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新视窗 植物分子生态学
作者:生科院植…    文章来源:西北农林科技大学    点击数:1082    更新时间:2010/7/13
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    为了探索生态现象的分子机制,生态学家试图用分子生物学方法来解决生态学的一系列问题,分子生物学家也试图把微观层次的分子生物学方法应用到宏观层次的生态学研究领域中。在这种情况下,一门由生态学与分子生物学相结合的交叉学科—分子生态学便应运而生。这一学科的出现使生态学真正从定性阶段进入定量阶段,从宏观领域深入到微观领域,对于探索环境与生物间的分子生态关系,揭示环境与生物间的分子协同机理,以及生物多样性的解释方面都有极为重要的意义和作用。

    1.分子生态学的概念

    Hoelzel和Dover(1991)认为:分子生态学是用蛋白质和DNA的特征研究物种进化、演化及种群生态学。1992年由Terry Burke,Ray seidler和Harry smith所创办的《Molecular Ecology》杂志对分子生态学的定义是:分子生态学是分子生物学、生态学和种群生物学的交叉,它主要利用分子生物学方法来研究自然、人工种群与其环境的相互关系,以及人工重组生物(Recombinant organisms)带来的一系列潜在生态问题。Moritz(1994)把分子生态学定义为:用遗传物质,如线粒体DNA(mtDNA)的变化来帮助和指导种群生物学的研究。Bachmann(1994)认为分子生态学是用分子生物学方法研究生态学和种群生物学的新兴学科。我国学者认为分子生态学是应用分子生物学技术和手段,在分子水平上研究生命活动和环境相互关系的一门学科。研究的目的在于揭示生命有机体对环境变化产生的在分子水平上的协调机理。由此可见,分子生态学并非是分子生物学技术在生态学领域的简单应用,它是包含了在生物形态、遗传、生理、生殖、进化等各水平上协调适应的分子机理。另一方面分子生态学被认为是分子生物学的纵向延伸,比分子生物学有更切实际的理论基础,它的应用已体现在转基因动物的实验研究,转基因植物防治病虫害的研究,人的遗传性疾病和肿瘤的基因治疗等方面。其优势在于不仅可以了解外界的作用条件,而且能够分析其内部的作用机制。

    2.分子生态学的研究内容

    分子生态学是在蛋白质、核酸等大分子水平上研究有关生态和环境问题的一门交叉学科,主要涉及生态现象与生态规律的发生、演化与发展的分子过程与分子机理。通过应用基因、DNA、蛋白质等生物活性分子的活动规律,以解释生态变化和生态现象的规律。分子生态学研究的范围包括生态学的各个方面,主要有:(1)分子种群生物学:包括种群遗传学和进化遗传学,行为生态学,保护生物学等;(2)分子环境遗传学:包括种群生态学和基因流,重组生物的环境释放和自然环境中的遗传交换等;(3)分子适应:包括遗传分化和生理适应,遗传分化和形态分化,环境对基因表达的影响等。

    3.分子生态学的研究方法

    目前,植物分子生态学研究方法和技术分为DNA水平和蛋白质水平上的研究方法。蛋白质水平的研究方法包括蛋白质免疫法和蛋白质电泳法,其中蛋白质电泳法最常用,采用此种方法所获得的多位点等位酶资料,可用来分析基因的变异情况,并由此得出如遗传多样性和遗传分化等一些有价值的结论。DNA水平上的研究方法,主要有随机扩增多态DNA (random amplied pdymorphic DNA,简称RAPD)、PCR法、限制性片段长度多态性(restriction fragment length polymorphism,简称RFLP)、扩增片段长度多态性或选择限制性片段扩增(amplified fragment length polymorphism 或selective restriction fragment amplification,简称AFLP)、SSR(微卫星)法、微卫星或单序列重复(single sequence repeat, 简称SSR)、DNA测序(DNA Sequencing)、DNA杂交技术等。在分子生态学实验中,以PCR法为基础的RFLP、 RAPD和DNA测序方法最为常用。

    4.分子生态学的应用

    分子生态学的产生和发展给整个生态学领域带来了巨大的冲击,其研究的问题是过去其它经典生态学难以解决或从没涉及过的问题,它使生态学从描述性、观测性累积资料向严格的实验科学转移。当前,人们对它的应用主要体现在以下几个方面,(1)物种的遗传多样性和种群生存力分析:遗传多样性研究是种群生物学和进化生物学的核心,遗传变异可以在DNA和蛋白质水平上测量。采用分子生物学方法可定量地对遗传多样性进行分析,并可把遗传多样性分析的结果作为评价种群生存力的因素。(2)转基因生物及从转基因产物环境释放的生态学评估:转基因植物的大量种植,对自然环境中原有生物造成的影响以及潜在的生态风险的科学评估,如果通过一般的生态学方法很难有效果;因为这些影响依赖于转基因的性质和它在新遗传背景下的表达,因此必须通过分子生态学方法对其进行分子水平上的评价。(3)有关种群大小的确定问题:在对自然野生种群的生态学研究中往往会遇到这样的难题,即某个生物种群的两个小种群难以划分开,因而也就难以更准确地确定各个种群的大小。现在可借助精确的DNA分析技术,从分子生态学角度严格判定各个个体所属的家系以及这两个小种群间是否存在遗传信息交流,并进而精确推算这些种群的数量与大小。(4)在濒危植物保护生物学中的应用,濒危植物保护生物学的研究涉及种群生态学,生理生态学,生殖生态学和遗传多样性等研究领域。应用分子生态学的理论和方法,在分子水平上揭示濒危植物的内在机制,并结合宏观方面的研究,通过综合分析以确定合理的保护措施。(5)种群微卫星动态中的应用:生物大分子在植物不同生长发育阶段对环境的协调能力,决定了植物对环境影响的适应能力及能否进行有效的繁殖过程,所以深入分析种群生活史中各个环节的分子水平原因才能全面认识种群数量变动的潜在机制。(6)在生殖行为研究中的应用:判断种群中有性繁殖和无性繁殖产生的个体比例,以及杂种亲本的最有效的方法,是通过分子生物学技术来确定其分子标记。分子标记在植物繁育系统中可用来判断基因流动的方向和规模,无性生殖和有性生殖的比例,以此说明植物与环境的相互关系。
    分子生态学是一门新兴的交叉学科,其理论和方法虽然还处于不断发展和完善之中,但从分子生物学和生态学发展趋势看,分子生态学必将成为今后生态学领域内研究的重点,并发挥强大作用。

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