41 25.群体遗传.ppt

第1页：第二十五章群体遗传学

第二十五章群体遗传学

• 第二十五章群体遗传学
• 第一节基因型频率和基因频率
• 一．基因型频率
• 基因型频率(genotype freguencie)
• 例：深红虎蛾（Panaxia dominula）

第2页：497只虎蛾 基因型分别

497只虎蛾 基因型分别

• 497只虎蛾
• 基因型分别为：
• BB=452，Bb=43和bb=2。
• 它们的基因型频率分别是：
• P=f(BB)=452/497=0.909
• H=f(Bb)=43/497=0.087
• Q=f(bb)=2/497=0.004
• 合计：1.000

第3页：基因频率

基因频率

• 二．基因频率
• 等位频率（allelicfreguencies）或称为基因频率（genefreguencie)
• 基因频率=
• （群体中某个基因座位上特定基因的拷贝数) ÷(群体中该座位所有等位基因数)
• p=f(B)=(2×BB＋Bb)/(2×个体总数)
• = (2×452+43)/(2×497)
• =947/994=0.953
• q=f(b)=(2×2＋43)/(2×497)
• = 47/994= 0.047

第4页：复等位基因的基因频率 牛奶草甲虫葡

复等位基因的基因频率 牛奶草甲虫葡

• 三．复等位基因的基因频率
• 牛奶草甲虫葡萄糖磷酸变位酶（PGM）座位上有3个等位基因，每个等位基因编码了酶的不同分子变异体，在一个群体中基因型的数目收集如下：
• AA=4，AB=41，BB=84，AC=25，BC=88，CC=32，共计274个甲虫。它们的等位基因频率是：
• f(A)=p=(2×4+41+25)/2×274=0.135
• f(B)=q=(2×84+41+88)/2×274=0.542
• f(C)=r=(2×32+88+25)/2×274=0.323

第5页：由基因型频率来计算基因频率以深红虎

四．由基因型频率来计算基因频率以深红虎蛾为例：p=f(B)=(BB的频率+1/2Bb的频率)=0.909+0.087×0.5=0.909+0.0435=0.953q=f（b）=（bb的频率+1/2Bb的频率）= 0.004+0.087×0.5= 0.004+0.0435= 0.047

第6页：X-连锁座位上的基因频率p = f

五．X-连锁座位上的基因频率p = f (XA）=（2XAXA♀）+(XAXa)+(XAY♂)2×雌体数+雄体数（2XaXa♀）+(XAXa)+(XAY♂)2×雌体数+雄体数

第7页：X-连锁座位上的基因频率p = f（续）

p = f (XA）=（2XAXA♀）+(XAXa)+(XAY♂)2×雌体数+雄体数q = f (Xa）=（2XaXa♀）+(XAXa)+(XaY♂)2×雌体数+雄体数五．X-连锁座位上的基因频率

第8页：第二节哈迪-温伯格法则

第二节哈迪-温伯格法则

• 第二节哈迪-温伯格法则
• 哈迪-温伯格（Hardy-Weinberg）法则(1908年)
• 在理想群体中，基因频率和基因型频率逐代将保持不变。
• 此定律可分为3个部分：
• 第一部分是前提：理想群体：无穷大，随机交配，没有突变、没有迁移和自然选择；
• 第二部分：是结论:基因频率和基因型频率逐代不变；
• 第三部分：是关键随机交配一代以后基因型频率将保持平衡。

第9页：

第10页：例如有一个群体其三种基因型频率为fAA

例如有一个群体其三种基因型频率为fAA

• 例如有一个群体其三种基因型频率为fAA=0.2，fAa=0.2,faa=0.6，那么两种配子中的基因频率为：fA=fAA+1/2fAa=0.2+1/2(0.2)=0.3fa=faa+1/2fAa=0.6+1/2(0.2)=0.7
• 若随机交配，可求出下一代中基因频率为：
• fAA=0.09;fAa=0.42;fAa=0.49
• 我们再来计算下下一代配子中的基因频率
• fA=0.09+1/2(0.42)=0.3
• fa=0.49+1/2(0.42)=0.7

第11页：哈迪-温伯格定律的扩展假如存

四．哈迪-温伯格定律的扩展假如存在3个等位基因A，B和C的话，它们的频率分别为p、q、r，在平衡时基因型的频率也等于等位基因频率的平方：（p+q+r）2=p2+q2+r2+2qp+2pr+2qr=p2(AA)+q2(BB)+r2(CC)+2pq(AB)+2pr(AC)+2qr(BC)

第12页：哈迪-温伯格定律的扩展假如存（续）

哈迪-温伯格定律的扩展假如存（续）

• 例：长岛海峡兰色的贻贝群体中有一基因座位编码亮氨酸肽酶，这个座位有3个等位基因：
• 等位基因频率
• LAP98p=0.52
• LAP96q=0.31
• LAP94r=0.17

第13页：若这个群体达到哈迪-温伯格平衡

若这个群体达到哈迪-温伯格平衡

• 若这个群体达到哈迪-温伯格平衡，预期它们的基因型频率将是：
• 基因型预期频率
• LAP98/LAP98p2=(0.52)2=0.27
• LAP98/LAP962pq=2(0.52)(0.31)=0.32
• LAP96/LAP96q2=（0.31）2=0.10
• LAP96/LAP942qr=2(0.31)(0.17)=0.10
• LAP94/LAP982qr=2(0.52)(0.17)=0.18
• LAP94/LAP94r2=(0.17)2=0.03

第14页：第三节在自然群体中的遗传变异

第三节在自然群体中的遗传变异

• 第三节在自然群体中的遗传变异
• 一．遗传变异的模型
• 1.经典模型（classical model）。
• 是由实验遗传学家提出的，他们认为大部分自然群体具有较小的遗传变异。根据这个模型表明，在每个群体中一个等位基因的功能是最好的，这个等位基因对自然选择能很好地适应。自然选择的结果使这个群体中的每一个体几乎都是“最好”的等位基因。

第15页：平衡模型

• 2.平衡模型：
• 没有单个的等位基因是最好的或分布广泛的。一个群体的基因库在每个座位含有很多的等位基因。因此群体中的个体在许多座位上都是杂合的。进化是通过逐步地改变等位基因的频率和种类而发生的。在一个群体中通过自然选择积极地维持了遗传变异。如镰刀形贫血（HbAHbs）杂合子的红细胞比镰形贫血患者（HbSHbS纯合体）及正常人（HbAHbA）的红细胞对疟原虫具有更高的抵抗力，3种基因型的适应性分别为HbAHbA：0.81，HbAHbS：1.00,HbSHbS：0.20。

第16页：许多物种用电泳方法所获得的多态座位比例

• 许多物种用电泳方法所获得的多态座位比例和杂合性的值。研究的结果很清楚表明大部分物种其蛋白质具有大量的遗传变异，而经典模型明显是错误的。
• 。但这并不能证明平衡模型是正确的。平衡模型预言在自然群体中很多的遗传变异，但平衡模型也提出大量的遗传变异是通过平衡选择来维持，而电泳研究的结果并不能证实这一论点。

第17页：现在争论的焦点转移到获得的变异是靠什么

• 现在争论的焦点转移到获得的变异是靠什么维持的。
• 3.中性突变学说（neuture-mutation）,它是由木村资生（1968年）提出的，他承认在蛋白质中广泛地存在着遗传变异，但这些变异对于自然选择是中性的。中性突变学说提出在某些位点上的变异也影响适应性，自然选择将排除这些座位上的变异。

第18页：遗传变异的多态性

• 二．遗传变异的多态性
• 1.限制性片段长度多态性（RestrictionFragmentLengthPolymorphism，RFLPs）。

第19页：

第20页：Ci=4

Ci=4

第21页：

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第23页：随机PCR

• 2.随机PCR(random amplified polymorphic DNA, RAPD)
• 以短片断(10Nt)随机引物扩增DNA，其PCR产物大小不同，经电泳可显示出“条形码”，RAPD可用来鉴别个体，常规遗传学分析，群体遗传的研究。多用于植物基因组作图。

第24页：

第25页：单核苷酸多态性

3.单核苷酸多态性（singlenucleotidepolymorphism,SNP）在生物群体中，基因组的某一位点的核苷酸呈现出多态性。此可用来作为研究分子进化的依据。

第26页：预期核苷酸顺序中的杂合性n为被测定的同

预期核苷酸顺序中的杂合性n为被测定的同源的DNA分子数。n = 5(只鼠)×2（条同源染色体)=10。参数j表示限制性位点中的核苷酸。BamH1识别6个碱基，故j = 6。Ci表明被酶切的分子数。例子中只有单个的酶切位点，共4个，故Ci =4。Ci是在所有染色体中切割位点的切割数，在例子中ci=4，这样代入公式Hnuc=[10(4)－(4)2] ÷[6(4)(10－1)]=0.11

第27页：

第28页：第四节群体中基因频率的改变

• 第四节群体中基因频率的改变
• 一. 突变设正向突变（A→a）的频率为u，回复突变（a→A）的频率为v。群体中f(A)=p，f(a)=q，假设群体很大，无自然选择存在，那么在每一代中，A等位基因以u频率突变成a增加时，回复突变的等位基因增加。若upvq时，f（a）增加,即正突变回复突变，若upvq时，f（A）增加,即正突变回复突变。

第29页：若达到平衡时

若达到平衡时，p = vq －up = 0,vq = up, vq = u (1-q)解这个等式，我们可以得到平衡时q值vq = u －uqvq+uq = uq (v+u) = uq =u/(v+u)

第30页：遗传漂变

• 二、遗传漂变
• 由于样本的机误（chance errors）导致群体基因频率的随机改变称为遗传漂变（genetic drift）或简称为漂变。此是由群体遗传学家S. Wright于1930年提出的，有时人们也把漂变称S. Wright效应（一）基因频率的随机改变偶然的因素只有在很小的群体中使基因频率发生改变。机率使结果和预期比产生偏差的这种现象被称为取样误差（sampling error）。

第31页：

第32页：为了确定遗传漂变的大小

• 为了确定遗传漂变的大小，我们必须知道有效种群大小（effectivepopulationsize），等于成体为下代提供的配子的当量数。Ne=(4×Nf×Nm)/(Nf+Nm)等式中Nf是交配的雌体数，Nm是交配的雄体数。70个雌性和2个雄性的群体中，每个雄性要为下一代总的基因数贡献1/2×1/2=0.25。而每个雌性只贡献所有基因的1/2×1/70=0.007。Ne=(4×70×2)/(70+2)=7.8
• 或近似等于8个交配成体。这意味着70雌和2雄的群体其遗传漂变相当于只有4个交配雄性和4个交配雌性的小群体的遗传漂变。

第33页：为了确定遗传漂变的大小（续）

• (三) 遗传漂变原因取样误差建立者效应（founder effect）瓶颈效应（bottleneck dffect）瓶颈效应也可以看成是建立者效应的一种类型，因为仅几个个体的减少结果就会影响群体。小的交配单位丢失了基因流（gene flow）
• 德国浸礼会的教派叫做Dunkers,在1719年到1729年之间，有50个Dunker家庭从德国迁到美国定居，从此Dunkers保持了一个隔离的小群体，不能和教派之外的人群通婚，而他们本身的人数又是相当少。

第34页：

第35页：第35页内容要点

(四) 遗传漂变的效应导致基因频率逐代改变，从而使逐代频率随机波动和漂变。减少群体中的遗传变异。导致等位基因的固定和丢失三．迁移（migration）（1）它将新的等位基因导入到群体中。（2）当迁移动物的基因频率和受纳群体的不同时，基因流改变了受纳群体的等位基因频率。

第36页：

第37页：假设

假设

• 假设：群体I中A等位基因频率（PI）是0.8，群体II中A的频率（PII）是0.5。
• 每代某些个体从群体I迁移到群体II。迁移后群体II实际含有两组个体：
• 一组是迁移者，其A等位基因频率PI=0.8。另一组是接纳群体的成员，A等位基因频率PII=0.5。
• 迁移者在群体II中的比例为m，那么迁移后群体II中A基因的频率是：
• PII=mPI+(1-m)PII

第38页：混合后群体II中A基因频率

混合后群体II中A基因频率为：PII ＝mPI +(1-m)PII在群体II中基因频率的改变设为P,等于混合的A频率减去群体II原来的A基因频率：p=PII-PII将上式代入p=mPI+(1-m)PII－PII展开p=mPI+PII－mPII－PIIp=mPI－mPIIp=m（PI－PII)

第39页：最后结果表明迁移使基因频率发生改变

最后结果表明迁移使基因频率发生改变，此依赖于两个因素

混合群体中迁移者的比例（m）和两个群体之间基因频率的差（PI －PII）。

第40页：自然选择

四.自然选择（Natural selection）达尔文（Charles Darwin）和华莱士（Russel Wallace）(一)自然群体中的选择工业黑化现象灰色桦尺蠖（Biston betularia）椒花蛾黑化型（carbonaria）1880年黑蛾的比例已超过了90%。1959年黑色型为93.3%，1965年就下降到90.2%。

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第43页：第43页内容要点

(二) 适合度和选择系数适合度（fitnees）适合度是一种基因型能在一定环境下生存并将其基因传给下一代的相对能力。

第44页：第43页内容要点（续）

第43页内容要点（续）

• (三)选择对基因频率的作用
• 一代的自然选择后，a的频率不再是q，而是为q
• q=(q-sq2)/(1-sq2)
• 则q =-sq2(1-q)/(1-sq2)
• 当q很小时，分母近似1，
• q=-sq2(1-q)

第45页：

第46页：

第47页：超显性

超显性

• 五.超显性
• 当杂合子比纯合子的适应性更高时也可使基因频率达到平衡。
• 这种现象称为超显性（overdominance）或杂合优势（heterozygote advcmtage）。
• 在超显性中由于杂合子的适应值高于纯合体，使得两个等位基因在群体得以维持平衡。

第48页：非随机交配正选型交配

六. 非随机交配正选型交配（Positive assortative mating）负选型交配（negative assortative mating）正选型交配和负选型交配不会影响群体的基因频率，但会影响基因型频率。近交（inbreeding）远交（outbreeding）。近交实质是对亲缘关系的正选交配。远交是非亲缘关系优先交配，实质上是负选交配。

第49页：近交与近交系数1.近交

近交与近交系数1.近交(近亲繁殖)作用：(1)增加纯合；(2)使某些隐性基因得到表达；(3)使遗传性状稳定。意义:(1)育种，亲本纯化；(2)优良品种的纯化；(3)提示近亲婚配的危害

第50页：近交系数

近交系数

• 2.近交系数
• (1)植物的近交系数(coefficient of inbreeding)：
• Aa杂合体自交后代中纯合体的比例
• Aa
• AA Aa aa
• 1/4 2/4 1/4
• AA AA Aa aaaa
• 11/4 + 1/2 1/4 + 1/2 1/2 +1/2 1/4+ 1 1/4
• 3/8 2/8 3/8n代后，杂合体的比例是(1/2)n,纯合体的比例是1-(1/2)n

第51页：近交系数（续）

• (2)动物和人类的近亲系数
• 定义：群体中一个个体的某对等位基因来自某祖先同一个基因的概率。P1P2B2B1SP1P2B2B1S通径分析a1a2 a3a4F = 4 (1/2)n= 4 (1/2)4=1/4

第52页：P1P2

P1P2P1P2F = 4 (1/2)n= 4 (1/2)6=1/16P1P2P3P4B1B2B3B4C1C2SSF = 4 (1/2)n= 4 (1/2)6+ 4 (1/2)6= 1/8(1)找出共同祖先(2)连接好通经(3)代入公式计算

第53页：复杂家系的通径分析Fx=

复杂家系的通径分析Fx=(1+Fi)(1/2)ni+1A BC D EG HK LP1 P2Xi(1)共同祖先A通道P1KGCADHLP2n=8, FA=0, 分量=2(1/2)10(2)共同祖先B通道P1KHDBELP2n=7, FB=0, 分量= (1/2)7+1= 2(1/2)9(3)共同祖先C通道P1KGCHLP2n=6, FC=0, 分量= (1/2)6+1= 2(1/2)8

第54页：复杂家系的通径分析Fx=（续）

(3)共同祖先H通道P1KHLP2n=4, FH=(1/2)3 = 2 (1/2)4, 分量= (1 + 1/8)(1/2)4+1= (1/8 +1) 2(1/2)6将各分量代入公式Fx=(1+Fi)(1/2)ni+1=(1/2)9+ (1/2)8 + (1/2)7 + (9/8)(1/2)5= 0.04883

第55页：第五节分子进化一．DNA顺序的变异通

第五节分子进化一．DNA顺序的变异通常将进化速率

定义为每年每个核苷酸位点被另外核苷所取代的比例。

第56页：①序列相似性比较

①序列相似性比较

• ①序列相似性比较：
• 将待研究序列与DNA或蛋白质序列库进行比较，用于确定该序列的生物学属性。常用的程序包括BLAST，FASTA等；
• ②序列同源性分析：
• 将待研究序列加入到一组与之同源，但来自不同物种的序列中同时进行多序列比对，以确定该序列与其它序列的同源性大小。完成这项工作必须使用多序列比较算法。常用的程序有CLUSTAL。

第57页：③构建系统进化树

③构建系统进化树

• ③构建系统进化树：
• 根据序列同源性分析结果可构建系统进化树。完成此项工作需多种软件包，如PYLIP，MEGA等。
• ④稳定性检验：
• 检测构建好的进化树的可信度。需进行统计可靠性检验。以大概率（70%以上）出现的分支点才是可靠的。通用的方法是Bootstrap算法。

第58页：细胞色素C的进化

细胞色素C的进化

第59页：

第60页：

第61页：多基因家族

二. 多基因家族（multigene family )的进化三．线粒体DNA的进化动物mtDNA中的核苷酸顺序的进化速率要比核基因的编码顺序快得多(快5~10倍)。(1)可能和mtDNA顺序的高突变率有关。(2)因为其缺乏修复机制(3)mtDNA的DNA聚合酶存在较多倾向误差。(4)可能是选择压力在核基因中淘汰了很多突变，而在线粒体中这种压力松驰了(5)再者由mtDNA编码的蛋白质,tRNAs和rRNAs的改变对个体适应性的损伤更少一些。

第62页：