第五章 群体遗传学基础

第五章群体遗传学基础群体遗传学(populationgenetics):研究群体的遗传结构及其变化规律的遗传学分支学科以群体为基本研究单位以基因频率和基因型频率描述群体遗传结构采用数学和统计方法进行研究研究群体遗传结构变化的规律、原因以及在生物进化与新物种形成中的作用2/4/20231第一节

基因频率和基因型频率2/4/20232一、概念群体(population)：同类生物群的所有个体的总和

个体(individual)：群体中的成员孟德尔群体(Mendelianpopulation)：特定地域内一群能相互交配繁殖后代的个体所组成的群体称为~。它可能是一个品系、品种、变种、亚种、甚至一个物种所有个体的总和,具有共同基因库基因库(genepool)：一个孟德尔群体中所有个体的全部基因。个体的基因型只代表基因库的一小部分2/4/20233基因频率(genefrequency)：群体中某一等位基因(allele)占其同一基因座位(locus)全部等位基因的比率

A%=-------=p

a%=-------=qp+q=?基因型频率(genotypefrequency)：群体中某一基因型个体占群体总数的比率

AA%=------------aA+a

AAAA+Aa+aa1同一座位所有基因频率之和等于1同一座位所有基因型频率之和等于1二、基因频率和基因型频率AA+a2/4/20234在一个二倍体种群中，某个基因座上的一对等位基因A和a，频率分别为p和q，３种基因型AA、Aa和aa的频率分别为D、H和R，群体大小为N，AA个体数为n1，Aa个体数为n2，aa个体数为n3，则：常染色体2/4/20235举例

安达鲁西鸡中有黑、白、兰三色，黑与白为共显性，杂交后F1为兰色。现设A1A1为黑羽，A1A2为兰羽，A2A2为白羽，在一个1000只鸡的混合群体中，有黑羽鸡500只，兰羽鸡200只，白羽鸡300只。试计算该鸡群的三种基因型的频率和2种基因的频率三种基因型频率：A1A1:A1A2:A2A2:

两种基因频率：A1:A2:2/4/20236对性染色体同型染色体个体(XX,ZZ)来说，与常染体相同对性染色体异型个体(XY,ZW)来说，基因频率等于基因型频率性染色体2/4/20237性染色体：家畜雌雄A1A1A1A2A2A2A1A2频率PHQRS2/4/20238第二节哈代-温伯格定律英国数学家Hardy和德国医生Weinberg经过各自独立的研究，于1908年分别发表了“基因平衡定律”的论文，后人为了纪念他们就将此定律称为Hardy-Weinberg定律2/4/20239一、平衡群体平衡群体(equilibriumpopulation):基因库中的等位基因频率不随世代变化而改变Hardy-Weinberg平衡的5个条件适应性一致大群体随机交配无迁入与迁出突变处于平衡状态随机交配(randommating):指在一个有性繁殖的生物群中，一种性别的任何一个个体与其相反性别的个体交配的机会均等，即任何一对雌雄个体的结合都是随机的，不受任何其它因素的影响，这种交配方式称为随机交配2/4/202310二、Hardy-Weinberglaw(141页)在随机交配的大群体中，若无其它因素的影响，基因频率世代不变任何一个大群体，无论其基因频率如何，只要经过一个世代的随机交配，一对常染色体基因型频率就达到平衡；若没有其它因素的影响，一直进行随机交配，这种平衡状态始终不变平衡群体中，基因型频率和基因频率的关系为：2/4/202311Hardy-Weinberglaw证明方法：数学归纳法假定基因型已知假定基因频率已知2/4/202312亲代随机交配结果

♂基因型

AA(D0)Aa(H0)aa(R0)AAAA×AAAA×AaAA×aa

♀基因型(D0)(D02)(D0H0)(D0R0)AaAa×AAAa×AaAa×aa(H0)(D0H0)(H02)(H0R0)aaaa×AAaa×Aaaa×aa(R0)(D0R0)(H0R0)(R02)

1.定律证明2/4/202313

一世代基因型及其频率后代AAAa

aa婚配类型频率AA×AAD02D02

AA×Aa2D0H0D0H0

D0H0AA×aa2D0R0

2D0R0

Aa×AaH021/4H022/4H021/4H02Aa×aa2H0R0

H0R0

H0R0aa×aaR02R02D1=(D0+1/2H0)2=p02

H1=2(D0+1/2H0)(R0+1/2H0)=2p0q0R1=(R0+1/2H0)2=q02

2/4/202314一世代随机交配结果

♂基因型

AA(p02)Aa(2p0q0)aa(q02)AAAA×AAAA×AaAA×aa

♀基因型(p02)(p04)(2p03q0)(p02q02)AaAa×AAAa×AaAa×aa(2p0q0)(2p03q0)(4p02q02)(2p0q03)aaaa×AAaa×Aaaa×aa(q02)(p02q02)(2p0q03)(q04)

2/4/202315二世代基因型及其频率后代AAAa

aa婚配类型频率AA×AAp04

p04AA×Aa4p03q02p03q0

2p03q0AA×aa2p02q022p02q02Aa×Aa4p02q02p02q022p02q02p02q02Aa×aa4p0q032p0q032p0q03aa×aaq04q04D2=p04+2p03q0+p02q02=p02（p02+2p0q0+q02）=p02（p0+q0）2=p02

H2=2p03q0+2p02q02+2p02q02+2p0q03=2p0q0（p02+2p0q0+q02）=2p0q0（p0+q0）2=2p0q0R2=p02q02+2p0q03+q04=q02（p02+2p0q0+q02）=q02（p0+q0）2=q02

p1=D1+1/2H1=p02+1/2(2p0q0)=p02+p0q0=p0(p0+q0)=p0q1=q02/4/2023162.定律证明假设在常染色体的某一基因座位上有两个等位基因A和aF0

基因型基因

AAAa

aaAa频率D0H0R0p0q0若该世代随机交配，则♀♂A(p0)a(q0)A(p0)AA(p02)Aa(p0q0)a(q0)Aa(p0q0)aa(q02)F1中AAD1=p02AaH1=2p0q0aaR1=q02F1产生的配子A：p1=D1+H1/2=p0a：q1=H1/2+R1=q0F2…F3…2/4/202317假定有一对等位基因A和a，A的频率为p，a的频率为q，则：

p+q=1(p+q)2=1p2+2pq+q2=1↓↓↓AAAa

aa

因此，当AA：Aa：aa=p2：2pq：q2时，这样的群体处于平衡状态。2/4/202318处于遗传不平衡的群体只需随机杂交一代后，即可达到遗传平衡。例如：一个数目为100的群体中，AA有60，aa有20，Aa有20，则：

AA=60/100=0.6Aa=20/100=0.2AA：Aa：aa=0.6：0.2：0.2=3：1：1

aa=20/100=0.2

A=AA+1/2Aa=0.7a=aa+1/2Aa=0.3p2=0.492pq=0.42q2=0.09AA：Aa：aa≠p2：2pq：q22/4/202319遗传不平衡群体在随机杂交条件下：

基因频率保持不变

A=0.7a=0.3

基因型频率精子A（0.7）a（0.3）A（0.7）AA（0.49）Aa（0.21）

a（0.3）Aa（0.21）aa（0.09）卵子AA=0.49Aa=0.42aa=0.09AA：Aa：aa=p2：2pq：q22/4/202320例如：下列那个群体符合遗传平衡群体？请说明理由

1.AA0Aa60%aa40%2.AA60%Aa0aa40%3.AA36%Aa48%aa16%4.AA64%Aa20%aa16%2/4/202321三、基因频率的计算由表现型推测基因型频率，根据基因型频率计算基因频率已知基因型频率，基因频率的计算等显性时，无论平衡群体还是非平衡群体都能够计算完全显性时，必须是平衡群体，才能够计算，因为无法确定纯合显性和杂合子伴性遗传时，注意区分是性染色体还是常染色体复等位基因时的计算与只有2个等位基因时方法相同2/4/202322

MN血型在747人的人群中，MM有233人，MN有385人，NN有129人基因型频率MM=233/747=0.312MM,MN,NN0.3120.5150.173

基因频率

p=M=MM+MN/2=0.57q=N=NN+MN/2=0.43

☆以MN血型（共显性）为例:基因型频率→基因频率1.共显性时

2/4/2023232.完全显性时AA和Aa的表型一致，通过R=q2计算2/4/202324

通过AR病群体发病率计算等位基因频率和各种基因型频率。例如：已知白化病的发病率为1/10000，求白化病致病基因频率q和携带者频率。白化病为AR遗传病，患者为致病基因的纯合子，因此：发病率=q2=1/10000q=1/100p=1－q=99/100

携带者频率=2pq=2×1/100×99/100=0.01982/4/2023253.复等位基因某一基因的频率是该基因纯合体的频率加上含有该基因全部杂和体频率的1/2（1）等显性的复等位基因2/4/202326求出等位基因A,B,C的频率2/4/202327（2）等显性及有显性等级的复等位基因2/4/202328一个群体中个体的血型比例是：血型ABOAB

比例0.320.150.490.04计算各等位基因的频率2/4/202329（3）显隐性等级的复等位基因如兔的毛色遗传C>Ch>c灰色“八黑”(H)白化(A)CCCChCcChCh

ChcccP22pq2prq22qrr2A=r2q=1-p-r2/4/202330（4）具有从性遗传的复等位基因频率的计算绵羊的有角无角遗传P无角P`有角p公羊有角，母羊无角P>P`>pP,P`,p频率分别为p,q,r,有角公羊占所有公羊的比率为T,有角母羊占所有母羊的比率为J

♂基因型

P(p)P`(q)p(r)PPPPP`Pp♀基因型(p)(p2)(pq)(pr)P`PP`P`P`P`p

(q)(pq)(q2)(qr)pPpP`ppp(r)(pr)(qr)(r2)

2/4/202331T=q2+2qr+r2=(1-p)2J=q2+2qr=T-r2q=1-p-r2/4/202332第三节影响群体遗传平衡的因素

条件影响因素（1）在一个很大的群体遗传漂变（2）随机交配非随机交配（3）没有自然选择选择（4）没有突变发生突变（5）没有大规模迁移迁移和基因流2/4/202333一、迁移(migration)个体从一个群体迁入另一个群体或从一个群体迁出，然后参与交配繁殖，导致群体间的基因流动产生原因：混群、杂交、引种2/4/202334基因频率的计算：混合群体当代的基因频率为；两个群体基因频率的加权平均A′=(A1N1+A2N2)/(N1+N2)混合群体杂交下一代的基因频率为两亲本群体基因频率的简单均数p=(p1♂+p2♀)/2；2/4/202335如果知道混合群体中迁入者比例，则迁入后该群基因频率：q=mqm+(1-m)q0=m(qm-q0)+q0式中，m：迁移率；1-m：原有个体比率；qm：迁入个体基因频率；q0：原有个体基因频率；q：混合群体基因频率。△q=q-q0=m(qm-q0)即频率的改变取决于迁移率m和两个群体中该基因频率差异的大小2/4/202336二、突变(mutation)1.突变的作用⑴形成新的等位基因,为自然选择提供原始材料⑵突变能够直接导致群体基因频率改变，当A→a时，A的频率减少，a则增加⑶突变可保存隐性基因2/4/2023372.正、反突变对基因频率的影响

aAuv当up>vqa的基因频率增加

up<vqA的基因频率增加

up=vqA和a的基因频率保持不变，群体处于遗传平衡当u=v时，则p和q的平衡值是0.5当u=2v时，则q的平衡值是2/3，即q=2/3时，基因频率保持不变在没有其他因素干扰时，平衡群体的基因频率由正反突变频率的大小决定突变：平衡时的频率2/4/202338突变n代后的基因频率qn：等比数列2/4/202339突变率u、v一定时，由q0变为qn所需代数n为：

当u、v、q0、qm已知时，代入上式即可算出n例：u=0.00003，v=0.00002，q0=0.1，qn=0.2解：q=u/(u+v)=0.6n=4463(代)可见突变对生物基因频率的影响很小但惟有突变，才是生物进化的源泉2/4/202340三、选择选择(selection)：决定群体中不同基因型个体相对比例的过程在选择中，某个基因型个体存活和把其基因传递给后代的相对能力用下一代后代的比率来度量，称为适合度(fitness)，即留种率，w某基因型个体淘汰数占总数的比率，称淘汰率，或选择系数，s，显然w=1-s2/4/2023411.全部淘汰显性个体即淘汰AA、Aa型个体，保留aa型个体，在外显为100%的情况下，经一代淘汰，群体就纯化，p=0，q=12/4/2023422.全部淘汰隐性个体基因型AAAaaa合计初始群基因型频率1适合度１10选择后频率02/4/202343经一代淘汰后：经二代淘汰后：2/4/202344经n代淘汰后：基因频率下降到一定程度所需世代数：2/4/202345例：某猪群有白猪和黑猪，白对黑为显性，已知黑色基因频率为0.4。若把黑猪全部淘汰，下一代黑色基因频率是多少？黑猪多少？要使黑色基因频率下降到0.01

，逐代全部淘汰黑猪，需多少代？解：已知q0=0.4，qn=0.01，求q1，R1，nq1=q0/(1+q0)=0.4/(1+0.4)=0.286R1=q12=0.2862=0.0818N=1/qn-1/q0=1/0.01-1/0.4=97.5(代)这时Rn=qn2=0.012=0.0001，连续淘汰黑猪98代，1万头猪中还会有1头黑猪，说明彻底从群体中淘汰消除隐性基因不是容易的2/4/2023463.隐性个体的不完全选择基因型AAAaaa合计初始群体1适合度１１１－s选择后2/4/202347下一世代的基因频率一般公式q的一代变化率每代基因a的变化为负值，即基因a的频率越来越少但淘汰是缓慢的，因为从Aa中还可以产生aa个体2/4/202348当s=0.01或者更小时，分母接近１，有使基因频率减少到qn所需要的代数2/4/2023494.测交选择显性纯合子公畜精子卵子A(1)A(p0)AA(p0)a(q0)Aa(q0)每世代都对公畜进行测交，对母畜不作选择2/4/202350下一代的基因型频率：D1=p0,H1=q0,R1=0下一代的基因频率：q1=H1/2=q0/2,q2=H2/2=q0/22qn=q0/2n

nlg2=lg(q0/qn)n=(lgq0-lgqn)/lg22/4/2023515.淘汰部分显性，随机交配基因型AAAaaa合计初始p22pqq21适合度1-s1-s1选择后p2(1-s)2pq(1-s)q21-s(1-q2)选择后下一代的隐性基因频率2/4/2023526.突变和选择两者的平衡状态突变：对隐性个体做不完全选择时：aAuv当突变与选择的变化量相等时：

v=0当q很小时：2/4/202353群体达到新的平衡，则：

这时，平衡时的基因频率由选择系数和突变率决定，与原来的基因频率无关利用，可估计基因自发突变的频率，人类许多基因的自然突变率就是根据此公式估计的

2/4/202354四、遗传漂变(geneticdrift)遗传漂变：由于抽样误差基因频率的随机波动遗传漂变在任何群体中都存在，但在小群体其效应最明显遗传漂变没有确定的方向，世代群体间基因频率变化是随机的随机误差产生的原因：•繁殖个体的随机选留•基因在配子中的随机分离•基因在合子中的随机重组2/4/202355可见，同样方法抽样，结果却不同，群体越小，基因频率变化越大，变化范围0～1，当p=1，q=0或p=0，q=1时，漂变不再发生遗传漂变的方向是不定的，趋势是频率高的基因易向高频率漂变，频率低的基因向高频率漂变的概率很小，易消失例：某猪群闭肛基因频率q=0.001，正常基因p=0.999D=p2=0.998H=2pq=0.001998R=q2=0.000001从该群中抽出2个个体（雌雄各1），组成新群体基因频率变化抽样两个抽样概率新群体基因频率AAAAD2=0.996p=1q=0Aa

AaH2=0.00004p=0.5q=0.5AAAaD×H=0.001994p=0.75q=0.252/4/202356随着抽样群体增大，漂变趋于缓和，故群体越大，越难纯化遗传漂变由引种、留种、分群、建系、近交、传染病死亡引起生物许多中性性状（如血型）或不利性状的存在不能用自然选择来解释，可能是遗传漂变的结果2/4/202357五、随机交配的偏移

非随机交配包括选型交配(选同交配、选异交配)和近亲交配同型交配：相同基因型异型交配：不同基因型同质交配：相同或相似表型异质交配：表型差异较大2/4/202358世代自交代数基因型及比例杂合体比例纯合体比例F101Aa10F211/4AA，2/4Aa，1/4aa1/21/2F321/4AA，2/16AA，4/16Aa，2/16aa，1/4aa1/43/4F436/16AA，4/64AA，8/64Aa，4/64aa，6/16aa1/87/8..........Frr-1(1/2)r-11-(1/2)r-1Fr+1r(1/2)r1-(1/2)r2/4/202359同型交配：纯合子：基因型和基因频率都不变杂合子：基因频率不变，基因型频率改变；每一世代杂合子频率减少一半同质交配：实际上是不完全的同型交配异型交配：增加杂合子频率；不改变基因频率非随机交配只改变群体的基因型频率，而不影响基因频率2/4/202360广义:种内、种间在分子、细胞、个体三个水平的遗传变异程度狭义:种内不同群体和个体间的遗传变异程度遗传多态现象(geneticpolymorphism)是指同一交配繁殖群体中存在两种或两种以上遗传变异的类型,等位基因频率至少为0.01，并且频率最低的类型并不依靠重复突变维持多态性:生态学中指某一特定生态单位物种的数量第四节遗传多样性(GeneticDiversity)2/4/202361蛋白质多态性

氨基酸替代改变蛋白质的净电荷，电泳时蛋白质泳动速度不同酶多态性酶多态性表现为许多酶存在同工酶的现象抗原多态性红细胞抗原系统和白细胞抗原2/4/202362一、遗传多样性的重要意义进化和适应的基础越丰富，越有利对环境的适应，进化潜力越大对于人类有直接的经济意义育种的素材；高产、抗逆和产品品质的提高2/4/202363二、我国动物遗传多样性的特点遗传多样性十分丰富具有在繁殖、抗逆、肉质、早熟性等方面的优良特性许多畜禽地方品种由于严酷竞争逐步减少甚至濒临灭绝，数千年历史积累起来的丰富多彩的畜禽遗传多样性面临着迅速缩小的危险采取细胞遗传，生化遗传和分子遗传学多种措施对我国家养动物遗传资源进行评估、保护和利用，不仅是我国动物遗传育种的需要，也是我们对世界动物遗传资源保护应尽的责任2/4/202364三、保护遗传学的理论基础

保护遗传学（ConservationGenetics）是运用遗传学的原理和研究手段，以生物多样性尤其是遗传多样性的研究和保护为核心内容的学科2/4/2023651.隔离、基因交流和遗传分化隔离(isolation)：由于细胞上、解剖上、生理上、行为上，或者生态上的差异，或者地理上的障碍，使两个或者多个有关的种群或者物种不能成功交配地理隔离(geographicisolation)是由于某些地理的阻碍而形成的隔离生态隔离(ecological~)是指由于所要求的食物、环境或其它生态条件的差异而发生的隔离生殖隔离(reproduction~)是指不能杂交或杂交不育而言作用：物种或特定类群的形成;群体灭绝或退化2/4/202366基因流动(geneflow)群体是生物生存和进化的单位，个体基因库只有在群体中才能交流进化由于迁移而造成同一物种不同群体的基因交换，通常会导致受体群基因库许多座位基因频率发生变化例如：B型血等位基因起源于亚洲，逐渐向西流动，因此B型血的等位基因在亚洲频率高，跨越欧洲逐步降低2/4/202367遗传分化

(geneticdifference,geneticdivergence)由于各种进化力量的作用，如选择，遗传漂变，基因流动，同型交配等，使处于隔离或半隔离群体间基因频率的差异累积增长2/4/202368隔离在生物进化尤其是新物种的形成过程中占有重要的地位由于较长时期的地理隔离或生态隔离，不同亚种间不能相互杂交，使遗传的分化得到进一步的发展，而过渡到生殖隔离。这时，不同类群就发展到彼此不能杂交，或杂交后不能产生生育的后代，首先形成不同亚种，最后形成不同物种原则上讲，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2/4/202369没有隔离就没有物种的分化，就没有生物界的进化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，就不能形成新种种的形成就是隔离机制的形成2/4/2023702.灭绝、生存及遗传多样性灭绝是生物进化的自然现象，是自然选择的结果，物种灭绝的原因⑴遗传漂变⑵群体社会机能障碍⑶遗传上的衰退遗传多样性对物种的适应性和长期生存都是必要的，遗传多样性的贫乏可能是造成稀有物种濒危的重要原因，一个稳定平衡群体遗传多样性水平计算

式中，H：遗传多样性指数，N：有效群体大小，u：自然突变的概率2/4/2023713.始祖效应、瓶颈效应及近亲繁殖

始祖效应(foundereffect)：当从一个大群体中随机选取少数动物（始祖）以建立一个独立群体时，始祖只包括了亲本群体部分遗传多样性始祖的基因决定今后群体的遗传特性和遗传结构，始祖对陌生环境的适应潜力和种群年龄结构将决定群体结构对建群事件的反应。因为进化压力不同，导致亲本群和新产生群体基因库的进化途径不同2/4/202372瓶颈效应(bottleneckeffect)：由于遗传漂变的作用，当一个大群体的群体大小变小和增大，则基因频率会发生波动(通常是变异下降)近交(inbreeding)：有亲缘关系个体间的交配2/4/202373始祖效应、瓶颈效应及近亲繁殖是联系在一起的始祖数量很少、瓶颈效应（大群变成小群）使近亲交配概率加大，使遗传多样性匮乏，影响到群体存亡研究指出：要避免近交效应，群体有效含量应大于50～100个体；在数量上保持遗传多样性，群体个数应有几百个；在质量上保持遗传多样性，群体个数应更大2/4/202374四、遗传多样性的保护和保存1.方法原地保护（国家公园、自然保护区和禁猎区）、迁地保护（稀有畜禽保护中心、之后重返大自然）、生物技术在畜禽遗传多样性保护中的应用（利用分子标记评估；利用精液、胚胎保种的应用）2/4/2023752.策略保护、改良相结合，有选择地保护确定保种目标，尽量使保护与改进相结合，改中有保发掘、保护、评估和利用相结合不断发掘新的品种和新的特异性状，而新的特异性状有赖于对新品种的深入评估2/4/202376系统保种、目标保种相结合系统保种指利用系统论的方法进行保种。以每种家畜的全部遗传资源作为一个系统，利用系统论的方法对全国遗传资源作为整体规划，打破品种的界限。每个品种分担保护3-5个保种性状2/4/202377一、进化理论的发展1.拉马克理论：“用进废退，获得性遗传”。生物是由简单到复杂，由低等到高等2.达尔文理论：“物竞天择、适者生存”的自然选择假说新达尔文主义：物种在不断演变，他们都起始于共同的祖先；突变是变异的源泉，自然选择是新物种形成的主要外因条件，并在决定群体的遗传构成以及基因替换过程中起决定性作用第五节分子进化2/4/202378如果从一个物种的整个基因组平均来看，DNA中核苷酸替代的速率是一个常数;物种间蛋白质氨基酸序列的相似性与物种分化时间呈线性相关，蛋白质或DNA序列的突变以恒定的速率发生和积累通过比较不同物种同源蛋白质氨基酸或DNA序列的差异，来推测分子变异的代换速率，进而确定物种发生进化分歧的时间，估计它们在进化树中的分支点为建立分子进化树的基础有争议3.分子钟理论2/4/2023794.中性突变1968年由日本人木村资生提出，全称是“中性突变漂移假说”分子水平研究发现生物基因组中存在中性基因变异：不同等位基因间碱基序列存在差异，但无表型选择作用中性基因可能有以下几种情况：氨基酸序列改变、性状变异，但无选择意义(中性性状)氨基酸序列改变，但蛋白质功能不发生改变(中性突变)氨基酸序列不改变(同义突变)2/4/202380中性学说认为：中性基因在种内的积累不是由于自然选择，而是由于遗传漂变导致的偶然固定决定分子进化的主导因素是那些对生物生存既无利、又无害的“中性”基因生物物种间(中性基因)在分子水平上的进化速率是一致的2/4/202381该学说有两点已得到认同遗传漂变对分子进化的作用不容忽视阐明了分子进化和遗传多态性只是同一现象的两个不同侧面，从而使分子生物学与群体遗传学进一步结合2/4/202382二、分子进化蛋白质中氨基酸序列的变化是遗传变