LECTURE5種下數(shù)據(jù)分析方法

1、種下數(shù)據(jù)分析方法種下數(shù)據(jù)分析方法Data Analysis at Intraspecies Level黃原2010-3主要內(nèi)容主要內(nèi)容1. 大進(jìn)化與小進(jìn)化的聯(lián)系與區(qū)別大進(jìn)化與小進(jìn)化的聯(lián)系與區(qū)別2. 用于種下研究的分子標(biāo)記和數(shù)據(jù)類型用于種下研究的分子標(biāo)記和數(shù)據(jù)類型3. 種下遺傳多樣性和分化參數(shù)及應(yīng)用種下遺傳多樣性和分化參數(shù)及應(yīng)用4. 種下系統(tǒng)發(fā)育分析及應(yīng)用種下系統(tǒng)發(fā)育分析及應(yīng)用5. 種界確定種界確定1. 大進(jìn)化與小進(jìn)化的聯(lián)系大進(jìn)化與小進(jìn)化的聯(lián)系與區(qū)別與區(qū)別進(jìn)化模式不同進(jìn)化模式不同大進(jìn)化大進(jìn)化=種上分類單元進(jìn)化：樹狀分歧進(jìn)化為主。種上分類單元進(jìn)化：樹狀分歧進(jìn)化為主。 種間由于生殖隔離和突變以及分歧

2、導(dǎo)致有完全不同種間由于生殖隔離和突變以及分歧導(dǎo)致有完全不同的基因型的固定，從而形成非重疊的基因庫(kù)的基因型的固定，從而形成非重疊的基因庫(kù)（ non- overlapping gene pools）和相互的單系）和相互的單系性性 (reciprocally monophyletic lineages)。 小進(jìn)化小進(jìn)化=種下進(jìn)化：網(wǎng)狀形式的進(jìn)化種下進(jìn)化：網(wǎng)狀形式的進(jìn)化 種內(nèi)群體內(nèi)種內(nèi)群體內(nèi)/間的個(gè)體因隨機(jī)交配有發(fā)生重組的機(jī)間的個(gè)體因隨機(jī)交配有發(fā)生重組的機(jī)會(huì)，從而使個(gè)體的基因譜系呈現(xiàn)網(wǎng)狀關(guān)系會(huì)，從而使個(gè)體的基因譜系呈現(xiàn)網(wǎng)狀關(guān)系（ reticulating relationships =tokogeny

3、)。種間樹狀進(jìn)化種間樹狀進(jìn)化遺傳分歧遺傳分歧種內(nèi)網(wǎng)狀進(jìn)化種內(nèi)網(wǎng)狀進(jìn)化遺傳多態(tài)性遺傳多態(tài)性研究?jī)?nèi)容的區(qū)別研究?jī)?nèi)容的區(qū)別種下研究種下研究 (1) 群體遺傳結(jié)構(gòu)（群體遺傳結(jié)構(gòu)（population genetic structure) (2) 群體分化（群體分化（population subdivision) (3) 譜系生物地理學(xué)（譜系生物地理學(xué)（phylogeography） (4) 分子進(jìn)化動(dòng)力分子進(jìn)化動(dòng)力(the forces of molecular evolution) (5) 個(gè)體個(gè)體/群體群體/亞種系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系亞種系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系(individuals/populations/subs

4、pecies phylogenetic analysis)種上研究種上研究 (1) 種界確定（種界確定（species boundary delimitation） (2) 分類單元單系性檢驗(yàn)（分類單元單系性檢驗(yàn)（testing taxa monophyly） (3) 系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系重建（系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系重建（phylogenetic relationship among taxa） (4) 性狀進(jìn)化（性狀進(jìn)化（character evolution）研究方法的區(qū)別研究方法的區(qū)別采用分子標(biāo)記不同采用分子標(biāo)記不同 抽樣策略不同（抽樣策略不同（Sampling strategy）數(shù)據(jù)分析方法不同數(shù)據(jù)分析

5、方法不同Molecules and their useful rangesin phylogenetic relationships Species Genera FamilyOrderClassDivisions Spacersitsmt DNANu rDNATaylor, et al., 1991; more sufficient statistically significant results; sufficient statistically significant results2. 用于種下研究的分子標(biāo)記和用于種下研究的分子標(biāo)記和數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)類型分子標(biāo)記分子標(biāo)記SNPSSRRAP

6、DAFLP單核苷酸多態(tài)性單核苷酸多態(tài)性SNP：single nucleotide polymorphisms SNP是指由于單個(gè)核苷酸的變異所引起的是指由于單個(gè)核苷酸的變異所引起的DNA序列多態(tài)性。序列多態(tài)性。 A single base change, occurring in a population at a frequency of 1% is termed a single nucleotide polymorphism (SNP). When a single base change occurs at 1% it is considered to be a mutation. 微

7、衛(wèi)星微衛(wèi)星MicrosatellitesDesign primers to “flanking regions”微衛(wèi)星基因分型原理微衛(wèi)星基因分型原理 Li (1998). 隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA RAPD: randomly amplified polymorphic DNARAPD profile of DNA from 23 samples AFLP: amplified fragment length polymorphismDigestion of DNA with two enzymesLigation of adaptersPrimers complementary t

8、o adapters and to 3 region of some of the fragmentsAFLP Gel分子標(biāo)記的性質(zhì)分子標(biāo)記的性質(zhì)顯示方式：顯示方式： 共顯性共顯性(codominant)標(biāo)記可以識(shí)別所有的等位基標(biāo)記可以識(shí)別所有的等位基因，包括雜合子和隱性等位基因。因，包括雜合子和隱性等位基因。 顯性顯性(dominant)標(biāo)記只能識(shí)別顯性等位基因，無標(biāo)記只能識(shí)別顯性等位基因，無法區(qū)分雜合子和隱性等位基因的純合子法區(qū)分雜合子和隱性等位基因的純合子 。座位數(shù)目：座位數(shù)目： 單座位單座位(single locus)標(biāo)記可以識(shí)別等位基因。標(biāo)記可以識(shí)別等位基因。 多座位多座位(mult

9、iple loci)標(biāo)記一般無法識(shí)別等位基因。標(biāo)記一般無法識(shí)別等位基因。遺傳方式遺傳方式父系遺傳標(biāo)記父系遺傳標(biāo)記Y ChromosomeHaploid, none or little recombination1.91095.410 9 per site per year 母系遺傳標(biāo)記母系遺傳標(biāo)記Mitochondrial DNAHaploid, none or little recombination3.5108 per site per year 雙親遺傳標(biāo)記雙親遺傳標(biāo)記nDNADiploid, undergoes recombination基因型與基因分型基因型與基因分型（genotyp

10、e and genotyping）一個(gè)個(gè)體在某一座位上所擁有的一對(duì)等位基因類一個(gè)個(gè)體在某一座位上所擁有的一對(duì)等位基因類型被稱作基因型型被稱作基因型( genotype ) 。檢定個(gè)體在特定座位上的基因型的方法被稱作基檢定個(gè)體在特定座位上的基因型的方法被稱作基因分型因分型( genotyping) 。 單倍型與單倍型分型單倍型與單倍型分型haplotype and haplotyping單倍型是指在一條單倍型是指在一條DNA上多態(tài)性的分上多態(tài)性的分子標(biāo)記的不同等位基因之間的組合。子標(biāo)記的不同等位基因之間的組合。單倍型分型：?jiǎn)伪缎头中停簡(jiǎn)伪缎头中头椒▎伪缎头中头椒▽?duì)于位于對(duì)于位于Y染色體或染色體或

11、mtDNA以及男性以及男性X染色染色體上的任何標(biāo)記，每種基因型均為單倍型。體上的任何標(biāo)記，每種基因型均為單倍型。對(duì)于位于常染色體及女性對(duì)于位于常染色體及女性X染色體上的標(biāo)記，染色體上的標(biāo)記，如果研究的座位為純合子，則可以直接得到如果研究的座位為純合子，則可以直接得到單倍型；如果研究的座位為雜合子，則得到單倍型；如果研究的座位為雜合子，則得到2個(gè)聯(lián)合的單倍型?？梢酝ㄟ^個(gè)聯(lián)合的單倍型。可以通過3種方法獲得單倍種方法獲得單倍型。型。二倍體標(biāo)記的單倍型分型方法二倍體標(biāo)記的單倍型分型方法從二倍體的基因型推導(dǎo)單倍型的方法：從二倍體的基因型推導(dǎo)單倍型的方法：等位基因分離法：等位基因分離法： 等位基因特異性等

12、位基因特異性PCR；克隆法；體細(xì)胞雜；克隆法；體細(xì)胞雜交法。交法。統(tǒng)計(jì)推論法：統(tǒng)計(jì)推論法： Clarck算法；最大似然法；貝葉斯法。算法；最大似然法；貝葉斯法。家系分析法：家系分析法：?jiǎn)伪缎蛪K單倍型塊Haplotype Blocks染色體在一代代的傳遞中同源片段發(fā)生重組染色體在一代代的傳遞中同源片段發(fā)生重組,多代之后祖先染色體片段的原有排布已被打多代之后祖先染色體片段的原有排布已被打亂。那些沒有被重組打破的區(qū)域相互間被重亂。那些沒有被重組打破的區(qū)域相互間被重組區(qū)域隔開組區(qū)域隔開,這些區(qū)域就是單倍型塊。這些區(qū)域就是單倍型塊。 單倍型單倍型塊的長(zhǎng)度一般為塊的長(zhǎng)度一般為3 92 kb 。 人類基因組

13、的人類基因組的65% -85% 是以單倍型塊方式是以單倍型塊方式組織起來的組織起來的. 識(shí)別單倍型的意義識(shí)別單倍型的意義構(gòu)建基因樹的基礎(chǔ)構(gòu)建基因樹的基礎(chǔ)識(shí)別致病基因識(shí)別致病基因理解重組和理解重組和LD模式模式單倍型的起源與進(jìn)化單倍型的起源與進(jìn)化位于位于Y染色體和染色體和mtDNA上的單倍體分子標(biāo)記無重組，上的單倍體分子標(biāo)記無重組，因而單倍型多樣性僅僅是由于突變產(chǎn)生。因而單倍型多樣性僅僅是由于突變產(chǎn)生。二倍體分子標(biāo)記的單倍型的起源有突變和重組二種二倍體分子標(biāo)記的單倍型的起源有突變和重組二種原因。如果重組是隨機(jī)發(fā)生的，則原因。如果重組是隨機(jī)發(fā)生的，則n個(gè)等位基因可個(gè)等位基因可以有以有2n種單倍型。

14、種單倍型。任何任何2個(gè)標(biāo)記之間發(fā)生重組的可能性取決于它們的個(gè)標(biāo)記之間發(fā)生重組的可能性取決于它們的相互距離和位置。不同座位的等位基因之間由于重相互距離和位置。不同座位的等位基因之間由于重組降低而導(dǎo)致的組降低而導(dǎo)致的association稱為連鎖不平衡稱為連鎖不平衡（linkage disequilibrium，LD）。）。3. 種下遺傳多樣性和分化參種下遺傳多樣性和分化參數(shù)及應(yīng)用數(shù)及應(yīng)用物種遺傳變異程度的度量物種遺傳變異程度的度量 測(cè)量遺傳變異參數(shù)的方法隨所研究標(biāo)記的類型和測(cè)量遺傳變異參數(shù)的方法隨所研究標(biāo)記的類型和遺傳方式而異。一般地，物種的遺傳變異可以從遺傳方式而異。一般地，物種的遺傳變異可以

15、從三個(gè)方面來描述：三個(gè)方面來描述：遺傳多樣性：遺傳變異的量遺傳多樣性：遺傳變異的量遺傳分化：遺傳變異在群體之間的分布遺傳分化：遺傳變異在群體之間的分布遺傳距離：遺傳變異在成對(duì)群體之間的數(shù)量。遺傳距離：遺傳變異在成對(duì)群體之間的數(shù)量。遺傳多樣性遺傳多樣性 遺傳多樣性通常用于描述生物學(xué)實(shí)體（個(gè)體，遺傳多樣性通常用于描述生物學(xué)實(shí)體（個(gè)體，群體和物種）內(nèi)存在的遺傳變異。雜合度和群體和物種）內(nèi)存在的遺傳變異。雜合度和多態(tài)性水平是多態(tài)性水平是2個(gè)在個(gè)體、群體和物種個(gè)在個(gè)體、群體和物種3個(gè)水個(gè)水平上定量描述多樣性的參數(shù)。平上定量描述多樣性的參數(shù)。 廣義的多樣性包括廣義的多樣性包括2個(gè)組分：豐富度個(gè)組分：豐富度

16、（richness）和均勻度（）和均勻度（evenness）。前）。前者測(cè)量變異的數(shù)量，后者指示變異的分布。者測(cè)量變異的數(shù)量，后者指示變異的分布。 等位基因豐富度的測(cè)量等位基因豐富度的測(cè)量1 等位基因多樣性（等位基因多樣性（allelic diversity）或豐富度（）或豐富度（allelic richness）：每個(gè)座位上）：每個(gè)座位上出現(xiàn)的等位基因數(shù)量的平均值。計(jì)算時(shí)也包括單態(tài)座位?？梢砸匀后w或物種為出現(xiàn)的等位基因數(shù)量的平均值。計(jì)算時(shí)也包括單態(tài)座位?？梢砸匀后w或物種為單位計(jì)算。單位計(jì)算。 2 多態(tài)座位百分?jǐn)?shù)多態(tài)座位百分?jǐn)?shù) ：當(dāng)一個(gè)座位上最常見的等位基因的頻率：當(dāng)一個(gè)座位上最常見的等位基因

17、的頻率0.95時(shí)該座位稱多態(tài)時(shí)該座位稱多態(tài)座位。多態(tài)座位的定義是人為的，在當(dāng)代文獻(xiàn)中，只要表現(xiàn)出任何水平的變異座位。多態(tài)座位的定義是人為的，在當(dāng)代文獻(xiàn)中，只要表現(xiàn)出任何水平的變異就認(rèn)為是多態(tài)座位，而并不特別強(qiáng)調(diào)就認(rèn)為是多態(tài)座位，而并不特別強(qiáng)調(diào)0.95或或0.99的標(biāo)準(zhǔn)。的標(biāo)準(zhǔn)。 3 多態(tài)座位的平均等位基因數(shù)（多態(tài)座位的平均等位基因數(shù)（mean number of alleles per polymorphic locus）：計(jì)算方法同上但不包括單態(tài)座位。）：計(jì)算方法同上但不包括單態(tài)座位。 4 平均觀測(cè)雜合度（平均觀測(cè)雜合度（mean observed heterozygosity，Ho）：在所

18、觀測(cè)的座位上）：在所觀測(cè)的座位上雜合子的數(shù)量占所有檢測(cè)座位的比例。該參數(shù)廣泛用于二倍體生物的共顯性標(biāo)雜合子的數(shù)量占所有檢測(cè)座位的比例。該參數(shù)廣泛用于二倍體生物的共顯性標(biāo)記中，顯然，單倍體生物是無雜合性可言的。當(dāng)用于多倍體生物時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的解記中，顯然，單倍體生物是無雜合性可言的。當(dāng)用于多倍體生物時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的解釋須十分謹(jǐn)慎。該參數(shù)對(duì)顯性標(biāo)記不適合，因?yàn)闊o法識(shí)別出雜合性的個(gè)體。釋須十分謹(jǐn)慎。該參數(shù)對(duì)顯性標(biāo)記不適合，因?yàn)闊o法識(shí)別出雜合性的個(gè)體。5 平均期望雜合度平均期望雜合度(Expected heterozygosity He)，是根據(jù)哈溫定律所估算的期望，是根據(jù)哈溫定律所估算的期望值：值：He=1/m

19、Pij(1-Pij)M：基因座總數(shù)：基因座總數(shù)N：各基因位上的等位基因數(shù)：各基因位上的等位基因數(shù)Pij：第：第i個(gè)基因座的第個(gè)基因座的第j個(gè)等位基因的頻率。個(gè)等位基因的頻率。 Neis基因多樣性參數(shù)（基因多樣性參數(shù)（gene diversity statistics）基因多樣性首先由Nei（1973）提出，通常被看作是期望雜合度（expected heterozygosity）。 Nei（1973）提出的基因多樣性的計(jì)算：HT為總的期望雜合度，p為k個(gè)等位基因中的第i個(gè)在所有群體中的平均頻率?；蚨鄻有员粡V泛使用，但該參數(shù)也存在缺陷。如其值在0-1之間變化，隨著一個(gè)座位上的等位基因頻率接近相等

20、時(shí)，它變得不靈敏，此外，該參數(shù)嚴(yán)重依賴于2個(gè)最常見等位基因的頻率。 211i kTiiHp 單倍體基因組的考慮單倍體基因組的考慮 單倍體基因組的標(biāo)記在計(jì)算基因多樣性參數(shù)時(shí)也用同樣的方法，如計(jì)數(shù)單倍型的數(shù)目。對(duì)于單倍體標(biāo)記獨(dú)特的參數(shù)是計(jì)算單倍型多樣性（haplotype diversity）。 群體遺傳分化的度量群體遺傳分化的度量1 Neis GST 2 Wrights F-statisticsNeis GST總遺傳多樣性（HT）是以期望的總雜合度來度量的。HT可以分解成存在于群體內(nèi)部的基因多樣性部分HS和存在于群體間的基因多樣性的部分DST（Nei, 1973）。即 HTHSDST HS為每一

21、群體內(nèi)的期望雜合度的平均值，即 其中p為每個(gè)群體中第k個(gè)座位上的第i個(gè)等位基因的平均頻率（在所有群體中的均值）。多樣性指數(shù)HT、HS、DST可以用于計(jì)算遺傳分化參數(shù)GST，GST定義為群體之間相對(duì)于群體混合后（即總?cè)后w）的基因多樣性，Nei（1973）稱為基因分化系數(shù)（coefficient of gene differentiation）： GSTDST/ HT GST值在01之間變化，當(dāng)HTHS時(shí) GST0，表示等位基因頻率在所有群體中相同，群體之間沒有遺傳分化；當(dāng)HS0時(shí) GST1，亦即群體內(nèi)部無變異，而每個(gè)群體都固定了不同的等位基因，因而群體達(dá)到了最大的分化，所有檢測(cè)的變異都分布在不同

22、的群體中。在動(dòng)物中，活動(dòng)哪里強(qiáng)的鳥類的GST值是脊椎動(dòng)物中最低的；同樣能夠飛行的昆蟲是無脊椎動(dòng)物中最低的。 211i kSiHp Wrights F-statistics多樣性指數(shù)HT、HS也可以用于計(jì)算每個(gè)個(gè)體的平均觀測(cè)雜合度HI，也可以用于F-統(tǒng)計(jì)值來分析群體的遺傳結(jié)構(gòu)。Wright描述的HT和HS分別是在假定處于哈代-溫伯格平衡時(shí)的全部群體的總的期望雜合度和群體內(nèi)的平均期望雜合度，因而Wright和Nei對(duì)HT和HS的定義是不同的，盡管他們二人所使用的符號(hào)和計(jì)算公式相同。Wright基于在個(gè)體、群體和總?cè)后w（total population）3個(gè)水平上的變異情況提出3種分析方法。 Wri

23、ghts F-statisticsWrights F-statisticsWrights F-statisticsWrights F-statistics遺傳距離的計(jì)算遺傳距離的計(jì)算Neis遺傳距離遺傳距離Chord distanceJaccard相似系數(shù)相似系數(shù)核苷酸多樣度1. Average number of pairwise nucleotide differences between seqs.jiijnn2/ ) 1(12. Normalize to the length of the sequences (L)L核苷酸多樣度 nucleotide diversity1. ACAG

24、CATTAGCA2. ATAGCAATAGCT3. ATAGCAATACCT(1/3)*(3+1+4) = 8/3(8/3)/12 = 0.222A pair of sequences are on average 22.2% differentExample:# of pairs# of differences between sequences遺傳數(shù)據(jù)的分析方法遺傳數(shù)據(jù)的分析方法多元分析方法多元分析方法 Multidimensional Scaling，MS Principal Components Analysis，PCA譜系生物地理學(xué)（譜系生物地理學(xué)（phylogeography）分析

25、）分析 Genetic boundary analysis Spatial autocorrelation Nested cladistic analysis系統(tǒng)發(fā)育分析方法系統(tǒng)發(fā)育分析方法遺傳多樣性的應(yīng)用遺傳多樣性的應(yīng)用遺傳變異參數(shù)可以應(yīng)用于估計(jì)基因流、遺傳遺傳變異參數(shù)可以應(yīng)用于估計(jì)基因流、遺傳結(jié)構(gòu)、分類學(xué)、識(shí)別遺傳瓶頸、群體演化歷結(jié)構(gòu)、分類學(xué)、識(shí)別遺傳瓶頸、群體演化歷史、群體大小歷史過程及保育生物學(xué)等方面。史、群體大小歷史過程及保育生物學(xué)等方面。哈迪哈迪-溫伯格平衡是遺傳變異應(yīng)用的基礎(chǔ)，已溫伯格平衡是遺傳變異應(yīng)用的基礎(chǔ)，已經(jīng)發(fā)展了多種成熟的方法了分析偏離哈代經(jīng)發(fā)展了多種成熟的方法了分析偏離

26、哈代-溫溫伯格平衡的因素。伯格平衡的因素。溯祖理論（溯祖理論（coalescent theory）是遺傳變異）是遺傳變異應(yīng)用的基礎(chǔ)。應(yīng)用的基礎(chǔ)。一個(gè)典型的群體基因型數(shù)據(jù)的分一個(gè)典型的群體基因型數(shù)據(jù)的分析內(nèi)容析內(nèi)容 1. 多態(tài)性、遺傳多樣性和雜合度水平分析（多態(tài)性、遺傳多樣性和雜合度水平分析（Levels of polymorphism， genetic diversity and heterozygosity）2. 觀測(cè)基因型與哈迪觀測(cè)基因型與哈迪-溫伯格平衡的符合及數(shù)據(jù)同質(zhì)性溫伯格平衡的符合及數(shù)據(jù)同質(zhì)性（Conformity to Hardy-Weinberg equilibrium and

27、 homogeneity of data）3. 使用使用F-統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行的群體遺傳結(jié)構(gòu)分析統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行的群體遺傳結(jié)構(gòu)分析(Hierarchical analysis of genetic structure with F-statistics，including level of significance)4. 使用遺傳距離分析群體遺傳結(jié)構(gòu)和群體之間關(guān)系使用遺傳距離分析群體遺傳結(jié)構(gòu)和群體之間關(guān)系（Analysis of genetic structure with pairwise genetic distance， phenogram)5. 多變量因子分析多變量因子分析Multivariate

28、analysis (Principle Component Analysis or Factor analysis).6. 連鎖分析（連鎖分析（Linkage analysis） 4. 種下系統(tǒng)發(fā)育分析及應(yīng)用種下系統(tǒng)發(fā)育分析及應(yīng)用基因譜系基因譜系Gene Genealogy來自同一個(gè)物種內(nèi)由微進(jìn)化來自同一個(gè)物種內(nèi)由微進(jìn)化（microevolutionary ）過程產(chǎn)生的）過程產(chǎn)生的不同等位基因拷貝序列構(gòu)建的樹狀圖不同等位基因拷貝序列構(gòu)建的樹狀圖稱為基因譜系（稱為基因譜系（gene genealogy），），以區(qū)別于來自不同物種序列、反映大以區(qū)別于來自不同物種序列、反映大進(jìn)化（進(jìn)化（macroe

29、volutionary ）過程的）過程的系統(tǒng)樹?；蜃V系上的基因序列代表系統(tǒng)樹。基因譜系上的基因序列代表了群體中存在的不同等位基因了群體中存在的不同等位基因/單倍型，單倍型，它們可以存在于不同個(gè)體、也可以是它們可以存在于不同個(gè)體、也可以是同一個(gè)體。同一個(gè)體。 基因譜系構(gòu)建基因譜系構(gòu)建構(gòu)建基因譜系的方法與構(gòu)建普通的系統(tǒng)樹完全一樣，構(gòu)建基因譜系的方法與構(gòu)建普通的系統(tǒng)樹完全一樣，所不同的只是對(duì)等位基因序列的確定。所不同的只是對(duì)等位基因序列的確定。從等位基因序列構(gòu)建樹狀圖的最大障礙是重組問題，從等位基因序列構(gòu)建樹狀圖的最大障礙是重組問題，因?yàn)橹亟M事件將因?yàn)橹亟M事件將2個(gè)不同的等位基因的部分混合成個(gè)不同

30、的等位基因的部分混合成一個(gè)新等位基因，從而使等位基因之間的關(guān)系表現(xiàn)一個(gè)新等位基因，從而使等位基因之間的關(guān)系表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，而不是樹狀分支關(guān)系。這種關(guān)系違反為網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，而不是樹狀分支關(guān)系。這種關(guān)系違反了系統(tǒng)發(fā)育分析的基本假設(shè)。了系統(tǒng)發(fā)育分析的基本假設(shè)。 如果重組頻率不太高的話，可以識(shí)別出從來沒有發(fā)如果重組頻率不太高的話，可以識(shí)別出從來沒有發(fā)生過重組的局部的單倍型模塊（生過重組的局部的單倍型模塊（haplotype blocks）。）。 基因譜系與系統(tǒng)樹基因譜系與系統(tǒng)樹 二種水平的系統(tǒng)發(fā)育分析的區(qū)別：二種水平的系統(tǒng)發(fā)育分析的區(qū)別：1) 抽樣的一個(gè)現(xiàn)存群體可以是某些群體的祖先，抽樣的一個(gè)現(xiàn)存群體可以

31、是某些群體的祖先，而在物種以上的比較中祖先一般是不存在的。而在物種以上的比較中祖先一般是不存在的。 2) 祖先群體與后代群體一樣可以產(chǎn)生新的突變。祖先群體與后代群體一樣可以產(chǎn)生新的突變。3) 由于重組形成等位基因或單倍型之間的網(wǎng)狀關(guān)由于重組形成等位基因或單倍型之間的網(wǎng)狀關(guān)系系(tokogeny)而非二分歧樹。而非二分歧樹。4) 群體水平上序列的分歧程度較低，傳統(tǒng)的系統(tǒng)群體水平上序列的分歧程度較低，傳統(tǒng)的系統(tǒng)發(fā)育分析方法在應(yīng)用這樣的數(shù)據(jù)建立的系統(tǒng)發(fā)育樹發(fā)育分析方法在應(yīng)用這樣的數(shù)據(jù)建立的系統(tǒng)發(fā)育樹的準(zhǔn)確性較低。的準(zhǔn)確性較低。 基因譜系基因譜系在分析群體數(shù)據(jù)時(shí)，我們需要一種新的能夠在分析群體數(shù)據(jù)時(shí)，

32、我們需要一種新的能夠考慮群體數(shù)據(jù)特征的系統(tǒng)發(fā)育分析方法。傳考慮群體數(shù)據(jù)特征的系統(tǒng)發(fā)育分析方法。傳統(tǒng)的二分歧樹模型不能用于基因譜系的建立，統(tǒng)的二分歧樹模型不能用于基因譜系的建立，網(wǎng)絡(luò)方法更符合群體水平的譜系關(guān)系。目前網(wǎng)絡(luò)方法更符合群體水平的譜系關(guān)系。目前已經(jīng)提出了多種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)育分析方法，已經(jīng)提出了多種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)育分析方法，Posada和和Crandall（2001）對(duì)這些方法進(jìn)）對(duì)這些方法進(jìn)行了總結(jié)。這些方法中以基于算法的方法占行了總結(jié)。這些方法中以基于算法的方法占大多數(shù)，基于優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)的方法較少。大多數(shù)，基于優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)的方法較少?；蜃V系基因譜系單倍型的進(jìn)化歷史有樹狀和網(wǎng)絡(luò)狀二種，從單倍型的進(jìn)化

33、歷史有樹狀和網(wǎng)絡(luò)狀二種，從來沒有發(fā)生過重組的來沒有發(fā)生過重組的DNA片段與種間分歧的片段與種間分歧的序列一樣為樹狀，而大多數(shù)單倍型之間有網(wǎng)序列一樣為樹狀，而大多數(shù)單倍型之間有網(wǎng)狀的進(jìn)化關(guān)系或多歧分枝（同時(shí)形成的單倍狀的進(jìn)化關(guān)系或多歧分枝（同時(shí)形成的單倍型）。因而單倍型之間的譜系關(guān)系可以用多型）。因而單倍型之間的譜系關(guān)系可以用多種不同的圖示表示，如種不同的圖示表示，如cladogram，phylogram或或haplotypic tree。當(dāng)有重組和。當(dāng)有重組和基因水平轉(zhuǎn)移是樹狀圖不能很好地表達(dá)他們基因水平轉(zhuǎn)移是樹狀圖不能很好地表達(dá)他們之間的關(guān)系，這種情況下用網(wǎng)絡(luò)更好。之間的關(guān)系，這種情況下用網(wǎng)

34、絡(luò)更好。 最小生成網(wǎng)絡(luò)法最小生成網(wǎng)絡(luò)法最小生成網(wǎng)絡(luò)法（最小生成網(wǎng)絡(luò)法（minimum-spanning network，MSN），軟件包），軟件包ARLEQUIN V2.0中有此算法（中有此算法（Schneider等，等，2000）。這是）。這是一種從成對(duì)單倍型之間的距離矩陣中構(gòu)建最一種從成對(duì)單倍型之間的距離矩陣中構(gòu)建最小生成樹（小生成樹（minimum-spanning tree，MST）的算法（的算法（Rohlf，1973）經(jīng)過改進(jìn)以在一個(gè)）經(jīng)過改進(jìn)以在一個(gè)圖上包含所有可能的圖上包含所有可能的MST的方法（的方法（Excoffier and Smouse，1994）。多個(gè)最小生成樹只）。多

35、個(gè)最小生成樹只在取樣的單倍型之間才有連接，沒有推論未在取樣的單倍型之間才有連接，沒有推論未取樣單倍型的能力。取樣單倍型的能力。 統(tǒng)計(jì)簡(jiǎn)約法統(tǒng)計(jì)簡(jiǎn)約法TCS統(tǒng)計(jì)簡(jiǎn)約法（統(tǒng)計(jì)簡(jiǎn)約法（statistical parsimony），），Templeton等，等，1992。軟件包。軟件包TCS V1.13（Clement等，等，2000）中有此算法。該法首先尋找）中有此算法。該法首先尋找未校正的距離中不低于未校正的距離中不低于5%的概率（稱為簡(jiǎn)約上限，的概率（稱為簡(jiǎn)約上限，parsimony limit）違反簡(jiǎn)約性原則的距離，接著從）違反簡(jiǎn)約性原則的距離，接著從具有最小距離的單倍型開始迭代地建立各單倍型

36、之具有最小距離的單倍型開始迭代地建立各單倍型之間地連接，直到所有的單倍型都連上，或者對(duì)應(yīng)于間地連接，直到所有的單倍型都連上，或者對(duì)應(yīng)于簡(jiǎn)約上限距離的單倍型連通上為止。盡管應(yīng)用簡(jiǎn)約上限距離的單倍型連通上為止。盡管應(yīng)用TCS可以推論遺失的單倍型節(jié)點(diǎn)，但在文獻(xiàn)中還沒有正可以推論遺失的單倍型節(jié)點(diǎn)，但在文獻(xiàn)中還沒有正式的描述推論的算法。式的描述推論的算法。 中值連接法中值連接法中值連接法（中值連接法（median-joining network，MJN），軟件包），軟件包NETWORKS V2.0（Bandelt等，等，1999）中有此算法。該法首）中有此算法。該法首先將所有的先將所有的MSTs根據(jù)類似

37、于根據(jù)類似于Excoffier and Smouse（1994）提出的算法聯(lián)合在單一網(wǎng)）提出的算法聯(lián)合在單一網(wǎng)絡(luò)上（絡(luò)上（MSN），接著應(yīng)用簡(jiǎn)約性標(biāo)準(zhǔn)推論出），接著應(yīng)用簡(jiǎn)約性標(biāo)準(zhǔn)推論出MSN上遺失的單倍型節(jié)點(diǎn)并將其添加到上遺失的單倍型節(jié)點(diǎn)并將其添加到MSN上，以使上，以使MSN的總樹長(zhǎng)最小。的總樹長(zhǎng)最小。 最簡(jiǎn)約樹聯(lián)合法最簡(jiǎn)約樹聯(lián)合法最簡(jiǎn)約樹聯(lián)合法（最簡(jiǎn)約樹聯(lián)合法（union of most parsimonious trees，UMP），由），由Cassens等（等（2005）提出。該）提出。該法需要二個(gè)連續(xù)的步驟，首先，采用法需要二個(gè)連續(xù)的步驟，首先，采用MP法分析數(shù)法分析數(shù)據(jù)并保存據(jù)并保

38、存MPT及其分支長(zhǎng)度信息；接著使用下述算及其分支長(zhǎng)度信息；接著使用下述算法將所有保存的法將所有保存的MPTs聯(lián)合在一個(gè)圖上。算法是：聯(lián)合在一個(gè)圖上。算法是：將所有將所有MPTs連通到單一網(wǎng)絡(luò)上；將不同連通到單一網(wǎng)絡(luò)上；將不同MPTs上具有相同的分枝、單倍型或分枝單倍型（無論是上具有相同的分枝、單倍型或分枝單倍型（無論是取樣的單倍型還是推論的單倍型）合并，在這個(gè)過取樣的單倍型還是推論的單倍型）合并，在這個(gè)過程中，從一棵或多棵程中，從一棵或多棵MPTs上獲得的獨(dú)特的譜系路上獲得的獨(dú)特的譜系路徑的環(huán)（徑的環(huán)（cycles）仍然維持不變。）仍然維持不變。 基因譜系的應(yīng)用基因譜系的應(yīng)用 （1）基因譜系可

39、以用于檢驗(yàn)自然選擇作用）基因譜系可以用于檢驗(yàn)自然選擇作用 （2）中性理論的檢驗(yàn)）中性理論的檢驗(yàn) （3）基因流估計(jì)）基因流估計(jì) （4）從基因譜系推論群體進(jìn)化）從基因譜系推論群體進(jìn)化（5）從基因譜系推論群體參數(shù)）從基因譜系推論群體參數(shù) 基因譜系應(yīng)用的理論基礎(chǔ)基因譜系應(yīng)用的理論基礎(chǔ)哈迪哈迪-溫伯格（溫伯格（Hardy-Wenberg equilibrium）中性理論（中性理論（neutral theory）溯祖理論（溯祖理論（coalescent theory）判斷群體分化判斷群體分化Pons and Petit（1996）提出了利用）提出了利用DNA序序列數(shù)據(jù)判斷群體分化的方法：從列數(shù)據(jù)判斷群體分

40、化的方法：從DNA序列中序列中計(jì)算出計(jì)算出Gst和和Nst二個(gè)參數(shù)，二個(gè)參數(shù)，Gst僅考慮單倍僅考慮單倍型頻率，而型頻率，而Nst考慮單倍型之間的相似性，數(shù)考慮單倍型之間的相似性，數(shù)據(jù)集中有顯著遺傳分化發(fā)生可以通過比較據(jù)集中有顯著遺傳分化發(fā)生可以通過比較Nst接近于接近于0來檢驗(yàn)，而來檢驗(yàn)，而Gst和和Nst差異的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異的統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性提供了單倍型的系統(tǒng)發(fā)育及其地理分顯著性提供了單倍型的系統(tǒng)發(fā)育及其地理分布信息，即當(dāng)布信息，即當(dāng)NstGst時(shí)，有著密切相關(guān)時(shí)，有著密切相關(guān)的單倍型多在同一群體而不是不同群體中存的單倍型多在同一群體而不是不同群體中存在。在。 單倍型譜系與地理分布的關(guān)系單倍型譜系

41、與地理分布的關(guān)系單倍型譜系樹：根據(jù)單倍型的序列信息建立的單倍型譜系樹：根據(jù)單倍型的序列信息建立的基因樹?；驑?。單倍型的地理分布：識(shí)別出的單倍型在地理空單倍型的地理分布：識(shí)別出的單倍型在地理空間的分布式樣。間的分布式樣。如果單倍型樹與地理分布一致，則如果單倍型樹與地理分布一致，則NstGst。如果單倍型之間沒有特定的關(guān)系，則如果單倍型之間沒有特定的關(guān)系，則NstGst。如果關(guān)系密切的單倍型之間不在相同分布區(qū)域如果關(guān)系密切的單倍型之間不在相同分布區(qū)域的群體中出現(xiàn)，則的群體中出現(xiàn)，則NstGst。 基因流估計(jì)基因流估計(jì)傳統(tǒng)方法是應(yīng)用等位酶、傳統(tǒng)方法是應(yīng)用等位酶、SSR等無序分子標(biāo)等無序分子標(biāo)記，在

42、中性模型下（假定群體處于基因流和記，在中性模型下（假定群體處于基因流和漂變作用的平衡狀態(tài)）計(jì)算群體遺傳結(jié)構(gòu)相漂變作用的平衡狀態(tài)）計(jì)算群體遺傳結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行間接估計(jì)。群體等位基因的地理關(guān)參數(shù)進(jìn)行間接估計(jì)。群體等位基因的地理變異被用于計(jì)算聯(lián)合參數(shù)變異被用于計(jì)算聯(lián)合參數(shù)Nm（作為群體之間（作為群體之間每世代遷移個(gè)體的平均數(shù)）。每世代遷移個(gè)體的平均數(shù)）。Nm大于大于1表示表示基因流的效應(yīng)大于漂變的效應(yīng)，基因流的效應(yīng)大于漂變的效應(yīng)，Nm小于小于1說說明基因流受到限制，或無基因流。明基因流受到限制，或無基因流。 基因流估計(jì)基因流估計(jì)Templeton法常稱為嵌套進(jìn)化枝分析（法常稱為嵌套進(jìn)化枝分析（nes

43、ted clade analysis），該法將地理分布信息疊加到基因譜系上，采用），該法將地理分布信息疊加到基因譜系上，采用嚴(yán)密的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法來檢驗(yàn)地理分布與基因譜系的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度，嚴(yán)密的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法來檢驗(yàn)地理分布與基因譜系的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度，并由此來解釋造成這種原因的進(jìn)化過程。并由此來解釋造成這種原因的進(jìn)化過程。具體做法是：首先，采用統(tǒng)計(jì)簡(jiǎn)約法建立無根支序圖具體做法是：首先，采用統(tǒng)計(jì)簡(jiǎn)約法建立無根支序圖（cladogram），從這個(gè)基因樹上可以形成一系列的嵌套的），從這個(gè)基因樹上可以形成一系列的嵌套的進(jìn)化枝。然后，將地理信息疊加到支序圖上，計(jì)算出進(jìn)化枝進(jìn)化枝。然后，將地理信息疊加到支序圖上，計(jì)算出進(jìn)化枝距離

44、（距離（clade distance，Dc）和嵌套進(jìn)化枝距離（）和嵌套進(jìn)化枝距離（nested clade distance，Dn）。進(jìn)化枝距離）。進(jìn)化枝距離Dc是從進(jìn)化枝地理中是從進(jìn)化枝地理中心到各進(jìn)化枝成員的平均空間距離（心到各進(jìn)化枝成員的平均空間距離（km），而嵌套進(jìn)化枝），而嵌套進(jìn)化枝距離是嵌套進(jìn)化枝地理中心到嵌套進(jìn)化枝各成員之間的平均距離是嵌套進(jìn)化枝地理中心到嵌套進(jìn)化枝各成員之間的平均空間距離。最后，采用排列檢驗(yàn)（空間距離。最后，采用排列檢驗(yàn)（permutation test）確定）確定對(duì)這種模式的支持度。對(duì)這種模式的支持度。 從基因譜系估計(jì)群口歷史從基因譜系估計(jì)群口歷史nGrant

45、 and Bowen（1998）通過比較）通過比較mtDNA單倍型和核苷酸單倍型和核苷酸多態(tài)性（多態(tài)性（nucleotide diversity）作為估算群口歷史）作為估算群口歷史（demographic）的方法）的方法n 5. 種界確定種界確定種界確定問題種界確定問題系統(tǒng)生物學(xué)的兩大主要任務(wù)就是為物種定系統(tǒng)生物學(xué)的兩大主要任務(wù)就是為物種定界和重建它們的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系界和重建它們的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系 。超越主觀判斷，發(fā)展種界確定的客觀操作超越主觀判斷，發(fā)展種界確定的客觀操作方法一直都是一個(gè)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)分類學(xué)家用方法一直都是一個(gè)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)分類學(xué)家用宏觀的形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)來為物種定界；之后隨宏觀的形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)來為物

46、種定界；之后隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，分子數(shù)據(jù)也逐著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，分子數(shù)據(jù)也逐步應(yīng)用到種界確定上來，最近，很多研究步應(yīng)用到種界確定上來，最近，很多研究提出了用提出了用DNA序列數(shù)據(jù)來檢驗(yàn)傳統(tǒng)的、形序列數(shù)據(jù)來檢驗(yàn)傳統(tǒng)的、形態(tài)學(xué)上的分類，尤其是線粒體態(tài)學(xué)上的分類，尤其是線粒體DNA（mtDNA）的分析。）的分析。 種界確定的分子方法分類種界確定的分子方法分類不依賴于系統(tǒng)樹的方法：不依賴于系統(tǒng)樹的方法： （1）雜交帶屏障法）雜交帶屏障法 （2）遺傳距離與地理距離關(guān)聯(lián)法）遺傳距離與地理距離關(guān)聯(lián)法 （3）絕對(duì)遺傳距離法）絕對(duì)遺傳距離法 （4）重組域法）重組域法 （5）群體聚集分析）群體聚集分析依

47、賴于系統(tǒng)樹的方法：依賴于系統(tǒng)樹的方法： （6）分支單倍型聚集法）分支單倍型聚集法 （7）譜系排它性標(biāo)準(zhǔn)）譜系排它性標(biāo)準(zhǔn) （8）內(nèi)聚性檢驗(yàn)法）內(nèi)聚性檢驗(yàn)法遺傳距離與地理距離關(guān)聯(lián)法遺傳距離與地理距離關(guān)聯(lián)法Good與與Wake所提出的方法是直接根據(jù)所提出的方法是直接根據(jù)“遺傳距離遺傳距離-地理距離圖地理距離圖”來檢測(cè)物種界限。這里的遺傳距離根來檢測(cè)物種界限。這里的遺傳距離根據(jù)異型酶座位來計(jì)算。在該方法中需要對(duì)取樣樣本據(jù)異型酶座位來計(jì)算。在該方法中需要對(duì)取樣樣本進(jìn)行兩兩比較，在進(jìn)行兩兩比較，在“遺傳距離遺傳距離-地理距離直角坐標(biāo)系地理距離直角坐標(biāo)系”上標(biāo)出每對(duì)比較的結(jié)果，然后對(duì)所得到的結(jié)果做擬上標(biāo)出每

48、對(duì)比較的結(jié)果，然后對(duì)所得到的結(jié)果做擬合趨勢(shì)線。若擬合趨勢(shì)線過坐標(biāo)原點(diǎn)，則表明基因合趨勢(shì)線。若擬合趨勢(shì)線過坐標(biāo)原點(diǎn)，則表明基因交流的程度和地理距離相關(guān)，取樣樣本可被認(rèn)為是交流的程度和地理距離相關(guān)，取樣樣本可被認(rèn)為是同一物種；相反，若擬合趨勢(shì)線嚴(yán)重偏離坐標(biāo)原點(diǎn)，同一物種；相反，若擬合趨勢(shì)線嚴(yán)重偏離坐標(biāo)原點(diǎn)，則表明樣本相互之間基因交流程度與地理距離之間則表明樣本相互之間基因交流程度與地理距離之間的分歧度不同，取樣樣本可能包含了多個(gè)物種。在的分歧度不同，取樣樣本可能包含了多個(gè)物種。在用這種方法時(shí)可以事先在總樣本內(nèi)定義幾個(gè)子集，用這種方法時(shí)可以事先在總樣本內(nèi)定義幾個(gè)子集，這樣在總樣本包含多個(gè)物種時(shí)同時(shí)可

49、以檢測(cè)出哪些這樣在總樣本包含多個(gè)物種時(shí)同時(shí)可以檢測(cè)出哪些樣本屬于同一物種樣本屬于同一物種 。Good & Wake的遺傳距離法。(a)表示取樣樣本之間兩兩比較的遺傳距離-地理距離散點(diǎn)圖；(b)表示事先定義的兩個(gè)子集A、B內(nèi)部的擬合趨勢(shì)線；(c)表示所有樣本整體散點(diǎn)圖的擬合趨勢(shì)線。根據(jù)Good & Wake的觀點(diǎn)，子集A、B分別為獨(dú)立的物種，整體取樣包含多個(gè)物種。 絕對(duì)遺傳距離法絕對(duì)遺傳距離法Highton于于1990年提出了另一個(gè)根據(jù)遺傳距離來為年提出了另一個(gè)根據(jù)遺傳距離來為物種定界的方法。該方法不考慮地理距離，而是從物種定界的方法。該方法不考慮地理距離，而是從樣本之間的遺傳距

50、離的分布頻率來為物種定界。樣本之間的遺傳距離的分布頻率來為物種定界。Highton認(rèn)為樣本之間的遺傳距離是由不同程度的認(rèn)為樣本之間的遺傳距離是由不同程度的生殖隔離所產(chǎn)生的，并指出生殖隔離所產(chǎn)生的，并指出Nei D0.15時(shí)所比較的時(shí)所比較的兩個(gè)樣本屬于同一物種，而兩個(gè)樣本屬于同一物種，而Nei D0.15時(shí)則認(rèn)為該時(shí)則認(rèn)為該屬于不同的物種。這個(gè)觀點(diǎn)可以通過屬于不同的物種。這個(gè)觀點(diǎn)可以通過D距離的分布距離的分布頻率柱狀圖來進(jìn)行直觀判斷。若取樣樣本頻率柱狀圖來進(jìn)行直觀判斷。若取樣樣本D值頻率值頻率分布只在分布只在Nei D0.15有一個(gè)峰值，則可認(rèn)為取樣樣有一個(gè)峰值，則可認(rèn)為取樣樣本屬于同一物種；相反，若本屬于同一物種；相反，若D值頻率分布在值頻率分布在Nei