【国科大——期末复习】系统与进化生物学 (葛颂)_期末复习 思考题答案

系统与进化生物学目录

第一章 系统与进化生物学概述

一、基础知识：

1. Taxonomy 分类学； Systematics 系统学； Systematic and Evolutionary Biology系统与进化生物学
2. 主要研究内容：分类Classification，系统发生Phylogeny，进化Evolution
3. Paeonia suffruticosa Andrews  牡丹       Gallus gallus domesticus       家鸡   Ailuropoda melanoleuca  熊猫     Auricularia auricula (L. ex Hook.) Underw    木耳

二、进化理论有哪些主要学派？其要点和代表人物是谁？

1. 拉马克进化学说；拉马克；

• 物种可变，现存物种是从其他物种变化而来；
• 生物存在由低级到高级、由简单到复杂的一系列等级；
• “用进废退”法则和“获得性遗传”

2. 达尔文的自然选择理论；达尔文；过度繁殖、生存斗争、遗传变异、适者生存

• 自然选择是生物进化的根本动力；
• 生命是进化来的, 生物之间都有一 定的亲缘关系，有着共同的祖先—一元论
• 一切生物都能发生变异, 且能遗传给后代
• 生物进化是逐渐和连续的，不存在不连 续变异或突变

3. 中性突变--随机漂变理论；Kimura

• 突变大多是“中性”的，对生物个体的 生存既无害也无利；
• 中性突变是通过随机的“遗传漂变”在 群体中固定下来，在分子水平上进化不依赖于自然选择；
• 进化的速率由中性突变的速率所决定，对于所有生物 几乎是恒定的；
• 决定生物大分子进化的主要因素是突变压和机会

4. 综合进化理论；Dobzhansky, Mayr, Simpson, Stebbins；第三题

5. 间断平衡论；Gould & Eldredge

• 间断平衡论强调变异的 随机性 和地理隔离 对种形成的必要性。
• 它认为形成新种的原料是个体突变，突变是无定向的。只要对适应无害 (中性) ，就可能闯过自然选择这一关而有可能形成新种。

三、从综合进化论角度看，进化生物学包含哪些研究内容？

1. 用孟德尔定律来解释遗传变异的性质和机制；
2. 用群体遗传学方法来研究进化的机制（理论和实验群体遗传学），通过对微观进化过程和机 制的研究来认识宏观进化；
3. 接受了达尔文进化论的核心部分—自然选择, 并有所发展。

             

（不过有人提到这张图的内容（尤其是图中的绿字、蓝字）会作为填空题出现）

四、生物进（演）化过程中经历了哪几个主要阶段（重大事件）？有什么特点？

五、真核生物起源过程中最重要的事件是什么？简述相关的理论或假说。

六、分类学在达尔文进化论发表前后有什么区别？

发表前： 

发表后： 

进化论对分类学的影响：

1. 物种（species）不是造物主创造的不变体 （creations），而是在生命长期历史中进化来的，构成了一个不断变化着的连续统一体。 --- 共同祖先
2. 物种并不是由模式（type），而是由可变（variable）的群体（居群）来体现。 --- 群体概念

七、系统与进化生物学涉及哪几个主要方面的研究？

主要研究内容：分类Classification，系统发生Phylogeny，进化Evolution

第二章、遗传变异及其来源

第二章目前没有给思考题，我只总结了我关心的一些

一、变异

由遗传差异或环境因素引起的细 胞间、生物个体间或同种生物各居群 间的任何不同

  

二、变异分类

数量性状（不可能出现超亲遗传）：

      性状的变异呈连续状态，界限不清楚的一类性状（quantitative character）。

质量性状（可能出现超亲遗传）：

      同一种性状的不同表现型之间不存在连续性的数量变化，而呈现质的中断性变化的那些性状。

第三章、遗传漂变和自然选择

一、群体都有哪些基本特征，其进化意义如何？

基本特征：

群体大小（规模）、

群体结构（空间结构模式：大陆-岛屿；岛屿；脚踏石、集合群体）

繁育系统（植物种群中克隆性）

进化意义：群体是进化的基本单位，这些群体特征在生态学和进化生物学中具有深远的影响，它们有助于物种适应环境变化、资源分配和生存策略的进化。

二、简述哈迪—温伯格平衡定律的要点及其在进化中的意义。

定义：

在一个没有突变、选择和迁移的遗传漂变的 无限大的随机交配群体中，一对等位基因在常染 色体上遗传时，无论群体起始基因频率如何，只 要经过一代的随机交配，群体的基因型频率和基 因频率即达到平衡状态。

要点：

 

意义：

1.  基因稳定性：它提供了一种解释基因频率保持稳定的机制。

2.  进化机制的理解：Hardy-Weinberg原理是几乎所有有性繁殖生物群体遗传学理论的基础，也就是说，大多数进化遗传学理论都是基于此。

3.  自然选择的对比：提供了一种对比点，以帮助鉴别是否存在非随机的力量（如自然选择）在改变基因频率。

三、遗传漂变有哪些表现形式（效应），与选择的主要区别是什么？

漂变：群体中两个或多个等位基因或基因型频率的随机变化

表现形式：

岛屿效应 (island effect)；瓶颈效应 (bottlenect effect)；奠基者效应(founder effect)

区别：

1. 漂变通常是中性的或有害的，而选择通常是对适应性有益的。
2. 遗传漂变是随机的，不依赖于个体的适应性，而是突变事件的自发发生。选择则是自然界中的环境压力，根据适应性来筛选有利的特征。
3. 选择是通过时间中的多代传递来影响种群的基因频率，而漂变是在较短时间内引入新的变异。

自然选择

四、适合度 (fitness)(reproductive success)

它是指某一基因型个体与其他基因型个体相比能够存活并把它的基因传给下一代的能力。

五、

1. 遗传和变异是基础
2. 过度繁殖是前提
3. 生存斗争是手段
4. 适者生存是结果

六、自然选择的类型

七、搭车效应(正选择)和背景选择(负选择)

八、预适应( preadaptation)

偶然发挥了新功能的特征.

九、对适应的理解

十、基因流

第四章、性别、交配系统及其进化

• 自交与异交各自有什么优势 ?

1. 自交和异交是指一个物种内部个体之间的交配和不同物种之间的交配。
2. 自交的优势：在于可以稳定地保持遗传信息，向下一代传递想要保留的特性，并且适应环境变化的速度较快。
3. 异交的优势：产生更多的遗传变异，可以增加物种的适应性，提高生存竞争力。
4. 两者也存在着劣势，如自交会导致基因的失配、易感性和基因突变；异交则需要寻找合适的异源个体，可能会受到环境限制。

• 雌雄同花、雌雄异花、雌雄异株各自有何优缺点?

1. 雌雄同花：

• • 优点：雌雄同花的植物可以在同一花朵内同时拥有雌蕊（雌性生殖器官）和雄蕊（雄性生殖器官），便于自我繁殖。这种交配方式可以确保繁殖成功率较高。
  • 缺点：自交容易导致基因的缺陷累积，缺乏遗传多样性。此外，由于花粉在同一花朵内产生，容易受到花粉竞争的影响，造成某些花部分无法被授粉。

1. 雌雄异花：

• • 优点：雌雄异花的植物具有明确的雌花和雄花，有助于防止自交，增加了遗传多样性。此外，雌雄异花可以通过异花授粉增加基因流动性，有利于适应环境变化。
  • 缺点：繁殖需要花朵之间的异花授粉，依赖于传粉者的活动。如果花朵异步开放或传粉者数量有限，则可能导致授粉失败，降低了繁殖成功率。

1. 雌雄异株：

• • 优点：雌雄异株的植物拥有明确的雌性个体和雄性个体，可以有效防止自交现象的发生，保持较高的遗传多样性。
  • 缺点：繁殖过程中需要寻找相对应的异性个体进行授粉，依赖于异性个体的存在和密度。如果异性个体稀缺或难以寻找，可能导致繁殖受限或失败。

其它

• 动植物的生殖方式

无性生殖: 不经生殖细胞结合的受精过程 (比较少)

1) 营养繁殖

2) 孤雌生殖

• 为什么自然界许多物种通过有性生殖繁衍后代?

有害性：

1. 重组降低减少了极端表型
2. 重组摧毁了适应性的等位基因组合
3. cost of producing males（有性生殖传代的后代数量只有无性生殖个体的一半）

理由：

       长期优势：

1. 增加遗传变异 (遗传组合的多样性)
2. 提高适应性降低灭绝的风险

短期优势：

1. 通过重组可以快速产生适应新环境的组合及表型
2. 重组可以把有利突变从有害突变里分离出来而提高适合度    

• 传粉是成传粉与交配系统

熟花粉从雄蕊花药或小抱子囊中散出后，传送到雌蕊柱头或胚珠上的过程

传粉媒介: 生物传粉 (各种昆虫及动物) ，非生物传粉(风及水流等)

其它2：

证实基因重复、基因转换和正选择是自交不亲和系统两个核心基因进化的关键因素，而且也是产生新的识别类型的重要机制

第五章、数量性状变异及其分子机制

• 质量性状和数量性状的区别？

1. 性状是否连续
2. 多基因控制还是单基因控制
3. 是否受到环境影响

• 数量遗传学的基本研究思路

图位克隆的方法(以BSA为例)

1. 筛选与目的基因紧密连锁的分子标记
2. 目的基因的初定位（BSA）和精细定位（F2）
3. 构建高质量、容易操作的大片段基因组文库
4. 目的基因的筛选和鉴定
5. 遗传转化验证

GWAS方法

1. 选择群体，代表性样品采集
2. 表型收集及分析
3. 基因型数据生成及分析
4. 表型及基因型的关联分析
5. 功能分析及进一步的候选基因验证

候选基因的方法

1.  通过已知基因去研究

• 不同方法的优缺点

图位克隆的方法（以BSA为例）

优点：

• 相对简单易行，不需要进行大规模的基因组测序和数据分析。
• 对于性状基因的初步定位可以比较快速地完成，可以较快地进入后续的目的基因筛选和鉴定步骤。
• 可以在一定程度上避免由于杂交亲和性等非遗传原因引起的表型变异。

        缺点：

• 只能适用于对于目标性状具有明显显性或隐性遗传特征的情况，因为这种方法只能筛选出与某一表型密切相关的标记序列，而不能发现罕见变异和多基因控制的性状。
• 由于只是通过关联性推断进行初步定位，需要后续的精细定位和候选基因筛选等工作来确认目的基因。

GWAS方法

优点：

• 可以筛选出整个基因组中与性状高度相关的候选基因，发现罕见变异和多基因控制的性状。
• 能够采用不同的表型和基因型数据，在更广泛的群体中检验表型和基因型之间的关系，获得更加准确的结果。
• 具有广泛的适用性，可以应用于多种生物体和性状的研究。

        缺点：

• 数据建库、分析和处理相对复杂，需要掌握大量的生物信息学分析方法，而且容易受到种群结构、遗传异质性和环境因素等的影响。
• 通常需要大规模的样本集合，数据分析的过程中可能还会涉及到多重比较校正等问题，需要考虑统计功效。
• GWAS只是关联性研究，并不能确定特定基因与性状间的因果关系，因此还需要进一步的功能验证来确认候选基因。

候选基因的方法

  优点：

• 相对简单易行，不需要进行大规模的基因组测序和数据分析，更加便于初步筛选和快速确认目的基因。
• 由于这种方法是基于已知基因进行研究，因此具有较高的可靠性和准确性。

        缺点：

• 只能研究已知的基因，对于复杂的性状或未知基因的研究难以开展。
• 对于罕见变异和多基因控制的性状，筛选范围较局限。
• 可能会存在功能上的重叠和互补作用，仍需要进一步的验证和确认。

第六章、物种和物种形成

• 请列举3-5个主要的物种概念，并归纳每个物种概念的要点。

1. 生物学物种概念（BSC）：有性生殖类群、相互交配和生殖隔离、地理差异和遗传差异
2. 系统发生物种概念（PSC）：单系、并系、多系的确定
3. 形态学种概念（MSC）：形态是分类学的证据
4. 形态地理物种概念（MGSC）

• 生殖隔离有哪些主要类型？为什么说生殖隔离是物种形成的关键?

生殖隔离是物种形成的关键，原因如下：

1. 遗传隔离：生殖隔离阻止了不同种群间的基因交流，从而导致基因流动的减少。当个体之间无法交配或交配后的后代无法繁殖时，遗传物质在不同种群之间无法混合，进而促使种群内部的基因差异积累和积累。
2. 突变积累：生殖隔离使得不同种群之间的突变在遗传上得以积累。由于不同种群之间的隔离，突变在一个种群中发生后，很难通过基因交流传播到其他种群中。这样，不同种群内部的突变会积累并逐渐导致种群间的遗传差异。
3. 自然选择：生殖隔离导致了不同种群在不同环境条件下的适应性差异。当不同种群受到不同的选择压力时，它们会逐渐适应各自的环境，并发展出不同的适应性特征。这些适应性特征在种群内部得以保留并通过遗传传递，进一步加强了种群间的差异。
4. 无法杂交繁殖：生殖隔离使得不同种群之间无法进行杂交繁殖。即使存在一些杂交后代，它们通常会受到生育能力降低或不孕不育等因素的影响，无法形成稳定的混合种群。这样，生殖隔离促使了不同种群的独立演化，最终导致物种的形成。

• 从地理上看,物种形成有哪些主要模式,简述其特点。

 

• 物种形成过程会涉及哪些遗传学机制，试举例说明。

• 影响物种形成快慢的因素有哪些？哪些物种形成模式的成种过程更快？

因素：（绿色的字）

第七章、生物多样化与系统发生

附带

奥陶纪，4.4亿年前，全球气候变冷造成约85%物种灭亡

泥盆纪，3.65亿年前，地球气候变冷和海洋退却，重创海洋生物

二叠纪，2.5亿年前，海平面下降和大陆漂移，

三叠纪，1.95亿年前，未知原因，76%，主要海洋生物灭绝；

白垩纪，65百万年前，陨星雨、火山等，

单系群、并系群、复系群

共有衍征（建树最关键的特征）：后代共有的特征，祖先没有。

单系群（monophyletic group）：包含一个共同祖先及其所有后代的集合。
并系群（paraphyletic group）：包含一个共同祖先及其部分后代的集合。
复系群或多系群（polyphyletic group）：由一些类群组成的集合，但并不包含它们的共同祖先。

第八章、基因及基因组的进化

• 基因组 - 什么是基因组?

• 基因组的组成及变异

组成

• 基因 (启动子区，外显子，内含子)

基因是基因组中起具体作用的遗传单元

• 基因间隔区

基因间隔区是基因到另一个相邻基因间的核昔酸序列

• 转座子（定义）

• 非编码RNA

不翻译但是能转录成RNA

• SSR

单碱基或者多碱基的串联重复序列

变异

1. 结构性变异
   • 全基因组重复+部分片段重复
   • 倒位
   • 染色体融合、染色体重排
   • 水平转移
2. 序列变异
   • 单碱基变异SNP
   • 少数剪辑的插入或缺失
3. 表观遗传变异

• 基因组学的发展

测序技术

学科发展

未来的趋向

第九章、系统与进化生物学基本研究方法

• 在生命科学进入基因组时代，传统研究手段和方法（如形态学、生态学和遗传学等）还有价值吗，为什么？

形态学和细胞学方法：

1. 1. 表型性状
   2. 染色体数目(倍性)
   3. 染色体形态和结构—核型(karyotype)
   4. 染色体组分析（genome analysis）

遗传学和生态学方法

1. 1. 移栽实验
   2. 居群变异式样的分析
   3. 子代鉴定
   4. 杂交实验

蛋白质标记技术

1. 1. 等位酶分析

在生命科学进入基因组时代，传统研究手段和方法仍然具有重要的价值。尽管基因组学等现代技术的发展带来了许多新的研究方法和工具，但传统研究手段和方法在深入理解生物体及其生态系统方面仍然发挥着重要的作用。以下是一些原因：

1. 形态学：形态学研究关注生物体的形态结构和形态特征，通过观察和描述这些特征，可以对物种间的演化关系、适应性和功能等进行推断。虽然基因组学提供了大量的基因信息，但形态学仍然是了解生物体外部特征和解释其功能的重要手段。
2. 生态学：生态学研究生物体与其环境之间的相互作用和关系，以及生物体在不同环境条件下的适应性和行为。传统生态学方法如野外调查、样地调查和长期监测等，可以提供对生物多样性、生态系统功能和生态过程的全面理解。基因组学等技术无法完全替代这些方法，因为它们无法直接揭示物种间相互作用和生态系统的复杂性。
3. 遗传学：遗传学研究基因在遗传信息传递和物种演化中的作用。虽然基因组学技术可以提供大量基因序列信息，但遗传学仍然需要通过传统的遗传分析、杂交和遗传实验等方法来解释基因功能、基因表达调控和遗传变异等问题。

传统研究手段和方法与现代技术相结合，能够提供更全面、深入的理解生物体的方式。通过综合运用传统研究手段和方法与现代技术，我们可以更好地解答复杂生物学问题，并推动生命科学的发展。

• 系统与进化生物学研究采用的主要分子标记有哪些？各种标记的特点是什么?

• Allozyme（等位酶）标记：

Allozyme是通过电泳技术分离蛋白质的不同构象体来进行分析的，因此可以直接观察到基因型差异。由于它们是基因座上的等位基因所编码的不同酶，因此在研究种群遗传结构和进化过程中很有用。

• RFLP（限制性片段长度多态性）：southern杂交为核心的分子标记

RFLP是一种利用限制性内切酶切割DNA并检测长度差异的分子标记方法。它通常与Southern blotting结合使用，可用于分析DNA重组、亲缘关系、种群遗传结构等

• RAPD（随机扩增多态性）：PCR技术为基础的分子标记

RAPD利用随机引物扩增DNA片段，对无需事先了解DNA序列即可进行分子标记。它操作简单，成本较低，适用于初步的遗传多样性分析和物种鉴定

• AFLP（扩增片段长度多态性）：PCR与酶切技术结合的分子标记

AFLP结合了PCR技术和限制性内切酶消化，并通过选择性扩增和分析DNA片段长度差异来进行分子标记。它具有高度多态性和可重复性，适用于种群遗传结构和系统发育研究。

• SSR（简单重复序列）：简单重复间序列标记

SSR是DNA中短片段的重复序列，由重复单元构成，因其高度多态性和稳定性而被广泛应用于种群遗传结构和亲缘关系分析

• ISSR：操作简单、快速、高效

ISSR是一种简单、快速且高效的技术，利用多态性的插入位点来扩增DNA片段，适用于系统发育、种群结构和遗传多样性研究

• Sequence

序列标记是通过直接测定DNA序列来进行分子标记，包括核酸序列和蛋白质序列。它提供了最直接和全面的遗传信息，可用于系统发育重建、基因组演化等领域。

在各类DNA分子技术中，适用于群体水平研究的标记有哪些？适用于科属大类群研究的标记又有哪些？

• 群体：allozyme、RFLPs、PAPDs、AFLPs、SSRs、ISSRs、sequence
• 可信度高：AFLPs、SSRs、sequence
• 科属：RFLPs、sequence
• 可信度高：sequence