进化研究中的遗传标记

传统方法如何探究生物进化，一起学习吧！...





我们从哪里来？我们将走向哪去？生命科学研究的终极目标，便是起源与进化。遥想小编刚刚读硕士的时候，导师就曾语重心长的对小编说过，生命科学最终要解决的就是生物起源和进化的问题，而这些问题又恰恰最难解释清楚。人的一生是短暂的，人类历史相对于地球上生命的历史更是不值一提，我们无法亲眼见证生命起源和进化的整个历程。那肿么办呢？研究呗！怎么研究？duang！今天的主角出场——遗传标记。

什么是遗传标记呢？小编先给大家来段定义：遗传标记（genetic marker）是指可以追踪染色体、染色体某一节段、某个基因座在家系中传递的任何一种遗传特性。它具有可遗传性和可识别性两个重要特征，因此生物的任何有差异表型的基因突变型均可作为遗传标记。想必大家也看出来了，遗传标记和遗传学是分不开的，要不人家怎么叫遗传标记呢！今天小编就带着大家一起用具体的案例去了解一下遗传标记在物种的起源与遗传进化研究中的打怪升级记。

形态学标记

形态标记是指肉眼可见的或仪器测量动植物的外部特征（如动物的毛色、体型、外形、皮肤结构等，植物的株高、茎粗、结实率、产量等）。形态学标记是最先出现的遗传标记，在遗传学发展的早期，这种形态性状 、生理性状及生态地理分布等待征作为遗传标记，被广泛应用于研究物种间的关系、分类和鉴定。这种标记直观，简单，应用方便，直到现在仍发挥一定的作用。下面一个案例研究者使用形态学标记研究Suessenguthia属内各个种之间的进化关系，研究人员从50个形态学性状中选出了26个性状（图1左下）用于统计分析，用于支序分析的数据矩阵（图1上）包括Suessenguthia属所有种、Sanchezia属3个种、S. vargasii的两个变种以及Trichanthera gigantea的形态学性状数据（外群中性状不存在时记为数据缺失）。基于逐次逼近法（successive approximations approach）构建最简约树（图1右下），最简约树显示，在内群中Suessenguthia multisetosa是最基础的种，Suessenguthia wenzelii 和S. vargasii随之发生分化。

细胞学标记

由于形态学标记是建立在个体性状描述和宏观观测水平上的，得到的结论往往是不完善的，故易引起争议 。伴随着解剖学和细胞生物学的发展，遗传标记开始由宏观的形态性状向微观的细胞学特征转变。细胞学标记主要指染色体核型、带型和数量特征的变异，它们反映了染色体在结构和数量上的遗传多态性。下面的案例通过对染色体带型的比较以及细胞色素b基因的测序对南美小天鼠进行分类，研究者通过比较南美小天鼠中2n=10和2n=16两个核型的G带，发现了常染色体上的衔接融合、臂间倒位、罗伯逊重排以及性染色体上的插入和缺失（图2 上），基于核型及带型的分析可以将南美小天鼠分为两个类群（2n = 14-15-16和2n = 10），进一步根据细胞色素b基因的序列将其分为三个类群（2n = 14-15, 2n = 16和2n = 10）（图2 左下）。不同核型的南美小天鼠分布在不同的区域（图2 右下）。

生化标记

随着上世纪60年代同工酶的发现，蛋白质电泳技术作为检测遗传特性的一种主要方法得到了广泛的应用，以同工酶标记为代表的生化标记弥补了形态学标记和细胞学标记不够丰富的缺点，开始广泛用于物种起源与分类研究。生化遗传标记是以生物体内的同工酶、等位酶以及贮藏蛋白等生化性状为遗传标记，通过对一系列蛋白和同工酶的检测，就可为品种内的遗传变异和品种间的亲缘关系提供有用的信息。下面的案例中，研究者为了探究三个黄瓜种（C. hystrix, C. sativus L. and C.melo L.)之间的系统发育关系（图3 左上），用MDH、PGD、SKDH、PGI、IDH、LAPGOT和GDH 8个同工酶作为标记，通过对三个种的电泳结果进行分析发现，三个黄瓜种中8个同工酶都具有多态性 （图3右）。聚类分析发现当遗传距离为0.697时可被分为2组，当遗传距离为0.500时可被分为3组，C. hystrix与C. sativus的关系更近（图3左下）。

DNA分子标记

生化标记都是基因的表达产物，非遗传物质本身，它们的表现易受环境和发育状况的影响，这些因素决定了生化标记的应用具有一定的局限性。20世纪40年代开始，随着DNA被证明是遗传物质，遗传学研究开始进入到核酸时代。伴随着DNA结构的解析、限制性内切酶的发现、PCR技术的发明，新一代的遗传标记——分子标记得到了突飞猛进的发展。与之前介绍的三种遗传标记相比，DNA分子标记的检测结果是遗传物质多态性的直接反映，标记更加丰富，不受外界环境影响而更加稳定。迄今已有20多种分子标记技术相继出现，并在各个研究领域得到了应用、其中应用最广泛的是RFLP、RAPD、AFLP、SSR和SNP。下面通过一个案例来了解一下如何通过SSR标记研究物种的遗传多样性以及种群结构。研究人员选用了29个分子标记对来自中国、韩国和日本的150份水稻样本进行研究，共检测到375个等位基因，平均每个位点12.9个（图4 上）。基于29个SSR标记的检测数据，通过model-based聚类发现当K=3时△K具有最大值（图4 左下），UPGMA法构建的系统发育树同样把150份样品分成三个类群并且与model-based聚类结果几乎一致（图4 右下）。



随着遗传学和科学技术的发展，遗传标记从最早的形态学标记逐渐的发展为最新的各类DNA分子标记，这是一个漫长的过程，今天小编和大家在遗传标记的发展历史长河里畅游了一番。下期小编会和大家说说“进化研究遇见高通量测序发生的那些事儿”。敬请期待~

未完待续。。。

参考文献：

[1] Schmidt-Lebuhn A N, Kessler M, Müller J. Evolution of Suessenguthia, (Acanthaceae) inferred from morphology, AFLP data, and ITS rDNA sequences[J]. Organisms Diversity & Evolution, 2005, 5(1):1-13.

[2] Selvi F, Coppi A, Bigazzi M. Karyotype Variation, Evolution and Phylogeny in Borago (Boraginaceae), with Emphasis on Subgenus Buglossites in the Corso-Sardinian System[J]. Annals of Botany, 2006, 98(4):857-868.

[3] Chen J, Isshiki S, Tashiro Y, et al. Biochemical affinities between Cucumis hystrix Chakr. and two cultivated Cucumis species (C. sativus L. and C. melo L.) based on isozyme analysis[J]. Euphytica, 1997, 97(97):139-141.

[4] Zhao W, Chung J W, Ma K H, et al. Analysis of genetic diversity and population structure of rice cultivars from Korea, China and Japan using SSR markers[J]. Genes & Genomics, 2009, 31(4):283-292.

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