群体遗传学与进化论

关于群体遗传学与进化论第1页，共115页，2023年，2月20日，星期五

生物的存在及进化是以群体为单位。群体遗传学是研究一群个体的遗传规律。它涉及群体中的遗传变异方式及这些方式怎样发生改变或进化的。群体遗传学研究的对象不再是细胞或个体，而是孟德尔式群体（Mendelianpopulation）。第2页，共115页，2023年，2月20日，星期五孟德尔群体是由一群可交配繁殖的个体组成，这些个体具有共同基因库（genepool）中某些套基因。基因库是由孟德尔群体中的各个体的基因的总和。第3页，共115页，2023年，2月20日，星期五群体遗传学需要研究是基因在群体中的行为。它涉及到对环境的研究，也涉及到进化机制的研究。进化虽可以从很多不同的角度，用各种不同的方法加以研究，但归根结蒂，它就是一个基因频率变动的过程。所以群体遗传学的中心任务就是研究基因频率变化的动力学。

第4页，共115页，2023年，2月20日，星期五群体遗传的理论基础是建立在遗传学和进化论上。在三十年代由三位杰出的学者在以上基础上建立群体遗传学，

R.A.Fisher（1928年出版了《自然选择的遗传学理论》）

S.Wright(1931年在Genetics刊物发表了著名论文《在孟德尔式群体中的进化》)J.B.S.Haldame

(1932年出版了《进化的原因》一书)第5页，共115页，2023年，2月20日，星期五第一节群体的遗传结构为了研究孟德尔式群体的遗传组成，群体遗传学必须首先讨论群体的基因库。群体的基因库是一群有性生殖的个体中所有基因的总和。

基因库可用基因频率和基因型频率来描述。第6页，共115页，2023年，2月20日，星期五一、群体的遗传结构

1.基因频率(genefrequency)：一个二倍体中某基因座位上，某一等位基因在该位点所有等位基因中所占的比率。

2.基因型频率(geotypefrequency)：群体中特定类型的基因型个体的数目，占个体总数目的比率。高加索人中有43%的人是红色头发，那么在这个群体中红发的频率就是43%。计算一个特定基因座的基因型频率，可以统计群体中带有一种特殊基因型的个体数。这个特定座位上各种基因型频率之和应为1。

第7页，共115页，2023年，2月20日，星期五

E.B.Ford在英国收集了497只虎蛾，统计它们的基因型分别为：BB=452，Bb=43，bb=2。它们的基因型频率分别是

P=f(BB)=452÷497=0.909H=f(BB)=43÷497=0.087Q=f(bb)=2÷497=0.004

合计：1.000第8页，共115页，2023年，2月20日，星期五

基因频率（genefrequencies）又称等位基因频率。基因频率的使用常优于基因型频率。

在有性生殖的生物中形成配子时，配子只含等位基因，而并无基因型。在代代相传的过程中只有等位基因是连续的，而基因库的进化也是通过等位基因频率的改变。首先等位基因总是比基因型少一些，这样使用基因频率基因库就可以用较少的参数来描述。若一个座位有3个等位基因，那么就要用6种基因型频率来描述基因库，若用基因频率的话用3种就可以了。第9页，共115页，2023年，2月20日，星期五假设有个群体有1000个二倍体个体，其中353个为AA，494为Aa和153为aa，每个AA型个体有2个A等位基因，而Aa杂合子中只有一个A等位基因，因此在此群体中A等位基因的数应为：

2×AA的数+Aa的数=（2×353）+494=1200。由于每个2倍体个体在此座位上有两个等位基，所以群体中等位基因的总数应是个体数的2倍，即1000×2。用这个等式来表示基因频率是1200÷2000=0.06当一个座位上存在两个等位基因时我们可用下列方式来计算基因频率：

两个等位基因的频率，一般用p、q表示。

2×个体总数第10页，共115页，2023年，2月20日，星期五设：在Ｎ个个体的群体中，在常染色体有一对等位基因Ａ、a，其可能的基因型为：AA、Aa、aa。如果群体有n1AA＋n2Aa＋n3aa个体，n1＋n2＋n3=N.

于是此3种基因型的频率为：

AA：D=n1/NAa:H=n2/Naa:R=n3/N∵D+H+R=1，D—显性；H—杂合；R—隐性.∴等位基因A的频率为p=(2n1+n2)/2N=D+H/2‥‥①

同理,等位基因a的频率q=(2n3+n2)/2N=R+H/2‥②所以p+q=1.同时公式反映出了基因频率与基因型频率的关系。例：P4621)中国汉族人群中PTC尝味能力分布。

2）MN血型在中国人中的分布第11页，共115页，2023年，2月20日，星期五第12页，共115页，2023年，2月20日，星期五TT的基因型频率＝490/1000=0.49tt的基因型频率＝90/1000=0.09Tt的基因型频率＝420/1000=0.42T的基因频率＝1400/(1000×2)＝0.07t的基因频率＝600/(1000×2)＝0.03根据公式①②P(T)=D+1/2H=0.49+1/2×0.42=0.7P(t)=R+1/2H=0.09+1/2×0.42=0.03第13页，共115页，2023年，2月20日，星期五第14页，共115页，2023年，2月20日，星期五复等位基因的基因频率假设现在在一个座位上有3个等位基因A1，，A2和A3，我们想确定这些基因的频率。我们可采用与二个等位基因相同的方法，即每种等位数除以群体中这个座位上等位基因的总数：第15页，共115页，2023年，2月20日，星期五牛奶草甲虫遗传变异的研究资料为例：WalterEanes和他的同事们测定了编码葡萄糖磷酸变位酶（PGM）这一座位上的基因频率。此座位上发现有3个等位基因，每个等位基因编码了此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：在以上计算中某等位基因纯合体乘2，杂合体不乘2，相加以后除以2倍群体中具有此座位个体数。注意分子的部分不能将各种杂合体数都加上，而只能加带有我们所计算的那个等位基因的杂合体。用以上同样的方法我们可以计算出具有更多等位基因的基因频率。第16页，共115页，2023年，2月20日，星期五不同民族中的基因频率不一致！群体中，基因频率非常重要，可作为衡量一个群体的遗传组成！第17页，共115页，2023年，2月20日，星期五X-连锁座位上的基因频率计算X-连锁座位上的基因频率是较为复杂的，因为雄性只有单个的X-连锁等位基因。但我们仍可以用计算常染色上基因频率相同的方法来计算。在雌性纯合体中带有两个相同的X-连锁等位基因，而在雌性异合体中也只有一个特定的等位基因。而在所有雄性中只有一个。第18页，共115页，2023年，2月20日，星期五新疆维、汉两民族载脂蛋白E基因多态性及其

与血脂关系的研究王新利王国荃徐臻荣肖碧玉张桂芝姜瑞中华医学遗传学杂志

1999年第2期第19页，共115页，2023年，2月20日，星期五载脂蛋白E(ApoE)是血浆中乳糜微粒(CM)、极低密度脂蛋白(VLDL)及中间密度脂蛋白(IDL)与肝脏ApoE受体或ApoB.E受体结合的连接物，在调节血脂和脂蛋白在体内代谢方面起着非常重要的作用。

ApoE是由人类第19号染色体长臂上的1个基因位点的3个常见等位基因所编码，由于具有共显性遗传的特点，人群中有6种不同的基因型，相对应的也有6种表型，3种纯合子(E2/2，E3/3，E4/4)和3种杂合子(E2/4,E2/3,E3/4)第20页，共115页，2023年，2月20日，星期五编码ApoE的3种常见等位基因的相对频率存在明显的种族差异。对新疆维族及汉族人群的ApoE基因多态性采用聚合酶连反应结合限制性片段长度多态性(PCR-RFLP)分析的方法进行了测定，并对两民族ApoE基因多态性与血脂的关系进行了对比分析。

第21页，共115页，2023年，2月20日，星期五ApoE基因型检测全部受试者采早晨空腹肘静血，ACD抗凝血0.5ml，非抗凝血3ml(用于测量血脂)。(1)取ACD抗凝血，采用蛋白酶K消化，酚、氯仿抽提，异丙醇沉淀DNA。75%乙醇漂洗2遍，DNA溶于200μlTE(pH=8.0)中。(2)引物按Emi等[4]报道设计。F4为5′-ACAGAATTCGCCCCGGCCTGCTACA-C-3′，F6为5′-TAAGCTTGGCACGGCT-GTCCAAGGA-3′。第22页，共115页，2023年，2月20日，星期五(3)DNA扩增：PCR反应体积50μl，含10×Buffer5μl，4×dNTP200μmol，引物各25pmol，基因组DNA约0.5μg及10%DMSO。首先96℃预变性10分钟，而后加入2UTaq酶(华美公司提供)，按94℃变性40秒，复性61℃40秒，延伸71℃1分钟，循环30次(DNAAmplier,BoiRadGenecyclerTM)，最后1个循环72℃延伸5分钟。PCR产物经1.5%琼脂糖凝胶电泳，紫外线透射灯下进行检测，在244bp处出现荧光带，为特异性PCR产物。PCR扩增ApoE第4外显子中的部分片段1～6是PCR产物；M是PCRmarker

第23页，共115页，2023年，2月20日，星期五(4)限制性内切酶酶切PCR产物：PCR扩增产物中加入10UHhaⅠ(Promega公司产品)，37℃酶切4小时，酶切产物直接进行聚丙烯酰胺凝胶电泳分离。凝胶浓度为8%，于200V恒压下垂直电泳3小时(电泳仪为BioRadPower/DAC3000)，0.5μg/ml溴乙啶中染色30分钟。紫外线透射灯下观察结果。纯合子E2/2在91bp和83bp出现荧光条带；E3/3在91bp和48bp出现荧光条带；E4/4在72bp和48bp出现荧光条带。杂合子E4/2出现91bp、83bp、72bp和48bp条带；E3/2出现91bp、83bp和48bp条带；E4/3出现91bp，72bp和48bp条带。HhaⅠ酶切ApoEPCR产物的实验图1～6分别代表基因型E4/4、E4/2、E4/2、E3/2、E2/2、E3/3；M为PGEM-72f(+)/Hae111DNA参数第24页，共115页，2023年，2月20日，星期五维吾尔族和汉族ApoE基因型及等位基因频率分布比较基因型分析中两民族均以E3/3型最常见，但在维吾尔族中E3/4次之，而在汉族为E3/2次之，两组比较存在统计学差异。

第25页，共115页，2023年，2月20日，星期五维吾尔族ApoE不同等位基因血脂、脂蛋白比较

汉族ApoE不同等位基因血脂、脂蛋白比较

第26页，共115页，2023年，2月20日，星期五维、汉两民族血脂检测值按ApoE不同等位基因分为ε2携带组(E2/2、E3/2)、ε3纯合组(E3/3)、ε4携带组(E4/4、E4/3)进行分析，不论维吾尔族还是汉族均以ε4携带组TC及LDL-C最高，ε3携带组居中，ε2携带组最低。

第27页，共115页，2023年，2月20日，星期五正常人群中ApoE的6种基因型分布不匀等，以E3/3发生频率最高，超过50%，含ε3的杂合子(E4/3，E3/2)居中，E2/2、E4/4和E2/4发生频率最低。因此一般认为等位基因ε3为野生型，ε2，ε4是发生在两个不同部位单一核苷酸突变的结果。近年来，世界范围内大样本群体调查发现ApoE基因型分布在欧美高加索人种以E3/3为最常见，其次为E3/4。而亚洲蒙古人种虽以E3/3为最常见，但其次为E2/3。结果显示，150名汉族ApoE基因型分布与亚洲蒙古人种相似，而163名维吾尔族ApoE基因型分布与高加索人相似，以E3/3为最常见，其次为E3/4。

民族识别与鉴定！第28页，共115页，2023年，2月20日，星期五对来自不同国家、不同人群的研究发现，在血脂正常的人群中，不同ApoE表型者的血浆TC、LDL-C水平高低依次是E4E4＞E4E3＞E3E3＞E3E2＞E2E2。这种ApoE表型影响个体间血浆TC、LDL-C的作用并不受环境和其他遗传背景的干扰。不同ApoE表型间体内血脂差异，可能与ApoE不同异构体间它们的受体结合活性及自身在体内代谢速率存在明显差异有关。ApoE表型不同对肠道的胆固醇吸收率也存在明显差异。ApoE4携带者，小肠吸收胆固醇增加。所以，ApoE4携带者采用饮食疗法治疗高脂血症获益最明显。高血脂症的防治！第29页，共115页，2023年，2月20日，星期五第二节随机交配的大群体一、随机交配1.概念：在有性生殖的生物中，一种性别的任何一个个体有同样的机会和另一性别的个体交配的方式。2.例如：一对等位基因，三种基因型AA(D)、Aa(H)、aa(R)之间的随机交配，不同交配类型及频率:(D+H+R)2=(D2+H2+R2+2DH+2DR+2HR)=1第30页，共115页，2023年，2月20日，星期五二、Hardy-Weinberg定律1908年[英]Hardy、[德]Weinberg分别独立发现。1.Hardy-Weinberg定律：又称为基因型频率的平衡定律，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，下一代基因型频率将和前一代基因型频率一样，于是这个群体被称为处于随机交配系统下的平衡中。第31页，共115页，2023年，2月20日，星期五2.分析：设常染色体上的一对等位基因A和a的频率分别为p和q，且p+q=1.随机交配的三种基因型：♀pAqa♂pAp2pqqapqq2

基因型频率：AA:D=p2;Aa:H=2pq;aa:R=q2A基因的频率＝AA的频率＋1/2Aa的频率＝p2+1/2pq=p2+pq=p(p+q)=p同理q基因的频率保持不便第32页，共115页，2023年，2月20日，星期五设没有选择、突变、迁移、漂变等影响，其各种基因型随机结合，产生的子代的基因型频率仍然为：

AA:P2=DAa:2pq=Haa:q2=R——群体基因型平衡第33页，共115页，2023年，2月20日，星期五3.举例：随机交配大群体常染色体等位基因A、a，三种基因型(原代)：

AAD00.18AaH00.04aaR0o.78

则基因频率：p0=D0+(1/2)H0=0.18+0.02=0.20q0=R0+(1/2)H0=0.02+0.78=0.80

随机交配♀0.20(A)0.80(a)♂0.20(A)0.04(AA)0.16(Aa)0.80(a)0.16(Aa)0.64(aa)

则AA:p2=0.04Aa:2pq=0.32aa:q2=0.64

子代与原代基因型频率不同。但基因频率一致：

p1=0.04+(1/2)0.32=p02+(1/2)(2p0q0)=P0

q1=0.64+(1/20.32)=q02+(1/2)(2p0q0)=q0

第34页，共115页，2023年，2月20日，星期五让子代再随机交配：随机交配♀0.20(A)0.80(a)♂0.20(A)0.04(AA)0.16(Aa)0.80(a)0.16(Aa)0.64(aa)

则AA:p2=0.04Aa:2pq=0.32aa:q2=0.64与子一代相同4.Hardy-Weinberg定律的要点：

①若没有突变、选择、迁移、漂变等的影响，群体的基因频率世代保持不变。②无论群体的起始基因型频率如何，经过一个世代的随机交配后，群体基因型的频率达到平衡。平衡群体的基因型频率的值取决于基因频率的值，即：

(pA+qa)2=p2(AA)+2pq(Aa)+q2(aa)③只要系统保持随机交配，基因型频率的值始终保持不变。第35页，共115页，2023年，2月20日，星期五二、平衡群体的一些基本性质

(1)二倍体群体中，杂合体的比例只有当p=q=1/2时达到最大；

推导：p+q=1(p+q)2=1(p2+q2-2pq)+4pq=14pq=1-(p-q)2

当p-q=0,即p=q=0.5时，2pq有最大值：2pq=1/2=0.5(2)杂合体的频率是两个纯合体频率的乘积的方根的两倍；推导：H=2p×q=2p2×q2=2D×H

或者：H2=4DR或H/D×H=2，可用于验证群体是否达到平衡。第36页，共115页，2023年，2月20日，星期五

(3)群体点在齐次坐标中的运动轨迹为一个抛物线H2=4DR;∵[D+H+R=1为定值(坐标系中等边三角形的高)]

平衡群体在齐次坐标系中为抛物线H2=4DR。第37页，共115页，2023年，2月20日，星期五程遗传［IERGDITAS（Beijing)6（3)-39-401984群体遗传学中的齐次坐标第38页，共115页，2023年，2月20日，星期五(4)平衡群体中Aa×Aa交配的频率为AA×aa交配频率的两倍。

Aa×Aa=H2=(2pq)2=2(2p2q2)=2(2DR)=2(AA×aa)(5)如果q→0则p→1而q2→0，因此：

R≈0H=2pq≈2qD≈1-2q

说明：一个群体中一个隐性基因的频率q很低，则隐性纯合体基因型的频率q2更低。

**隐性基因绝大多数处于杂合状态。

eg：尿黑酸尿症发病率q2=10-6,隐性基因频率q=10-3,群体中杂合体的频率H≈2q=2×10-3.第39页，共115页，2023年，2月20日，星期五四、平衡定律的推广1.常染色体复等位基因的平衡如果常染色体一个基因位点有3个等位基因A、a’、a

在群体中遗传，其频率分别为p,q,r且p+q+r=1。平衡时：(Aa’a)2=AAAa’Aaa’a’aa’aa

pqrp22pq2prq22qrr2

即：(p+q+r)2=p2+2pq+2pr+q2+2qr+r2

基因频率可以由基因型频率求得：

P=p2+(2pq+2pr)/2;q=q2+(2pq+2qr)/2;r=r2+(2pr+2qr)/2例如：果蝇D.willistoni的Lap-5基因的座位上有三个复等位基因“98”“100”“103”。第40页，共115页，2023年，2月20日，星期五返回第41页，共115页，2023年，2月20日，星期五如若群体中有k个复等位基因：有k个复等位基因A1,A2,…Ai,…Ak

相应的基因频率p1,p2,…pi,…pk基因频率与基因型频率的关系：

(∑piAi)2=∑pi2AiAi+2∑pipjAiAj(0<i,jk,其中i<j)其中AiAi表示纯合体，共有k种；AiAj为杂合子，有k(k-1)/2种。i=1k第42页，共115页，2023年，2月20日，星期五例子：人类的ABO血型。说明平衡群体中3个复等位基因IAIBi基因频率的计算和平衡的检验。设复等位基因IAIBi的频率分别为p、q、r。平衡群体中其表表型、基因型及其频率有：基因频率：ir=√OIBq=1-(p+r)=1-√(p2+2pr+r2)=1-√A+OIAp=1-(q+r)=1-√(q2+2qr+r2)=1-√B+O第43页，共115页，2023年，2月20日，星期五判断群体是否达到平衡,具体事例：r=√O=√0.30766=0.55486q=1-(√A+O)=1-(√0.32000+0.30766)=0.20594p=1-(√B+O)=1-(√0.27116+0.30766)=0.22392实际结果需要作2检验第44页，共115页，2023年，2月20日，星期五2.伴性基因的平衡遗传平衡定律也适用于性连锁基因。

Ⅰ.判定在X染色体上等位基因达到平衡的标准：在随机交配条件下，下列情况达到了H-W平衡：雄体雌体

XAXa

和XAXAXAXaXaXapqp22pqq2

或者雌雄群体基因频率相等。第45页，共115页，2023年，2月20日，星期五Ⅱ.X染色体上等位基因由不平衡到平衡的方式和途径：**不平衡群体经过多个世代的随机交配，振荡的方式快速地接近平衡。

1.每随机交配一次，雌雄群体中基因频率的差值减少一半

d=qxx-qx=-(q`xx-q`x)/2=-d`/22.所以px与pxx间的差异越大，实现平衡的时间就越长；反之则短。

3.在建立平衡的过程中，雌雄两性群体中的基因频率随着随机交配世代的增加而交互递减。第46页，共115页，2023年，2月20日，星期五Ⅲ.经过随机交配群体达到平衡以后，基因的频率分别为：

a基因：q=(qx+2qxx)/3=(q`x+2q`xx)/3=常数

A基因：p=(px+2pxx)/3=(p`x+2p`xx)/3=常数qxx-q=-(q`xx-q)/2;qx-q=-(q`x-q)/2

原因：伴性遗传基因以振荡式接近平衡点的性质，是由于雄体和雌体的性染色体组成不同，群体中伴性基因有2/3存在于雌体中，1/3存在于雄体中。例子：求色盲基因频率，根据男性群体的某调查结果发现其色盲的患者为7%，既表示qx=qxx=0.07,预期女性中有q2=(0.07)2=0.49%隐性伴性遗传：[男性发病率:女性发病率=q:q2=1:q]显性伴X遗传：[男性:女性发病率=p:(p2+2pq)=1:(1+q)]第47页，共115页，2023年，2月20日，星期五第三节影响Hardy-Weinberg平衡的因素一、基因突变（1）仅考虑没有选择压力的正向突变：设基因A→a突变，每代突变率u

（u=x/n,x是一代中A突变为a基因数目,n为A基因总数）突变前A频率:p

突变后A频率：p(1-u)

突变压(mutationpressure)：突变所造成的群体中基因频率改变的度量（由pu来反映）。如果突变压逐代增加，则基因A将在群体中逐渐消失，∵pn=p0(1-u)n(n→∝;pn→0)

如果突变不受其他基因的阻碍而无限地持续下去，A的频率最终将减少到零而达到纯合的a。第48页，共115页，2023年，2月20日，星期五（2）设同时存在回复突变，回复突变频率为v,

群体中A、a的频率分别为p和q，则经过一代突变后：

A:p-pu+qv;a:q-qv+pu

基因频率的变化值：

A:Δp=(p-pu+qv)-p=-pu+qv;a:Δq=(q-qv+pu)-q=-qv+pu

经过足够多的世代，两种力量达到平衡，Δp=Δq=0Δp=-pu+qv=-(1-q)u+qv=0,(u+v)q=u

则q=u/(u+v)

同理p=v/(u+v)

说明：平衡时基因的频率只决定于正反两个基因的突变率，而与两个基因各自的起始频率无关。另外：Δp=-(1-q)u+qv=-u+q(u+v)=-[q(u+v)]+q(u+v)=(u+v)(q-q)

当q>q,Δp>0，A基因增加，同时a基因减少当q<q,Δp<0，A基因减少，a基因增加第49页，共115页，2023年，2月20日，星期五举例：

设一对等位基因A、a：u=1.5×10-6，v=1×10-6

则平衡时a:q=u/(u+v)=0.6;A:p=v/(u+v)=0.4

表示在突变压的作用下，平衡时

A基因的频率为40%；a基因的频率为60%

若u=v则平衡时

A基因频率为50%，a基因的频率也为50%。第50页，共115页，2023年，2月20日，星期五二、自然选择1.适应值(adaptivevalue)：也称达尔文的适合度，指一种已知基因型的个体，将它的基因传递给后代的相对能力，用ω表示。

解释：①ω为一个相对值，一般将具有最高生殖效能的基因型个体的适应值定为1，其它基因型个体与之相比的比值来表示。如：不同遗传病患者的适合度。第51页，共115页，2023年，2月20日，星期五②适合度是一个相对概念，与环境因素有关。例如，椒花蛾在污染区时(浅色容易被淘汰)：第52页，共115页，2023年，2月20日，星期五在非污染区时（黑色容易被淘汰）：第53页，共115页，2023年，2月20日，星期五2.选择系数：

一种基因型的个体在群体中不利于生存的程度，用S表示。其中S=1-ω，显然ω=1时,S=0;ω=0时，S=1。3.选择对隐性纯合体的作用。

第54页，共115页，2023年，2月20日，星期五(1)对隐性纯合体的不完全选择，即0﹤S﹤1.

设一对等位基因A和a，频率分别为p、q，处于平衡状态，则基因型频率为：AA:p2;Aa:2pq;aa:q2

和为1

设AA和Aa的ω=1，而aa的ω=1-S,则选择前后基因型的频率分别为：经过选择后下一代的基因频率分别为：

A:p1=(p2+pq)/(1-Sq2)a:q1=[pq+q2(1-S)]/(1-Sq2)=[q(1-Sq)]/(1-Sq2)a基因的频率改变量：

Δq=q1-q=q(1-Sq)/(1-Sq2)-q=-Sq2(1-q)/(1-Sq2)

q很小时，1-Sq2≈1，则Δq≈-Sq2(1-q)第55页，共115页，2023年，2月20日，星期五

(2)对隐性纯合体的完全选择，即S=1：经过一代选择后，A和a基因的频率为：

A:p1=(p02+p0q0)/(p02+2p0q0)=(p0+q0)/(1+q0)=1/(1+q0)a:q1=[2(p0q0)/(p02+2p0q0)]/2=q0/(1+q0)∴qn+1=qn/(1+qn)可以递推

qn=q0/(1+nq0)

即n=(1/qn)-(1/q0),当qn=q0/2时，n=1/q0表示:

隐性基因减少一半时的世代数为初始基因频率的倒数。

第56页，共115页，2023年，2月20日，星期五举例:已知人类白化病等位基因的频率为0.01，若白化纯合体不育（S=1），要将此基因的频率分别降至0.001和0.0001所需的世代数。利用n=(1/qn)-(1/q0)计算:n=(1/0.001)-(1/0.01)=900n=(1/0.0001)-(1/0.01)=9900第57页，共115页，2023年，2月20日，星期五3.对显性体的选择：经过一个世代的选择后，A和a基因的频率分别为：A:p1=[p2(1-S)+pq(1-S)]/[1-Sp(2-p)]=(1-S)p/[1-Sp(2-p)]a:q1=[q2+pq(1-S)/[1-Sp(2-p)]=q(1-pS)/[1-Sp(2-p)]∴Δp=p(1-S)/[1-Sp(2-p)]-p=-Sp(1-p)2/[1-Sp(2-p)]

当S很小时，分母约为1，Δp≈-Sp(1-p)2第58页，共115页，2023年，2月20日，星期五三、突变与选择联合作用下的群体平衡突变和选择可以在一个群体中同时起作用。若同向施压，使基因改变频率加快；若反向施压，最终会达到平衡。1.选择隐性纯合体:

设一对等位基因A和a(频率分别为p,q)，正向突变频率u，回复突变频率v，同时选择系数S作用于aa。则突变使a增加频率为：Δq1=-qv+pu=u(1-q)-vq

选择使a减少频率为：Δq2=-Sq2(1-q)/(1-Sq2)≈-Sq2(1-q)(注：q很小时作近似处理，即1-Sq2≈1)

平衡时：u(1-q)-vq=Sq2(1-q)[即Δq1+Δq2=0]

若v也很小，vq≈0，则u≈Sq2，q=√u/S

可用于推算自发突变的频率u或平衡时q:第59页，共115页，2023年，2月20日，星期五举例：例一:人类全色盲为常染色体,隐性纯合体的比例为8万分之1,并且色盲的子女为正常人的一半,求正向突变频率.

解:q2=1/80000，S=0.5，则u=Sq2=6.25×10-6

例二:若u=0.000018，S=0.02，则q2=u/S=0.0009,q=0.032.选择的是显性纯合体：同样v=Sp2.3.选择显性体（AA和Aa）选择Δp1=-Sp(1-p)2；

突变Δp2=qv=v(1-p)；平衡=0Sp(1-p)2=v(1-p)当p很小时，1-p≈1，所以v=Sp

例如：人类侏儒(AA,Aa)，适应值ω=0.2，正常a突变为A的频率v=5×10-5,求A基因的频率。解：S=1-ω=0.8，v=5×10-5，则

p=v/S=6.25×10-5

杂合体H=2pq≈2p=1.25×10-4

第60页，共115页，2023年，2月20日，星期五四、迁移哈迪-温伯格定律的假设之一是要求群体是封闭而不受外部环境因素的干扰。然而很多群体都不是完全隔离的，它们和相同物种的另一些群体之间交换基因。一些个体迁入另一群体可以使迁入群体的基因库导入新的基因，而改变其的等位基因频率。因此迁移（migration）具有潜在的打破哈迪-温伯格平衡的作用，从而引起了群体基因频率的改变。迁移(migration):只指群体中有个体的迁入或迁出(生殖前)，导致群体中基因的频率发生改变。第61页，共115页，2023年，2月20日，星期五

在群体遗传学中我们感兴趣的是基因的移动。基因的移动仅发生在生物或配子“迁移”的时候。把它们的基因贡献给受纳群体的基因库中。这个过程也可叫做基因流（geneflow）。

基因流对群体有二个主要的作用：①它将新的等位基因导入到受纳群体中。由于“突变”这一事件一般是很少发生的，一个特殊的突变等位基因可能在一个群体中发生，而不在另一个群体中发生，基因流可将独特的等位基因播散到其他的群体，像突变一样，成为该群体的遗传变异的来源。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。通过基因的改变，群体保持相似性，这样，迁移是一种均化力量，倾向于阻止群体发生变异。第62页，共115页，2023年，2月20日，星期五为了说明迁移对基因频率的作用，现设想一个模型，在模型中基因流仅单向的发生，即从群体I移向群体Ⅱ。假设在群体I中A等位基因频率（PI）是0.8，而在群体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。这些迁移者是群体I中基因型随机的样本。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，他们的A等位基因频率PII=0.5。迁移者现在在群体II中的比例为m，那么迁移后群体Ⅱ中A基因的频率是：迁移后A的频率是由新组成群体Ⅱ中的两组中A等位基因的比例来决定。

第63页，共115页，2023年，2月20日，星期五在群体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：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64页，共115页，2023年，2月20日，星期五移居美国的黑人，他们血型的表现型频率既不同于非洲的黑人群体，也不同于受纳群体美国的白人，而是倾向于两者之间，这是当地部分白人与黑人通婚的结果，但所有的混血儿都被人们看作为黑人，故白人的频率几乎没有受到影响，只有“黑人”群体的基因频率有了明显的改变，事实上这个混合群体（并未充分混合，因二者之间的婚配不是随机的）总的基因频率也发生了改变。ttr第65页，共115页，2023年，2月20日，星期五2.分析：两个群体甲、乙，一对等位基因A和a：甲：A:p;a:q(甲为大群体)

乙：A:p0;a:q0(乙为小群体)

迁移:甲→乙;同时乙→甲和其它，迁移率均为m,分析群体乙中a基因。那么经过一个世代后，群体乙中a的频率为：

q1=q0-mq0+mq=mq+q0(1-m)

则Δq=q1-q0=m(q-q0)

那么q1-q=[q0+m(q-q0)]-q=(1-m)(q0-q)说明:①迁移使甲乙群体中的a基因的频率差距缩小；②m恒定，q=q0时群体平衡,迁移不影响基因频率。第66页，共115页，2023年，2月20日，星期五若每个世代m不变，大群体甲迁移后q不变。则

q2=mq+q1(1-m)=mq+[mq+q0(1-m)](1-m)=mq+mq(1-m)+q0(1-m)2

可以类推：

qn=mq+mq(1-m)+mq(1-m)2+…+mq(1-m)n-1+q0

(1-m)n

前n项之和

Sn=mq[1-(1-m)n]/[1-(1-m)]=q-q(1-m)n

故连续迁移n代后群体乙中a基因的频率

qn=[q-q(1-m)n]+(1-m)nq0=q+(1-m)n(q0-q)

所以(1-m)n=(qn-q)/(q0-q)

*可用于计算群体的迁移率。

第67页，共115页，2023年，2月20日，星期五举例：两个群体A、B，大群体A中Rh血型的R基因频率p=0.028,

小群体B中Rh血型的R基因频率P0=0.630,B群体与A群体基因有迁移10代后，Pn=0.446。求R基因迁移的频率。解:(1-m)n=(pn-p)/(p0-p)

则(1-m)10=(0.446-0.028)/(0.630-0.028)

可得m=1-10√0.694=0.036注：迁移对大群体基因频率影响不大，可以忽略。第68页，共115页，2023年，2月20日，星期五五、随机的遗传漂变哈迪-温伯格定律的一个主要的假定就是群体无限大。实际的群体不可能无限大，但它们要大到足以能预期基因频率和基因型频率。但有些群体很小，这些群体的几率因子可使基因频率产生随机变化。由于样本的机误（chanceerrors）导致群体基因频率的随机改变称为遗传漂变（geneticdrift）或简称为漂变。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。遗传漂变(randomgeneticdrift):一个小群体中，由于偶然事件导致群体中基因频率的改变(Wrighteffect)。第69页，共115页，2023年，2月20日，星期五基因频率的随机改变由于机误而产生的基因频率的随机改变在小的群体中是一种重要的进化的力量。

在南太平洋群岛上住着人类的最小群体，假设只有10个人组成，5个人绿眼睛，5个人棕色眼，假设眼睛的颜色是由单基因决定的（实际上眼睛的颜色是由多基因控制的），且绿色眼的等位基因b对棕色眼的等位基因B是隐性的（BB和Bb为棕色眼，bb为绿色眼）。此岛上的群体中绿眼等位基因的频率是0.6。一次台风袭击了这个岛，群体中50%的人死亡了，也就是5位居民死于风暴。正巧这死去的5个人是棕色眼。台风之后这个岛上绿色基因的频率是1.0。在这个群岛上的群体中所发生的突变是绿眼基因的频率从0.6变成了1.0，这完全是机会所造成。第70页，共115页，2023年，2月20日，星期五遗传漂变的量度遗传漂变是随机的，我们就难以预期漂变后基因频率的多少。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。

若两性的数目相等，而每个个体产生后代的概率都相同，那么这个有效群体的大小等于此群体中交配的成体数。

然而当雌雄性数不等时，有效群体的大小是：Ne=等式中Nf是交配的雌体数，Nm是交配的雄体数。第71页，共115页，2023年，2月20日，星期五

70个雌性和2个雄性的群体中，2个雄性并不简单地与二雌性相当，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。数目很小的雄性不均衡地影响着下一代存在的等位基因，利用上述等式，有效群体的大上是：

Ne=(4×70×2)÷(70+2)=7.8

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72页，共115页，2023年，2月20日，星期五(三)遗传漂变原因

所有的遗传漂变都是由于取样误差而产生的，但在自然群体中取样误差的发生有各种途经。①群体大小经很多代都保持很小。这种情况是经常发生的，特别是在栖息地的边缘。或者当竞争限制了群体生长时，在这种群体中遗传漂变在基因频率进化中起到了重要的作用。第73页，共115页，2023年，2月20日，星期五

Buri用果蝇做了一个实验，表明了遗传漂变的作用。在果蝇决定眼色的座位上有两个等位基因bw75和bw。他建立了107个实验群体。bw75开始时的频率为0.5，在各群体中果蝇随机互交，然后每代随机地选出8雌，8雄作为下一代的亲体。这样有效群的大小为16个果蝇。在107个群体中等位基因频的分布如图所示。在早期的世代中基因频率群集在0.5周围，但遗传漂变导致这个群体的基因频率分散开，或逐代分开。在大部分群全中到19代bw75的频率为0或1。第74页，共115页，2023年，2月20日，星期五

②遗传漂变产生的另一种途经是通过建立者效应(奠基者效应)（foundereffect）。建立者效应发生在由少量的个体开始建立群体时。虽然群体随后可以增大，以后可有大量的个体组成，但群体的基因库源出于最初建立时存在的基因。奠基者效应:由少数几个个体的基因频率，决定后代的基因频率。第75页，共115页，2023年，2月20日，星期五在大西洋南部有三个很小的火山岛(Tristandacwnha)，1817年开始由苏格兰人WilliamGlass和他的家族到岛上居住。后来又迁来几个失事的水手和几个来自远处岛上的妇女，但这个岛是保持着遗传隔离的状态。1961年岛上火山爆发，岛上的群体几乎有300个居住者组成的群体到英格兰。他们在英国呆了2年，遗传学家研究了他们，并重建了这个群体史。第76页，共115页，2023年，2月20日，星期五岛上的群体在突变中发生了三种类型的遗传漂变。①建立者效应发生在开始定居者中。到1855年这个岛的群体扩大到约100人，但这个群体26%的基因是由WilliamGlass和他妻子传下来的。甚至到了1961年这300人的群体的全部基因中有14%的基因来自最初的两个定居者。Glass和其他的原来的建立者们的特殊基因对以后群体的基因库有着重大的影响。②群体一直保很小，取样误差也持续发生。③取样误差的第三种形式称为瓶颈效应（bottleneckeffect）这种效应在上面所说的小群体中也起到了重要的作用。前面举的10个人小群体眼色的例子就是如此。当飓风袭击这个岛时，使绿眼的基因频率从0.6变成1.0。这就是瓶颈效应的例子。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。

瓶颈效应:一个大的群体通过瓶颈后，由少数几个个体再扩展成原来原来规模的群体，群体数量消长的过程对遗传造成的影响。第77页，共115页，2023年，2月20日，星期五在TristandaCunha岛的历史上曾发生了两次剧烈的瓶颈效应。第一次约在1856年突然发生两件事：那是WilliamGlass的死和一个传教士的到来，他鼓励当地居民离开这个岛。当时很多的岛民移居到美国和南非。这个群体在1855年末还有103人，但到了1857年只剩下了33人。第二次瓶颈效应是发生在1885年。TristandaCunha岛没有天然港、岛民们是划着小船到海上的商船上进行贸易。在1885年11月28日这一天，岛上15名男性成年人又划船出海了，在全体岛民的目光下，他们离开了岛，但不幸的是船翻了，15人全部沉入海底。遇难之后，岛上很多寡妇和其子女都在几年内先后离开了这个岛，只余下4名成年男人，二名老太太和一名神经错乱的女人。这个群体从106人一下又锐降到59人。两次的瓶颈效应对这个群体的基因库起到了重要的作用。来自几个岛民的基因都全部丢失了。通过两次事件其他一些先民所传下的基因的相关性也发生了改变。这样TristandaCunha岛的基因库受到遗传漂变的影响，这些影响是以三种形式存在的：①即建立者效应；②小群体大小；③瓶颈效应。第78页，共115页，2023年，2月20日，星期五(四)遗传漂变的效应

遗传漂变引起了基因频率的改变，而这些改变对群体的遗传结构有着明显的作用。首先是遗传漂变导致基因频率逐代改变。不同的线表示5个群体超过30代的基因频率。虽然各群体开始时等位基因的频率都是0.5，各群体都由于取样误差而引起了逐代基因频率的改变。在每代中基因频率可能增加或减少，从而使逐代频率随机波动和漂变。有的基因频率的值达到了1.0，有的又降到零。即一个等位基在群体中被固定或丢失。一旦一个等位基因被固定了，其基因频率就不再发生变化。除非另一个等位基因通过突变或迁移被重新引入。第79页，共115页，2023年，2月20日，星期五遗传漂变的第二个效应就是减少群体中的遗传变异。在一个群体中固定其概率随时间的推移而增加。如开始时的基因频率是相等的，等位基因要能成为固定完全是随机的。另一方面如果基因频率开始不等，频率较低的等位基因可能会被丢失。在基因漂变或固定的过程中，群体的杂合子数也将减少，固定之后群体中杂合体为零。当杂合性减小时等位基因逐渐被固定，群体便失去遗传变异。第80页，共115页，2023年，2月20日，星期五第四节自然群体中的遗传多态性一、多态性和杂合性遗传多态性(geneticpolymorphism):一个物种的同一群体中存在两种或两种以上变异类型的现象。例如:检测一个海蠕虫群体中的30个基因座，其中有18个有多态性，多态性频率60%。

多个群体的平均多态性：检测的各群体相同基因座多态性频率之和群体的总数=第81页，共115页，2023年，2月20日，星期五杂合性(heterozygosity):指群体中，平均每个基因座位都是杂合状态的比率，或者称为群体的平均杂合性.

每个基因座都为杂合子的频率的总和基因座的总数H=第82页，共115页，2023年，2月20日，星期五二、染色体多态性

染色体多态性:是染色体的结构或数目差异造成的群体内或群体之间染色体(核型)的差别。例如:果蝇核型(karyotype)：将一个二倍体的物种的染色体按长度、着丝点的位置、次缢痕等等参数，依次排列形成的染色体图谱。第83页，共115页，2023年，2月20日，星期五三、蛋白质的多态性

蛋白质多态性:由于基因的结构变异造成构成蛋白质氨基酸的组成和数目发生变化，使蛋白质呈现多态性分布。例如:镰刀红细胞多态性，由HbA,HbS,HbC,HbE等蛋白基因序列的差异造成。第84页，共115页，2023年，2月20日，星期五四、DNA序列多态性DNA序列多态性:由于DNA核苷酸组成或排列顺序的改变使群体之间或者群体内部的个体之间出现DNA的多态性分布.1.限制性片段长度多态(RFLP)：基因组DNA经限制性内切酶酶切后，经电泳得到长度不同的限制性片段，表现出片段长度的多态分布。

2.扩增片段长度多态(AFLP)：由基因组DNA经特异性扩增产生的DNA片段长度的多态分布。

3.随机扩增多态性DNA(RAPD):基因组DNA经随机扩增产生的DNA片段长度的多态分布。

RT-PCR;SSCP-PCR第85页，共115页，2023年，2月20日，星期五第五节物种形成一、物种的概念

1.指个体间能相互交配、并在第一世代中产生健康而可育后代的一个自然群体。

2.通常以生殖隔离作为确定物种的标准。生殖隔离的机制：①合子前生殖隔离——防止群体间的交流形成杂合子；②合子后生殖隔离——降低杂合子的生存或生殖能力。两种都可以达到阻止群体之间基因交流的目的。第86页，共115页，2023年，2月20日，星期五二、物种的形成过程

1.阶段Ⅰ：阻断同一物种两个不同群体间的基因交流，各自独立分化，当达到生殖隔离的程度时，便形成两个新的物种。

2.阶段Ⅱ：阻断在两个不同栖息地的物种间的基因之间的交流，使远源物种的差别加大。三、物种形成的方式

1.地理物种的形成；

2.量子式物种的形成。第87页，共115页，2023年，2月20日，星期五四、物种形成期间遗传分化的度量最常见的两个参数：1.遗传同一性或遗传相似性

2.遗传距离遗传同一性（I）：对两个群体中结构相同的基因比例的估计。I=0;I=1遗传距离：用来估计两个群体分别进化时，每个基因座发生的等位替换的次数。D:0→∝第88页，共115页，2023年，2月20日，星期五第六节分子进化与中性学说近年来群体遗传学开始应用分子遗传学的技术来研究群体中的遗传变异并对某些进化的分子基础提出质疑。通过用限制性图谱和DNA测序方法生物学家们能在DNA水平列举出新的进化证据。这些研究并没有改变群体遗传的基本原理，但却提出了更为完整的详细的进化图谱。第89页，共115页，2023年，2月20日，星期五从分子水平研究生物进化的优点传统的生物进化研究的主要依据是生物个体、细胞水平研究所提供的信息。分子水平研究发现，在生物大分子中蕴藏了丰富的生物进化遗传信息；从分子水平研究生物进化具有以下优点：根据生物所具有的核酸和蛋白质结构上的差异程度，可以估测生物种类的进化时期和速度。对于结构简单的微生物的进化，只能采用这种方法。它可以比较亲缘关系极远类型之间的进化信息。第90页，共115页，2023年，2月20日，星期五一、氨基酸序列、DNA序列的变异在进化研究中一个重要的问题是在不同的基因中和在相同基因的不同部分中进化的模式和速率是怎样的？特定DNA序列的进化速率能通过比较由共同祖先分化出的两种不同生物的DNA序列来加以探讨。第91页，共115页，2023年，2月20日，星期五假设共同的祖先有一种单个的DNA序列。两种生物都由这种共同祖先演化而产生，它们的DNA序列经过了独立地进化改变，产生了我们现在所见到的差异。例如大部分的哺乳动物在六千五百万年以前由一个祖先进化而来。如小鼠和人类的生长激素基因，我们发现二者的序列相差20个核苷酸。这20个核苷酸一定是通过了六千百万年的进化过程发生变化而歧化的。为了计算这个基因中的进化速率，我们首先要估算该基因中核苷酸的数目，也就是在这样多的核苷酸中存在着现在我发现的20个核苷酸的差异。为了获得变化的速率，我们就要将每个核苷酸位点核苷取代的值除以进化的年数，即两种动物分开的时间。在我们生长激素基因的例子中，改变的速率为每年每个位点取代4×10-9核苷酸。进化速率：每年每个核苷酸位点被另外核苷所取代的比例。第92页，共115页，2023年，2月20日，星期五氨基酸序列与系统发育分析比较不同物种同功蛋白的组成，可以估测它们之间的亲缘程度和进化速度。蛋白质进化中研究得最多的是血红蛋白和细胞色素c的氨基酸序列差异。第93页，共115页，2023年，2月20日，星期五第94页，共115页，2023年，2月20日，星期五根据氨基酸序列差异估算物种进化的分歧时间(年)第95页，共115页，2023年，2月20日，星期五核苷酸序列与系统发育同功蛋白基因、非蛋白表达基因序列两两比较或多重比较，可以推断序列间同源性，并进行差异性分析构建分子水平系统进化树(evolutiontree);在结构基因组研究的基础上进行序列比较研究可能为物种比较提供更为全面的信息，甚至全基因组序列比较。利用序列信息还可以估算分子进化速率，从而用分子进化钟来估算物种进化的分歧时间。第96页，共115页，2023年，2月20日，星期五基因的不同区域所承受的进化压力不同，其进化的速度也不同。第97页，共115页，2023年，2月20日，星期五不同功能的基因进化速率也不同，例如人类的催乳素基因中非同义核苷酸的取代率要比哺乳动物组蛋白H4基因的高300倍。第98页，共115页，2023年，2月20日，星期五二、DNA长度的多态性

除了核苷酸序列通过核苷酸取代而进化以外，基因中核苷酸的数目也常发生变异。这种变异称为DNA长度的多态性（DNAlengthpolymorphisms），它是通过缺失或增加一段相对短的核苷酸序列而产生的。例如在黑腹果蝇的乙醇脱氢酶基因中发现了DNA长度的多态性。MartinKrietman测定了这个基因的11个拷贝，他发现除了核苷酸序列存在变异外，这11个拷贝中有6个插入和缺失。所有这些都有在内含子和DNA的折叠区内，在外显子中未发现有这种情况。外显子中的插入和缺失常会改变读框，因此它们将受到选择的作用。结果插入和缺失通常只存在DNA