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分子生態學是微生物學的一個領域,利用分子生物學方法研究微生物生態學。比如研究某些基因在環境中的存在和分佈。分子生態學是近年來興起的一門前沿學科,是分子生物學與生態學這兩個20世紀帶頭學科交叉融合的產物,它將對生態學、分子生物學以及生態適應與進化的研究產生重大影響。

1 分子生態學 -產生

分子生態學分子生態學研究
生物與環境之間的相互影響,是地球上的生命出現以來就普遍存在的一種自然現象。但生態學自1866年誕生以來,人類對其規律性的認識則經歷了一個由淺入深,由片面到全面的較長歷史過程。表現在方法上,從逐漸擺脫直接觀察的「猜測思辨法」,到野外定性描述的「經驗歸納法」,再到野外定位定量測試與室內實驗相結合的「系統綜合法」。上述方法雖然有力地推動生態學取得了長足發展,但其研究視野仍局限在宏觀水平上,因而表現出外貌或形態相同的生命有機體,由於所處的環境條件不同,其生理功能也不相同;親代外貌、形態和生理功能相同的生命有機體,子代卻由於所處的環境條件不同而產生新的變異,因此,宏觀生態現象的多樣性需要用微觀的室內實驗分析來揭示其生態本質的一致性也就成為生態學宏觀與微觀相結合發展的必然趨勢。分子生物學原理和技術應用於生態學研究而形成的生態學新的分支科學——分子生態學,使生態學的實驗研究一躍進入分子水平。

2 分子生態學 -基礎

分子生態學分子生物學
分子生態學的興趣,首先建立在組成生命有機體的基本物質——核酸和蛋白質等生物大分子以及環境對這些基本物質的影響上。生命有機體遺傳信息的攜帶者是核酸。遺傳信息通過DNA分子半保留複製而代代相傳。遺傳信息由DNA到RAN再到多肽鏈合成蛋白質的過程稱之為中心法則。合成的蛋白質作為一切生命活動的承擔者,實現了生命有機體新陳代謝,生長發育以及對外界環境變化的反應,並調控著信息的傳遞和表達。雖然糖類不像核酸直接參与生命現象的延續,也不像蛋白質那樣直接承擔生命活動的體現,但它與分子之間的相互識別有密切的關係,因而在生命有機體信息傳遞中發揮著重要作用。

攜帶蛋白質所需信息的DNA片段稱為基因(gene),它是DNA上決定生命有機體外部形態、內部結構和生理功能的基本單位,按功能分為可被轉錄形成MDNA,進而轉譯成多肽,構成各種結構蛋白和催化各種生化反應的酶和激素等的結構基因以及可調節控制結構基因表達的基因的調節基因。基因由丹麥遺傳學家Johansen W於1909年提出以稱謂「孟德爾因子」或孟德爾自己使用的「性狀單位(Chara-cter unit)」或「單位因子(Unit factor)」,而現代定義則為「遺傳信息的結構和功能單位」。每個DNA分子含有很多因基因,基因的複製過程就是4種鹼基按A配T,G配C的互補配對原則進行。因DNA分子是由兩條多核苷酸組成雙螺旋結構,故複製時,DNA在酶的催化作用下,原來的兩條鏈先解旋成單鏈,然後分別以自己為模板,配成相應的新鏈。這樣,1個母DNA分子便複製成兩個完全相像的分子,它說明了為什麼子代和親代相像的道理,即遺傳的實質是鹼基序列的複製過程。

分子生態學分子生態學

基因最重要的特徵是其從親代到子代相似的複製能力,以保證生命有機體遺傳的穩定性。然而,如果遺傳信息始終不變,就不可能有新的生命有機體類型的產生。事實上,地球上生物多樣性的存在已充分證明了遺傳信息攜帶者的基因具有變化的特徵,即基因突變(Mutation)。所有發生在基因的DNA序列中是由鹼基替代和鹼基缺失(Base deletion)等改變引起的,可以通過複製而遺傳的任何持續性改變改變都叫基因突變,它可發生在生殖細胞,也可發生在體細胞。其中,鹼基數量的變化是基因突變的一個重要原因。因為在不同的生命有機體類型之間,鹼基的數量是不同的,DNA以其加倍的4個符號,可以編譯成的MM藍本是無限的,說明基因突變也是無限的。其次,鹼基的內容不同,也會導致基因突變,如ACA和UCA,雖只一個鹼基之差,但含義是不同的。另外,鹼基排列次序的變化,也是導致基因突變的一個,如UCA和CUA,CGG和GGC,他們的鹼基完全相同,只是排列次序不同,因而其含義也不同。

基因是遺傳信息的攜帶者,而生命活動的執行者卻是蛋白質,即基因表達的產物。然而,生命有機體中的基因並非同時全部表達,其表達程度也各不相同。只有按一定的表達模式表達的基因,才能使遺傳信息與生命活動之間建立直接的聯繫。因此,真正執行生命活動的蛋白質是在基因調控下不斷變化的。此外,蛋白質分子,除有以氨基酸組成的並有一定順序的肽鏈結構外,還具有肽鏈在空間的捲曲摺疊而形成的三維空間結構,也只有處在這種特定的三維結構中的蛋白質分子,才能真正發揮生物功能。

因此,即使肽鏈的氨基酸序列不變,只要空間結構被破壞,就會導致蛋白質功能的喪失。

分子生物學在其迅速發展中起來越深刻地認識到基因與環境的相互作用是產生基因突變和基因多態的源泉。因此,分子生物學對分子生態學最本質的貢獻是闡明了外界環境對以中心法則為基礎的基因突變,基因表達和蛋白質活性施以深刻的影響,因此生命有機體隨著外界環境和內部生理狀態的不同而表現出不同的基因突變、基因表達和蛋白質活性差異,且這種差異存在著嚴格的時空特異性。依據這一分子生物學原理,即可在分子水平上研究和揭示生命有機體和環境之間相互作用的分子基礎和分子機理。

既然分子生物學規範意義上的分子水平是核酸和蛋白質等生物大分子,分子生態學規範意義上的分子水平也應該是核酸和蛋白質等生物大分子。因此,無機分子,有機分子,除核酸和蛋白質等生物大分子以外的生物分子或生物活性分子,都不是分子生態學規範意義上的分子水平。就其環境而言,從微觀的核內超微環境,到中觀的體內環境,再到宏觀的體外環境,直至到宇觀的全球環境,都對基因突變、基因表達和蛋白質活性施以深刻的影響,但限於目前的實驗手段有對宏觀的體外環境參數進行精確的定量測試,因此除膜電位以外,中觀和微觀環境因子對基因突變、基因表達和蛋白質活性影響的精確定量測試目前尚在努力的探索之中。

3 分子生態學 -任務

分子生態學基因庫
生態學研究的生物有機體是一個層次複雜的生命系統,個體物種在宏觀水平上能夠體現出生命有機體新陳代謝、自我繁殖、自我調節,變異進化等生命的基本特徵,但不能表徵由於所處環境的異質性而導致的不同環境中同種個體在新陳代謝、自我繁殖、自我調節、變異進化等方面的差異。事實上,任何一個個體物種都不是以單一個體的形式存在於自然環境中,而是以群體物種的形式有存在於自然環境中。生態學上將同種生物在特定空間的個體集群稱為種群,它既有數量特徵和空間特徵,又有遺傳特徵,即有一定的遺傳組成,世代傳遞基因頻率,通過改變基因頻率來適應環境的不斷變化,它是生態層次的基本結構單位,也是生態系統的基本功能單位。

從分子生物學的角度上看,種群是指能自由交配和繁殖的一群同種個體,它在一定的時間內擁有全部基因的總和稱為該種群的基因庫(Genepool),而攜帶的全部遺傳信息的總和又稱為該種群的基因組(Genome)。結合生態學和分子生物學對種群的定義和理解,分子生態學將在分子水平上,從結構研究(分子基礎和功能研究)和分子機制兩方面來研究種群與環境的相互作用,並將其作為自己的主流任務。

4 分子生態學 -發展

分子生態學分子標記
分子生態學的深入發展依賴分子標記和檢測技術的重大突破

客觀地說,分子生態學還是一門十分年輕的學科,它沒有公認的學科創始人和標識性的學術論著,其發展主要通過跟蹤精確的分子標記技術和分子檢測技術來準確地鑒別生物大分子結構與功能的差異,藉此來揭示生物與環境相互作用的分子機制,這是分子生物學最顯著的學科特徵。

分子生態學研究始終依賴和跟蹤分子標記技術和分子檢測技術。分子標記技術包括限制性片斷長度多態(Restriction fragment lengthpolymorphism, RFLP)、單核苷酸多態(Single nucleotide polymorphisms, SNP)、擴增片段長度多態性(Amplified fragment lengthpolymorphism, AFLP)、隨機擴增DNA多態性(Random amplified polymorphism DNA, RAPD)、可變的串連重複多態(Variable number oftandem repeats polymorphism, VNTRP)和PCR技術;分子檢測技術包括DNA(或RNA)序列分析、片段分析(長度分析),單鏈構象多態性(Single strand conformation polymorphism, SSCP)、變性梯度(Denaturing gradient gel electrophoresis, DGGE),溫度梯度凝膠電泳(Temperature gradient gel electrophoresis, TGGE)、變性高效液相色譜(Denaturing high performance liquid chromatography, DHPLC)。

Weber(1989)通過PCR擴增和直接的序列測定發現了一類特殊的VNTR,其串連重複的核心單元僅由2個鹼基組成,稱為微衛星(Microsatellites),它與等位酶和RFLP一樣是很好的共顯性標記物。隨著基因組測序計劃的開展以及更多的蛋白質序列和結構的測定,微衛星可以揭示出更高水平的多態性。

5 分子生態學 -研究

分子生態學分子生態學研究
分子生態學的結構和功能研究可能基於核酸技術,也可以有基於蛋白質技術,即直接研究基因的表達產物。基於核酸的技術主要有兩種:一種是基因表達順序分析法,即首先分離到細胞的信使RNA(mRNA),也就是正在發揮作用的基因的轉錄產物,再逆轉錄成互補DNA(cDNA),經標記和酶切,再用聚合酶鏈反應主(PCR)複製擴增,通過對這些基因片段的序列分析來研究基因的活動規律。另一種技術是顯微排陣法,主要是利用標記cDNA和mRNA的雜交在一種顯微體系中進行排列,使其可以在較大規模上來研究基因表達的模式和規律。這兩種技術都可以用於檢測在不同條件下的基因表達情況。

然而,細胞內mRNA的信息還不能代表基因產物最終功能形成蛋白質的信息,mRNA的豐富度並不一定與最終表達產物蛋白質有直接關係,更何況許多功能蛋白還有翻譯后修飾和加工,包括蛋白質剪接,所以最終還是要用蛋白質研究來補充核酸分析數據。相對於基因組研究的進展速度,蛋白質組的研究顯得相對滯后,主要原因是研究手段中多技術問題尚未很好解決。分析全部10萬個基因的功能,最直接的是蛋白質組研究。而從這幾年中對基因組全序列分析已經完成的一些低等生物蛋白質組的研究看來,目前最現實、最有效的技術是雙向凝膠電泳分離純化蛋白質,結合計算機定量分析圖譜進一步用質譜對分離到的蛋白質進行鑒定,並運用現代生物信息學的知識和技術對所得到的天文數字的數據進行處理,對蛋白質組的研究可分為兩個階段:第一階段,建立一個細胞或一個組織或一個機體在「正常」條件下的蛋白質二維凝膠圖譜,或稱參考圖譜,即所謂「組成蛋白質組」。第二階段,則要研究在各種條件下的蛋白質組的變化,從中總結出生命活動的規律,可以稱為「功能蛋白質組」。

目前,分子生態學主要的技術手段是VNTR技術,其次是PCR技術,核酸測序和序列分析技術正在迅速發展,等位酶技術所佔的比重較小。雖然基因組測序研究已經取得了突破性進展,但成功破譯基因組序列的物種或種群仍寥寥無幾,生物與環境相互作用的分子機制研究期待著對每一個物種及種群基因組序列的了解,顯然,這還要經歷生個較長的發展歷程。蛋白質組測序的開展使分子生態學研究又展現出新的曙光,使得人們能夠更容易的在微觀的、更真實直接的水平上了解生物與環境之間的聯繫和差異。以基因組序列和蛋白質序列的信息提取與分析和以生物信息的收集、存儲、管理、分析和提供為主要內容的生物信息學的迅猛發展,必然使分子生態學的研究進入一個闡明生態現象的分子機制的快速發展期。

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7 分子生態學 -相關鏈接

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