分子生态学前沿进展论文

1、分子生态学研究进展与发展趋势摘要：分子生态学是分子生物学与生态学融合而成的新的生物学分枝学科。而不仅只是应用分子生物学技术研究生态学问题。分子生态学作为生态学领域的新兴学科，在分子水平上阐述生命现象的发生、发展机理已成为生物学家们共同关注的目标。采用分子生物学的研究方法和研究成果来阐述生态规律的分子机理，进而产生了一门崭新的学科。目前，分子生态学已成为当前国际生物学的研究热点之一，是生态学研究的新领域。关键字：分子生态学 研究进展 发展趋势分子生态学是90 年代初新兴的一门生态学学科分支，它一经产生就引起了人们的广泛重视。不同的学者从各自的研究背景出发，对分子生态学的概念有着不同的理解。Bur

2、ke 等和 Smith 等分别在分子生态学的创刊号中解释了分子生态学的概念。这个概念注重动植物和微生物的个体或群体与环境的关系，认为分子生态学是分子生物学与生态学有机结合的一个很好的界面。它利用分子生物学手段来研究生态学或种群生物学的方方面面，阐明自然种群和引进种群与环境之间的联系，评价重组生物体释放对环境的影响。向近敏等（1996）则将分子生态学与宏观生态学和微观生态学对应起来，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关系的。这个概念强调有生命形式的细胞内寄生物及其有生物学活性的细胞和分子与其相关细胞之间的各种活性分子，直至分子网络相互作用的生理平衡态和病理失调态

3、的分子机制，从而提出促进生理平衡和防止病理失调的措施和方法1。一、分子生态学产生的背景虽然分子生态学这一概念是在最近几年才正式提出的，但是类似的研究工作可以追溯到70 多年前。从分子生态学的发展历史来看，主要有三门分支学科为分子生态学的形成奠定了基础。它们是：群体遗传学、生态遗传学和进化遗传学。虽然生态遗传学可能是分子生态学的最直接来源，但是，为了叙述的整体性，以下论述将不会有意将这三者分隔开来。经典生态遗传学主要是论证和测度自然系统中选择的重要性（Real 1994）。Ford（1964）在他的经典著作Ecological Genetics中，给生态遗传学下了这样的定义：生态遗传学“是将野外

4、和实验室工作结合起来的一种方法”，并指出，生态学的研究成果指示着生物体之间及其与生存环境之间的相互关系。因此，“生态遗传学也是研究野生种群对其生存环境的调整和适应”，“它支持这样一种方法，就是研究目前发生的进化的实际过程，这是唯一直接的方法”。群体遗传学是应用数学和统计学方法研究群体的遗传结构及其变化规律的遗传学分支学科，是孟德尔定律与数理统计方法相结合的产物。1908 年，Hardy 和Weinberg 分别独立发表了群体遗传平衡的文章，文章中将孟德尔定律用于随机交配的大群体，提出所谓的Hardy-Weinberg 定律，为群体遗传学的诞生奠定了第一块基石。分子生态学在有效地评价这些风险方面

5、占重要地位。目前，我们对这些遗传修饰生物体的散布和控制所知甚少，也不太了解不同种之间的相互作用。分子生态学由于能够提供明确的标记，因而会帮助我们更加精确地研究这些遗传修饰生物体在环境中的散布及其对环境产生的影响。基因与环境有着如此密切的联系，许多具有丰富分子生物学经验的学者希望能够将他们的专长用在解决基因与自然环境关系的问题上；而另外一些对生态学有兴趣的学者则希望分子技术能够帮助他们解决一些棘手的生态学问题。所以，分子生态学的产生是必然的，而且将会对科学活动产生巨大的推动作用3。Ford（1964）认为生态遗传学是一种方法，是将实验室研究和野外调查相结合的一种方法。Merrell（1981）在

6、他的著作中也持同样观点，并且强调了种群遗传学和种群生态学的结合。他指出，无论是生态遗传学、进化生物学、达尔文生态学，还是进化遗传学、种群生物学，都是遗传学和种群生态学结合方法的不同名称。名称使用上的差别，只是反映了作者们在经历和兴趣上有某种程度的不同而已。而群体遗传学就不一样了，它只是对实验结果的一种数理统计方法，很少考虑到与环境的联系。虽然群体遗传学为生态遗传学的发展提供了宝贵的理论和统计方法，并为分子生态学的诞生铺平了道路，但是只有当分子群体遗传学介入生态环境问题时，它才会成为分子生态学的一部分。生态遗传学所涉及的主要是种群生态学方面的问题，分子生态学的内容似乎更宽广一些。其实分子生态学这

7、个名词也反映了一个喜好问题，但由于一方面它强调所要解决的是生态学问题，另一方面它强调了分子手段的应用，因而得到广泛的认可。如同生态遗传学和群体遗传学一样，分子生态学也非常关注分子的进化方式，而且分子生态学能够直接在核苷酸序列的水平上揭示分子进化的理论，这是作为它的基础的那三门分支学科所不能及的。最近出版的一部有关分子生态学的著作，将分子生态学和进化放在一起讨论。二、分子生态学的概念和任务Hoelzel 认为，分子生态学是以DNA 和蛋白质的特征，研究物种的进化、演化及种群生物学。Burke 等和Smith 等分别在分子生态学的创刊号和第2 期首卷的社论中解释了分子生态学的概念，认为分子生态学是

8、分子生物学与生态学有机结合的一个很好的界面。向近敏等认为，分子生态学是研究细胞内生物活性分子特别是核酸分子与其分子环境的关系。而目前较为一致的看法是: 分子生态学是生态学的微观研究层次与领域，它利用分子生物学原理、方法和技术，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，从分子水平探讨生物与环境的关系。生态学研究的生物有机体是一个层次复杂的生命系统，个体物种在宏观水平上能够体现出生命有机体新陈代谢、自我繁殖、自我调节，变异进化等生命的基本特征，但不能表征由于所处环境的异质性而导致的不同环境中同种个体在新陈代谢、自我繁殖、自我调节、变异进化等方面的差异。事实上，任何一个个体物种都不是

9、以单一个体的形式存在于自然环境中，而是以群体物种的形式有存在于自然环境中。生态学上将同种生物在特定空间的个体集群称为种群，它既有数量特征和空间特征，又有遗传特征，即有一定的遗传组成，世代传递基因频率，通过改变基因频率来适应环境的不断变化，它是生态层次的基本结构单位，也是生态系统的基本功能单位4。 从分子生物学的角度上看，种群是指能自由交配和繁殖的一群同种个体，它在一定的时间内拥有全部基因的总和称为该种群的基因库，而携带的全部遗传信息的总和又称为该种群的基因组。结合生态学和分子生物学对种群的定义和理解，分子生态学将在分子水平上，从结构研究（分子基础和功能研究）和分子机制两方面来研究种群与环境的相

10、互作用，并将其作为自己的主流任务。三、分子生态学的研究对象和研究内容分子生态学主要涉及分子种群生物学、分子环境遗传学和分子适应3 个方面的问题，在技术上主要有用于物种鉴定的分子技术、新探针的构建以及用于种群研究的基因序列分析和引物设计以及探讨基因工程产物的环境适应性和投放环境后所引起的物种与环境互作、物种之间互作、种内竞争等方面的生态效应等重要领域。目前分子生态学研究的主要内容包括分子群体生物学、分子环境遗传学和分子适应等。实际上分子生态学不是简单的分子技术在生态学问题中的应用，其研究内容还远不止于此。分子生态学的深入发展依赖分子标记和检测技术的重大突破，客观地说，分子生态学还是一门十分年轻的

11、学科，它没有公认的学科创始人和标识性的学术论著，其发展主要通过跟踪精确的分子标记技术和分子检测技术来准确地鉴别生物大分子结构与功能的差异，借此来揭示生物与环境相互作用的分子机制，这是分子生物学最显著的学科特征。分子生态学研究始终依赖和跟踪分子标记技术和分子检测技术。分子标记技术包括限制性片断长度多态（RFLP）、单核苷酸多态（SNP）、扩增片段长度多态性（AFLP）、随机扩增DNA多态性（RAPD）、可变的串连重复多态（VNTRP）和PCR技术；分子检测技术包括DNA（或RNA）序列分析、片段分析、（长度分析），单链构象多态性（SSCP）、变性梯度（DGGE），温度梯度凝胶电泳（TGGE）、变

12、性高效液相色谱（DHPLC）。Weber通过PCR扩增和直接的序列测定发现了一类特殊的VNTR，其串连重复的核心单元仅由2个碱基组成，称为微卫星，它与等位酶和RFLP一样是很好的共显性标记物。随着基因组测序计划的开展以及更多的蛋白质序列和结构的测定，微卫星可以揭示出更高水平的多态性5。四、分子生态学的研究现状自从 1992 年Molecular Ecology问世以来，其上刊登了许多优秀的有关分子生态学研究的论文。Hoelze编著的种群的分子遗传学分析：实践方法一书中，总结了能够有效地用于种群生物学研究的、许多可行的分子生物学技术方法。Crawford 和Hewitt（1992）编著出版了Ge

13、nes inEcology，书中论述了基因和生态学有机结合的理论与实践。该书在 1994 年重新印刷出版。在这里值得一提的是Schierwater 等编著的分子生态学与进化：方法和应用。该书从分子的角度描述了应用于生态学、进化、种群生物学、分子系统学、保护遗传学中的一些分子生物学方法的理论和技术及其进展。中国出版的分子生态学著作则对分子生态学概念另有见地。虽然分子生态学这个名词出现很晚，但国际上已经成立了一些研究机构专门从事分子生态学、的研究工作。比如，英国Durham 大学生物科学系的ARHoelzel 领导的分子生态学研究小组就非常活跃。他们实验室的研究工作是对群体遗传学和系统发育、免疫基

14、因进化以及各种不同生活史和行为对策在群体遗传结构进化中的作用进行研究，研究对象包括动植物的自然种群。德国的马克斯-普朗克化学生态学研究所专门成立了分子生态学研究室，并准备在2001 年扩大规模。在国内，分子生态学也受到越来越多的重视，湖北医科大学成立了分子生态学研究室。1996 年10 月，中国植物学会青年工作委员会与东北林业大学森林植物生态学开放研究实验室共同举办了首届全国植物分子生态学学术研讨会，与会专家一致认为，应用分子生物学的研究方法与技术手段，如同工酶、RFLP、PCR、RAPD、DNA 序列测定等技术来揭示植物个体、种群在生物大分子水平上的异同，是分子生态学现阶段的主要研究方法6五

15、、国际分子生态学研究进展Burke 等（1994）评述了许多检测分子变异的技术手段及其在分子生态学中的应用。这些分子手段包括DNA 杂交，限制性片段分析，DNA 指纹分析，多位点指纹和单位点指纹以及可变数量的衔接重复（VNTR），PCR，DNA 测序和随机扩增多态性DNA 等。生态学应用包括性别鉴定（用分子标记去鉴别特殊的性染色体的序列特征）、交配制度（近缘家族关系的分析）、种群结构（种群在空间和时间尺度上的变异）、迁移和基因流以及渐渗现象与杂交带的研究，既可以用物种特异性探针来鉴定物种，用分子标记来研究物种或种群之间的系统发育关系，也可以用分子工具来揭示出微生物群体中从未检测出的多种性。本文

16、所综述的生态学应用主要集中于动物和微生物种群的研究。分子标记在植物种群的研究中也有很多实例。Bachmann（1994）阐述了这些实例及其限制。这些应用主要包括：形态学鉴定困难时，帮助作菌根、生物体和基因型的鉴别；在无性繁殖的种类中鉴别无性系；确定无性种群中遗传变异是来自无性系内还是不同无性系的突变；重建无性系和自交生物体的基因型进化和果实分布，通过后代排除法分析测度异交的程度；辨别和分析在杂交带中与不同适应反应有关的基因渐渗和重组基因型特征：追溯生态学上不同的小种或种的进化起源以及进化程度；分离负责特殊适应的基因，绘基因图，并研究遗传基础的特征。Schierwater 等（1994）编著的分

17、子生态学与进化：方法和应用既包括了动物种群，又包括了植物种群的研究。但是由于植物种群的研究滞后于动物种群的研究，加上编著者受本身的专业背景所限，该著作中植物种群的分子生态学与进化研究只占一小部分。书中Smith和Williams（1994）论述了随机扩增的指纹分在植物繁育、分类和系统发育中的应用。Caetano-Anollés 和 Gresshoff（1994）则专门介绍了 DNA放大指纹（DAF）在植物种群生物学分类和分子系统学、繁育、基因鉴定以及植物系统发育分析中的应用。Weising 等（1994）综述了多位点DNA 指纹在一系列植物物种亲缘关系分析中的应用，并概括了它们根据指

18、纹分析对两个栽培种（香蕉和番茄）各自种内的遗传关系的研究结果，然后讨论了多位点DNA 指纹在确定遗传亲缘关系上的局限和潜力。从专辑所刊登的文章来看，目前的研究集中在转基因作物及其野生亲缘种杂交所造成的转基因逃逸的问题，以及转基因作物释放对群落，尤其是对土壤中生物多样性影响的问题上。由于转基因花粉的逃逸是不可避免的，所以风险分析的焦点应集中在转基因植物的入侵和减轻它们对自然界和农业生态系统的影响上。可以用简单的模型来评价转基因花粉的牵制策略。虽然一些改进的物理隔离形成完全的牵制是可能的，但是Kareiva 等（1994）同时指出，阻止花粉逃逸的最精确的手段是生殖不育性。不育品种是较为常见的，并且

19、发展更多的不育型来满足完全花粉牵制的需要是没有技术障碍的。除了花粉逃逸外，转入作物的基因可以通过种子库在时空上逃逸，作物与野生种的杂种可能具备适合存留的种子库，这样又方便了杂种与野生亲缘种的重复回交，使得转基因进入野生种的遗传背景。一些转基因将会对植物产生新的效应，并需要特殊的评价研究来确定它们对杂种的影响。一旦一个杂种形成了，它必然也会产生一系列的影响。这些影响依赖于转基因的性质和它在新的遗传背景下的表达。Dale 同时讨论了抗除草剂、抗虫、耐盐和抗逆性以及植物营养成分的转基因后果，指出它们可能产生的负面效果。六、分子生态学的发展趋势及展望分子生态学才刚刚兴起十几年，但发展很快。可以预计，随

20、着各种检测DNA 多样性方法的发明和广泛使用，分子生态学将成为生态学的一个重要研究领域，其研究范围将越来越广泛，研究内容也越来越丰富，阐明问题也越来越深入，各种生物种群的遗传结构将得到进一步阐明。通过适应性基因的克隆及其分子分析可以揭示适应的起源并建立一个统一的进化理论，更重要的是分子生态学从功能上阐明生态学过程的分子机理。当然，分子生态学也仅仅是一种新的技术手段，只有将它与传统生态学、种群统计、生理学、环境学等学科和方法结合起来，将分子信息与生态的、统计的、生理的野外数据结合起来，才能最终理解种群的结构与动态、物种不同形态及生理特征的实际意义，才能理解物种或种群的进化规律。在生态学中应用分子

21、生物学方法有助于深入了解很多生态学过程，特别是生态系统的结构与功能。生态学在分子生物学的全面渗透下，将进入一个全新的发展阶段，即分子生态学时期。分子生态学的产生无疑为生态学和分子生物学的研究注入了活力和拓宽了视野。在现阶段，分子生态学研究的焦点应该是分子变异与其环境间的关系。长期以来，生态学似乎形成了这样一个观点，生物适应环境、自然选择生物，作为其基础的分子变异也应该与适应和选择有关7。当然，这种观点是有一定道理的，但是，越来越多的证据表明，大部分的基因突变是中性的（Kimura 1983）。魏伟（1997）对毛乌素沙地柠条群体分子生态学的研究结果也支持了Kimura的中性学说，即在5 个生境

22、上生长的柠条群体的I53 个RAPD 多态位点中，没有任何一个位点是生境特异的。在王洪新等（1997）对野大豆群体盐适应的研究中得出，虽然所有个体在基因型上都有唯一性，但没发现与适应有关的同工酶位点和RAPD 位点。这样一来，就为分子生态学的研究提出了难题。生态学的目的是研究生物如何适应环境的，但分子生态学的研究结果却是DNA序列的突变大部分是中性意义上的，很难发现与适应相关的DNA 序列变异。分子生态学似乎使得生物与环境间的关系更加复杂，这不能不引起人们对分子变异和环境关系以及分子进化理论的思考。长期以来，人们认为每一种生物学性状都可以由自然选择根据适应进化加以解释。中性学说对自然选择理论提

23、出了严峻的挑战，但是Kimura（1983）认为，中性学说同达尔文选择指导形状和功能的观点并不对立，这个学说只是强调突变压力和随机漂变在分子水平上的更为巨大的作用。也就是说，中性学说并没有否定自然选择，只是对自然选择在自然群体改变和保持基因频率中所起的作用的正确理解。自然选择是在表型而不是直接在基因型的基础上通过个体的生存和生殖而起作用的。自然选择首先作用于表型，其次通过对表型的效应作用于基因型。许多分子水平上的种内遗传变异性是选择中性或近中性的，并由突变输人、随机灭绝或等位基因固定之间的平衡而保持在物种中。分子变异在时间和空间上的分布不只受到环境的影响，繁育系统、生活习性也会影响分子变异的时空分布。Hamrick（1990）认为，根据同工酶数据检测的植物中，自交种的群体间的变异占总变异的51，而风媒异花授粉种的群体间变异占总变异的10，即对于风媒异花授粉的树木来讲，大部分变异存在于群体之内。群体间存在的基因流在受强大选择的压力或地理隔离的群体或物种中的作用很小；而在经受选择压力较小或其群体与物种迁移能力持续相关的物种中，基因流将会在形成遗传变异分布的过程中起重要作用（Hamrick 1987）。根据周永刚（1997）的研究结果，随着