25.0)(
2
0221
00211
2
0111
qAAR
qpAAH
pAAD
25.0)(
5.02)(
25.0)(
2
1222
11212
2
1112
qAAR
qpAAH
pAAD
5.02
1)(
5.02
1)(
2222
2212
RHAq
HDAp
在随机交配情况下,第三代的基因型频率和基因频率为
25.05.0
5.05.05.022
25.05.0
22
23
223
22
23
qR
qpH
pD
5.02
1
5.02
1
333
333
RHq
HDp
§比较各代基因频率和基因型频率,基因频率在三代之间
没有变化。
§基因型频率是有变化的,第2代的基因型频率不等于第1
代的基因型频率,但是,第3代的基因型频率与第2代的基
因型频率是相等的。
§表明,该群体已经平衡。
平衡群体的标志:
v 平衡群体的标志不是基因频率在上下代
之间保持不变,而是基因型频率在上下代
之间保持不变。
v
v 基因频率不变,基因型频率也可能会变化
v 基因型频率不变,基因频率一定不变
平衡群体
• 在没有突变、选择、迁移的情况下,随
机交配群体的基因型频率与等位基因频
率在世代间保持不变,这样的群体称为
平衡群体。
平衡群体的鉴定
AA Aa aa 是否平衡?
1. 0.5 / 0.5 -
2. 0.4 0.2 0.4 -
3. 0.25 0.5 0.25 +
Hardy-Weinberg定律的要点如下:
1、在一个随机交配的大群体中,如果没有
其它因素的干扰,各世代之间基因频率
和基因型频率保持不变。
2、在一个大群体内,不论起始基因频率和
基因型频率如何,只要经过一代的随机
交配,群体就能达到平衡。
Hardy-Weinberg定律的要点
3、基因型频率是随着基因频率的变化而变化的,
l 基因频率变化了,基因型频率一定会随之变化;
l 基因频率不变,基因型频率也可能变化;
l 基因型频率若保持不变,基因频率一定不会变化。
l 所以,群体平衡的标志是基因型频率保持不变。
4、如果一个群体的基因频率和基因型频率在世代间
保持不变,这个群体就被称为平衡群体。
第2节 改变基因频率的因素
一、突变对基因频率的影响
二、选择对基因频率的影响
三、遗传漂变和奠基者效应
Hardy-Weinberg定律只是一种理想状态
v影响基因频率变化的因素,如突变、选择、
迁移和遗传漂移等,时时刻刻存在着。
v在自然界中,尤其人类社会中,不可能有
无限大的随机婚配群体。
v这些因素正是生物进化的促进因素。其中
突变和选择的作用更大。
一、突变对基因频率的影响
v基因突变是新基因的唯一来源,是自然
选择的原始材料;对基因频率的影响也
是巨大的。
v研究突变对遗传结构的影响时,仍然假
定是一个无限大的随机交配群体,除了
突变以外没有其它因素的作用。
突变压(mutation pressure)
v假设在常染色体上有一对基因A和a,若A
在长时间内不断突变为a,没有其它因素
的干扰,最终这个群体中的A将全部消失,
成为a的纯合群体。
v这就是突变对遗传结构产生的压力,称
为突变压(mutation pressure)。
v如果A的初始频率为p,p=(1-q)
a的初始频率为q,q=(1-p)
p+q=1
vA→a的速率为u,a→A的速率为v;
v(1-q)u>qv,q(a)增大,p(A)下降;
v(1-q)u<qv,q(a)下降,p(A)增大;
v(1-q)u=qv,突变压相等,则基因频率
保持不变,没有其它因素的干扰,群体仍处
于平衡状态。
§基因的频率完
全由突变频率
决定。
可见,突变
对群体遗传结
构的影响是十
分巨大的。
vu
vp
vu
uq
vuqu
qvquu
qvuq
qvpu
1
若u=v,则一定会有p=q=0.5。
设A的最初频率为p0,n代以后,A的频率为pn ,群体中
只发生A→a的突变,经过n代,群体中A的频率为:
8.05
4
100.1100.4
100.4
100.1
100.4
66
6
6
6
vu
uq
v
u
n
n upp 10
大多数基因的突变频率很低,然而生物进化的历程是
无限的,随n的增加,累积起来的突变效应是惊人的。
有些生物,如细菌,世代很短,在短时间内突变对基
因频率的变化就会很显著。
二、选择对基因频率的影响
自然选择(natural selection)
人工选择(artificial selection)
自然选择
v 比较适应环境的个体生育率高,可以留
下较多的后代,这样下一代群体中这一
类基因型及相关基因的频率就会增加;
v 生育率低的个体留下的后代较少,下一
代中有关的基因频率就会降低。
自然选择
v因此,自然选择的结果总是使群体向着
更加适应于环境的方向发展。
v只有自然选择才能解释生物在适应性和
结构上的合理性。
v自然选择是进化的关键环节。
自然选择
v 如果选择作用发生在个体育龄期之前和
育龄期间,就会影响基因型频率和基因
的频率;
v 如果选择作用发生在育龄期以后,对基
因型频率和基因频率的影响不大。
人工选择
对于人类种植或饲养的物种来说,除了自
然选择以外,还要受到人工选择的作用。
二、选择对基因频率的影响
1、完全淘汰显性基因的选择效应
2、完全淘汰隐性基因的选择效应
3、自然选择,适合度和选择系数
4、对隐性纯合体不利的选择
5、不利于显性基因的选择
1、完全淘汰显性基因的选择效应
v 淘汰显性性状改变基因频率的速度很快。
v 水稻高杆基因Sd1,半矮杆基因sd1,Sd1 >sd1。
v 某一群体中p(Sd1)=q(sd1) =0.5,若只选留半矮杆
个体,淘汰高杆个体,下一代将全部为矮杆:
v q(sd1) =1; p(Sd1)=0。
2、完全淘汰隐性基因的选择效应
v若淘汰隐性性状,改变基因频率的速度
就慢得多了。
v即使隐性基因是致死的,而且也没有新
产生的隐性突变基因来补偿,在选择压
力下,隐性有害基因仍然可以在群体中
保持很多世代。
例,在杂合体Cc的后代中淘汰隐性个体
v玉米中的白化基因(c)隐性致死
v开始时C和c相等,频率各为0.5,即
v基因型频率为0.25CC,0.5Cc,0.25cc
v隐性纯合体将全部死亡
v此时,p(C)=2/3,q(c)=1/3
5.0 qp
下一代中,基因型频率为
ccCcCC
22
3
1:3
1
3
22:3
2
v其中1/9 的cc个体又死亡,C的频率进一步
提高,c的频率进一步降低。
假设在选择以前隐性基因频率为q0 ,
再下一代:
000 2
1 RHq
若淘汰所有aa植株,下一代a的频率为:
0
0
00
0
00
2
0
00
00
0
1 122
2
1
q
q
qp
q
qpp
qp
HD
H
q
0
0
0
0
0
0
1
1
2 21
11
1
1 q
q
q
q
q
q
q
qq
再继续淘汰隐性植株:
0
0
0
0
0
0
2
2
3 31
211
21
1 q
q
q
q
q
q
q
qq
经过n代后:
0
0
1 nq
qqn
隐性基因频率逐代下降的情况如下:
0.500→0.333→0.250→0.200→0.167→0.143→0.125
→0.111→0.100→0.091→0.083
根据上述公式可以推算出达到某基因频率所需要的世代数
0
0
0
0
0
0
0
0
1111
1
1
1
qqq
q
qn
qn
qnq
q
qnq
nq
qq
nn
n
n
n
9821005.0
1
01.0
1 n
若q0=0.5,希望qn=0.1,则
3、自然选择,适合度和选择系数
自然选择(natural selection)
v 在自然状态下,对环境有较大适应能力
的个体会留下较多的后代,对环境不太
适应的个体会留下较少的后代。
v 这就是所谓的自然选择,自然选择的
结果会使群体向着更加适应环境的方向
发展。
适合度(fitness)
v 不同基因型的个体对环境的相对适应能力
可以用适合度来度量
v 适合度又称为适应值(adaptive value)或
选择值(selective value)。
适合度(fitness)
v 适合度一般用W表示,是指某种基因型的个体与
其它基因型个体相比较,在相同的环境条件下能
够存活并留下后代的相对能力。
v 不管基因型的表现如何,只要在同样的环境下
和其它基因型相比能够留下较多的后代,它的适
合度就比较高。
对显性不利的选择对显性基因频率的影响
4、对隐性纯合体不利的选择
显性完全,选择对隐性纯合体不利时,基因频率q的变化
三、遗传漂变和奠基者效应
v 若在小群体内,不能充分地进行随机交配,就可能使
有些个体不能产生后代而使所携带的基因丢失。有些
个体产生较多的后裔,而使所携带的基因被固定。
v由于群体较小和偶然事件所造成的基因
频率的不确定性变化被称为随机遗传漂
变(random genetic drift)。
v也称为遗传漂变(genetic drift)
v 或者说,非随机取样而引起的基因频率的改变称为遗
传漂变。
遗传漂变的本质是生育率的差异:
v在大群体种,不同基因型产生能育的后裔数也可
能有变动,但对基因频率不会有明显的影响。
v可是在小群体中,这种波动就会对基因频率产生
相当大的影响。
v如果群体很小,由于机会的关系,甚而有可能使
某些不利的基因被保留下来,而使有利的基因被
丢失。
v像这样,由小群体和偶然事件而造成的基因频率
的随机波动,就是遗传漂变。
ABO血型
v 人类的ABO血型,在适应性上没有任何
意义。但是不同地区,不同种族之间,
其基因频率不同。
v 这是中性基因漂移的典型例证。
奠基者效应
v当一个群体起源于少数几个个体时,就
会发生遗传漂变的极端情况,称为奠基
者效应(founder effect)。
v这最初的少数个体就是奠基者。
有一种先天性失明症是常染色体隐性遗传:
v 在东卡罗林群岛的Pingelap人中发病率特别高。
v 据记载,在1780-1790年间,一次飓风袭击了
Pingelap islands,只留下9个男人和数目不祥
的女人。
v 可能留下来的人中有一人或少数几人是“先天
性失明”基因的携带者。1970年,Pingelap人
口已增加到1500,其中先天性盲人竟达10%之
多。
v 先天性失明基因在选择上显然是不利的,这种
致病基因能在群体中有这样不寻常的高频率,
毫无疑问是遗传漂移的结果。
奠基者效应的典型例子:
v 美国一个州有一个19世纪中期从德国迁来的
27个家庭建立起来的一个教派。他们生活在自
己的圈子里,几乎不同周围的人通婚。在几个
基因座位上可以观察到遗传漂变的作用。
v 如A血型(IAIA、IAa)的频率在德国人中为
0.40-0.45,而在这个社区的德裔美国人群中
的频率为0.6,IB基因的频率只有0.025。
v MN血型座位上,LM基因的频率在德国人和美
国人中都是0.54,而这个社区的德裔美国人中
却是0.65。
v在远离大陆的海岛上常常出现大陆上所
没有的物种。
v这是因为在被隔离的小群体中,一旦发
生突变,经过若干世代的小群体繁殖,
新基因就会被固定下来,形成新的类型
或者新的物种。
§3 物种的形成 speciation
一、物种的概念
v 界、门、纲、目、科、属、种
v 种就是物种(species)
v 种以下还可以分为:变种、亚种、生态
型、群体等等。
一、物种的概念
v 群体(population)是物种(species)的组成
部分,也是物种形成的基础。
v 物种是具有一定形态和生理特征以及一定
自然分布区域的、可以相互交配的生物类
群,是生物分类的基本单元。
v 不管怎样分,种是实际存在的单位,而种以上
和种以下的划分和归属都是人为的。
v 物种是生物进化发展的基本单位和基本环节,
是生物发展过程中连续性和间断性的区分界限
v所有生物个体之间都是有差异的。
v种内差异在遗传上是连续的;
v种间差异在遗传上是不连续的;
v种内变异可导致变种的形成,但物种和
变种并没有本质上的区别;
v变种进一步演化成新的物种。
v生物界的发展进化是渐近的、连续的。
物种与物种之间一般有较明显的界限,
但这个界限也不是绝对的。
物种的标准
v 区别物种的主要标准是在野外条件下能
否进行相互杂交,并正常生育下一代。
v 在自然条件下,能够进行杂交且产生能
正常生育后代的种群和个体,就属于同一
个物种;
v
物种的标准
v 不同物种的个体一般不能相互交配;
v 即使偶尔交配,也不能产生后代;
v 或者虽产生后代也是不能生育的,或者生
育能力很差。
v 两个种不会因杂交而打破变异的“不连续
性”。
v不同的物种在生殖上是隔离的。
v 水稻和小麦不能相互杂交。
v 而水稻种内的籼亚种和粳亚种是可以杂
交的,但有些亚种间品种杂交后F1 的结
实率很高,有些则很低,说明了种内分
化的连续性。
v 马和驴能交配并能产生后代,但后代不
育,所以马和驴分属于不同的种。
物种形成
v 物种之间的遗传差异是较大的,一般涉
及到一系列基因不同,或染色体形态不
同,或染色体数目不同。
v 种内个体间、群体间的分化是遗传变异
的不断积累。
v 遗传差异逐渐增大,最后产生生殖隔离,
就演化为新的物种。
物种的形成方式
(一)渐变式
(二)爆发式
(一)渐变式
通过突变、选择和隔离等过程,逐渐积累变
异而成为新种。由量变到质变。
①继承式:
一个物种在一个很长的历史时期内,逐渐累
积变异,过渡成为一个全新的物种,而原物种
已不复存在。
马的进化。
②分化式:
一个物种的两个以上的群体,由于地理隔离
或生态隔离,先形成地理族或亚种,而后又逐
渐分化为两个或两个以上的新种。
棉属的分化:
v棉属(Gossypium)有很多种
v栽培种有4个,
旧大陆棉,2n=26;草棉、中棉
新大陆棉,2n=52,陆地棉、海岛棉。
v 每个种内又分为许多亚种,每个亚种内
又存在许多栽培品种。
草棉
Ø草棉有5个亚种
Ø“非洲亚种”是最原始的野生类型。
Ø随着古代非洲和阿拉伯的贸易往来,非
洲亚种被带到阿拉伯,产生了长纤维突
变,经选育而成为槭叶亚种。
Ø槭叶亚种后又被带往不同的地区:
中亚 波斯亚种
中国 中国亚种
印度 印度亚种
中棉
v 中棉也有5个亚种,印度亚种最原始。
v 由草棉中的槭叶亚种演化而来的
v 中棉中的印度亚种与草棉中的槭叶亚种在形
态上的区别仍很小,比同是中棉的其它亚种之
间的形态差别还小些。
v 印度亚种向北发展,又形成了“中国亚种”
等4个亚种。
v 中棉从草棉分化出来的时间较长,受长期自
然选择的作用,现在在自然界与草棉已不能有
基因交流。
旧大陆棉的进化关系
草棉 非洲亚种
槭叶亚种
中亚 波斯亚种
中国 中国亚种
印度 印度亚种
中棉 印度亚种
中国亚种等4各亚种
隔离在物种形成过程中的作用
• 物种的形成过程:
• 先有地理隔离,或生态隔离,各自通过不同的基
因突变、染色体畸变、重组,在自然选择下,形
成不同的亚种
• 亚种再进一步分化,到有机会重新相遇时已不能
有基因交流,产生了生殖隔离,成为不同的种
• 原则上讲,单有地理隔离和形态差异,而尚未形
成遗传隔离机制的,只能称为不同的亚种。
v 没有隔离就没有物种的分化,就没有生
物界的进化。
v 一个发生了优良变异的个体若不和原来
群体隔离,彼此间仍自由交配,新的优
良特性会在群体中扩散。
v 一个发生了优良变异的群体若和普通群
体混合在一起,由于彼此自由交配,优
良特性不能积累,性状不能分歧,就不
能形成新种。
v 种的形成就是隔离机制的形成。
生殖隔离机制
v 各种不同的阻止生物体之间相互交配的生
物学特性和行为特性叫做生殖隔离机制
v reproductive isolating mechanisms,RIMs
表 生殖隔离机制(RIMs)
1.合子前的RIMs,阻止受精和杂种合子的形成。
a.地理的和生态的隔离:不同的群体占据不同的地域或不同的栖
息地,彼此不能相遇。如生活于不同山谷中的陆生螺类。
b.季节的和时间的隔离:交配或开花发生在不同的季节或一天内
不同的时间。
c.行为隔离(限于动物):雌雄之间无吸引力,或雌雄不相容。
d.机械隔离:由于生殖器大小或形状不同,或花器结构不同,不
能进行交配或受精。
e.配子隔离:雌雄配子不能相互吸引,或精子、花粉在雌性生殖
道中无生活力。
2.合子后的RIMs,减少杂种生活力和育性
a.杂种无生活力:杂种合子不能发育,或不能发育到性成熟。
b.杂种不育:杂种不能产生有功能的配子。
c.杂种的后代衰退:杂种的后代(F2或BC)生活力及育性降低。
合子后隔离现象:
v有的植物杂交以后能结实,但种子不能
萌发。
v有的植物杂交以后,杂种胚不能发育成
熟,但若取出来人工培养就可以成熟,
并再生成健壮的植株。说明杂种胚与杂
种胚乳之间的不协调是杂种不活的原因
之一。
v马和驴杂交能生骡或駃騠,但骡的可育
性极低。
地理隔离与生殖隔离
v地理隔离在新种的形成过程中起着十分
重要的作用,没有地理隔离,不可能形
成生殖隔离。
v反之,若没有生殖隔离,原来地理隔离
的两个群体,一旦再发生某种地质气候
变化又会成为一个群体。
v 所以地理隔离是新种形成的第一步。
人类的干预
v 生殖隔离是指野外的情况。
v 有时种间杂交在实验室或试验田里可以
成功,而且杂种及其后代的生活力和生
育力均正常,不能作为是同一个种的理
由。
v 只要它们在野外有生殖隔离,就足以保
证它们在自然界是不同的种。
(二)爆发式物种形成
v 主要见于植物界,多为远缘杂种通过染
色体加倍后很快形成新种。
v 虽然刚形成的异源多倍体也要通过自然
选择,使之逐渐适应新的环境,但异源
多倍体可以很快得到,所以与前一种方
式相比较,可以称之为爆发式。
普通小麦的起源
云台属各物种的形成途径