Популяционная генетика - Российский государственный

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО
ОБРАЗОВАНИЯ
«РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ – МСХА
имени К.А. ТИМИРЯЗЕВА»
(ФГБОУ ВПО РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева)
Факультет агрономический
Кафедра генетики и биотехнологии
УТВЕРЖДАЮ:
Проректор по учебной работе
проф. ____________ В.Ф. Сторчевой
“____”______________2013 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
«Популяционная генетика»
для подготовки бакалавров
по профилю «Экология»
ФГОС ВПО 3-го поколения
Направление: 022000.62 «Экология и природопользование»
Курс _2__
Семестр __4__
Москва, 2013
1
Составитель: _Смиряев А.В. доктор биол. наук, профессор_____________
(ФИО, ученая степень, ученое звание)
«__» ________ 2013г.
«__» _______ 2013г.
Рабочая программа предназначена для преподавания дисциплины блока
Б2.В.ДВ.2 студентам
очной формы обучения
(из циклов ФГОС ВПО: Б1.Б;Б1В.ОД;Б1В.ДВ)
(очная, очно-заочной, заочной)
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО по
направлению подготовки 022000.62 «Экология и природопользование»
профиль "Экология", утверждённого приказом Министерства образования и
науки Российской Федерации от «22» дек. 2009г. № 795 и
зарегистрированного в Минюсте РФ «02» февраля 2010г. № 16209
Программа обсуждена на заседании кафедры 26 июня 2013 г. Протокол № 17
Зав. кафедрой _ Соловьев А.А. доктор б.н. профессор _________________
(ФИО, ученая степень, ученое звание)
(подпись)
«__» ________ 2013г.
Рецензент: Пыльнев В.В. доктор с.-х. наук профессор_________________
(ФИО, ученая степень, ученое звание)
(подпись)
«__» ________ 2013г.
Проверено:
Начальник отдела менеджмента
качества образования
______________ Л.А. Ефимова
(подпись)
Начальник методического отдела
______________ Л.М. Сашина
(подпись)
2
Согласовано:
Декан факультета Наумов В.Д. доктор биол. наук профессор ___________
(ФИО, ученая степень, ученое звание)
(подпись)
«__» ________ 2013г.
Программа обсуждена на заседании
почвоведения, агрохимии и экологии,
Ученого совета факультета
2013 г. протокол №
Секретарь Ученого совета факультета Игнатьева С.Л. канд. с.-х. наук, доцент
(ФИО, ученая степень, ученое звание)
(подпись)
«__» ________ 2013г.
Программа принята учебно-методической комиссией по направлению
подготовки 022000.62 «Экология и природопользование»
протокол
(направление)
№
Председатель учебно-методической комиссии _Васенев И.И. доктор биол.
(ФИО, ученая степень,
наук, профессор
_
ученое звание)
(подпись)
«__» ________ 2013г.
Зав.выпускающей кафедрой
_________
Васенев И.И. доктор биол. наук, профессор
(ФИО, ученая степень, ученое звание)
(подпись)
«__» _______ 2013г.
Начальник УИТ
_______________М.Ю. Годов
(подпись)
Отдел комплектования ЦНБ
_______________Е.А. Комарова
(подпись)
Копия электронного варианта получена:
Начальник отдела поддержки
дистанционного обучения УИТ
______________ К.И. Ханжиян
(подпись)
3
Содержание
АННОТАЦИЯ………………………………………………………………….....5
1. ЦЕЛИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ…..........................................................5
2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ……………………….5
3. КОМПЕТЕНЦИИ ОБУЧАЮЩЕГОСЯ, ФОРМИРУЕМЫЕ В РЕЗУЛЬТАТЕ
ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ…………………………………………………..6
4. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ «ПОПУЛЯЦИОННАЯ
ГЕНЕТИКА»………………………………………………………………………7
4.1 РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТРУДОЕМКОСТИ ДИСЦИПЛИНЫ ПО ВИДАМ
РАБОТ ПО СЕМЕСТРАМ ………………..….………………………………….7
4.2 Содержание дисциплины……….…………………………..………...........8
4.3 Семинарские занятия…………………...…….…………………………….9
4.4 ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ
ДИСЦИПЛИНЫ…………………………………………………………….…...10
5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ…………………………………….11
6.
ОЦЕНОЧНЫЕ
СРЕДСТВА
ДЛЯ
ТЕКУЩЕГО
КОНТРОЛЯ
УСПЕВАЕМОСТИ И ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ
ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ …………………………………………………12
6.1 Примерные вопросы к контрольным работам и зачету ...…….…….….12
6.2 Оценочные средства текущего контроля успеваемости и
сформированности компетенций……………………………………………….13
7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ДИСЦИПЛИНЫ……………………………………….…………………….…..14
7.1 Основная литература………………………….…………………………...14
7.2 Дополнительная литература……………………….……………………...14
7.6 Базы данных, информационно-справочные и поисковые системы…….14
8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ....14
9. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ СТУДЕНТАМ ПО ОСВОЕНИЮ
ДИСЦИПЛИНЫ……………………………………………………………..…..14
10. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПРЕПОДАВАТЕЛЯМ ПО
ОРГАНИЗАЦИИ ОБУЧЕНИЯ ПО ДИСЦИПЛИНЕ…………….………..…..14
4
АННОТАЦИЯ
Курс «Популяционная генетика» призван обучить студента принципам
анализа природных и искусственных популяций: основным понятиям,
методам моделирования и прогнозирования численности и генетической
структуры популяций по экспериментальным выборкам, факторы динамики
генетического состава популяций. Материал иллюстрирован примерами
применения популяционно-генетического анализа и задачами (большинство
со схемами решения) из экологии, генетики, селекции, растениеводства,
физиологии и защиты растений, медицины, вирусологии, радиологии,
демографии, теории эволюции.
1. Цели освоения дисциплины
Целью освоения дисциплины «Популяционная генетика» является
обучение студента принципам популяционных процессов: основным
понятиям, классификации моделей и методов моделирования и
прогнозирования, их возможностям и ограничениям. Дисциплина призвана
дать студенту знания в основах теории и применения популяционной
генетики в экологии, природопользовании, физиологии и защите растений,
медицины, вирусологии, радиологии, демографии и теории эволюции.
2. Место дисциплины в учебном процессе
Дисциплина «Популяционная генетика» включена в цикл дисциплин по
выбору вариативной части Учебного плана по направлению 022000.62
«Экология и природопользование» профилю «Экология». Круг вопросов,
изучаемых дисциплиной «Популяционная генетика» соответствует
требованиям ФГОС ВПО, ООП ВПО по направлению 022000.62 «Экология
и природопользование».
Предшествующими курсами, на которых непосредственно базируется
дисциплина «Популяционная генетика» являются «Информатика – 1 сем.»,
«Биология» - 2 сем.», «Биоразнообразие – 3 сем.».
Дисциплина «Популяционная генетика» является основополагающим
для изучения дисциплин «Основы природопользования – 6 сем.», «Анализ и
основы моделирования экосистем – 7 сем.».
Особенностью дисциплины является последовательное изучение
принципов популяционно-генетического анализа: основных понятий,
методов оценки, моделирования и прогнозирования численности и структуры
популяций, их возможностям и ограничениям. Дисциплина является
наукоемкой и комплексной, требующей знаний основ биологии, высшей
математики и информатики.
5
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате
освоения дисциплины
Изучение данной учебной дисциплины направлено на формирование у
обучающихся общекультурных (ОК) и профессиональных (ПК) компетенций
представленных в таблице 1.
Таблица 1
Требования к результатам освоения учебной дисциплины
Индекс
№
Содержание
В результате изучения учебной дисциплины
компеп/
компетенции
обучающиеся должны:
тенции
п
(или её части)
знать
уметь
владеть
1 ПК-2
обладать
основы
обобщать и методами
базовыми
популяционно анализирова количествен
знаниями
го
анализа ть
ного анализа
фундаментальны помогают
полученную биологическ
х разделов
составить
научную
их
физики, химии и целостное
информацию закономерно
биологии
представление , правильно стей
в объеме,
о
картине ставить цели динамики
необходимом для мира
на и выбирать природных
освоения
научной
пути
ее и
физических,
основе,
достижения искусственн
химических и
формировать
ых
биологических
способность к
популяций
основ в экологии обобщению,
и
анализу,
природопользова восприятию
нии; владеть
информации,
методами
постановке
химического
цели и выбору
анализа, а также путей
ее
методами отбора достижения
и анализа
геологических и
биологических
проб; иметь
навыки
идентификации и
описания
биологического
разнообразия, его
оценки
современными
методами
6
количественной
обработки инфор
мации
2
ПК-8
знать
теоретические
основы
биогеографии,
экологии
животных,
растений и
микроорганизмов
основные
принципы
популяционно
й генетики ,
методы
анализа
эксперимента
льных
данных,
методы
математическ
ой обработки
результатов
анализа.
использоват
ь основные
принципы
моделирован
ия и методы
эксперимент
ального
исследовани
я популяций
в
профессиона
льной
деятельност
и
навыками,
приобретенн
ыми
при
изучении
курса,
и
применять
их
при
освоении
различных
наук,
а
также
в
дальнейшей
профессион
альной
деятельност
и
4. Структура и содержание дисциплины «Популяционная генетика»
4.1. Распределение трудоемкости дисциплины по видам работ по
семестрам
Общая трудоёмкость дисциплины составляет 3 зач. ед. (108 часов), их
распределение по видам работ и по семестрам представлено в таблице 2.
Таблица 2
Распределение трудоемкости дисциплины по видам работ и семестрам
Трудоемкость
в т.ч. по
Вид учебной работы
зач.
семестрам
час.
ед.
№4
Общая трудоемкость дисциплины по
3 108
108
учебному плану
Аудиторные занятия
1,4 50
50
Лекции (Л)
0,4 16
16
Практические занятия (ПЗ)
1,0 34
34
Семинары (С)
Самостоятельная работа (СРС)
1,6 58
58
в том числе:
консультации
0,07 2,4
2,4
7
Трудоемкость
в т.ч. по
зач.
семестрам
час.
ед.
№4
0,07 2,6
2,6
0,11 4
4
Вид учебной работы
подготовка к контрольным работам
Контрольные работы
самоподготовка к текущему контролю знаний
(самостоятельное изучение разделов, проработка и
повторение лекционного материала и материала
учебных пособий, подготовка к практическим
занятиям)
Подготовка к зачету
Вид контроля:
1.1
40
40
0,25
9
9
зачет
Таблица 3
Тематический план учебной дисциплины
Наименование разделов и тем
дисциплин (укрупнённо)
Раздел 1 «Дескриптивные
математические модели»
Тема 1-1. Модели динамики
биологических систем
Тема 1-2. Вероятностные модели
Раздел 2. «Динамика генетических
процессов в популяциях»
Тема 2-1. Генетическая структура
популяций
Тема 2-2. Анализ генетического
разнообразия популяций
Всего за 4-й семестр
Итого по дисциплине
Всего
Аудиторная
работа
Л
ПЗ
ЛР
Внеаудит
орная
работа
СР
25
4
7
-
14
30
6
10
-
14
33
4
11
-
18
20
2
6
-
12
108
108
16
16
34
34
-
58
58
4.2. Содержание дисциплины
Раздел 1. «Дескриптивные модели популяций»
Тема 1-1. Модели динамики биологических систем
1. Модели и моделирование. Прогрессия размножения популяций
2. Моделирование численности взаимодействующих популяций
3. Модели баланса вещества и энергии. Биологический метод борьбы с
нежелательным видом. Модели эпидемии
8
Тема 1-2. Вероятностные модели
1. Сумма и произведение событий для моделирования генетических
процессов в популяциях
2. Формула полной вероятности для моделирования скрещиваний в
популяциях
3. Теория мишени как основа популяционных моделей в биологии,
экологии и медицине
Раздел 2. «Динамика генетических процессов в популяциях»
Тема 2-1. Генетическая структура популяций
1. Структура популяции, ее динамика и равновесие
2. Влияние на структуру различных типов скрещивания
3. Влияние дрейфа, отбора, мутаций, миграции
Тема 2-2. Анализ генетического разнообразия популяций
1. Оценки генетической полиморфности популяций
2. Оценки генетической дивергенции
4.3. Семинарские занятия
Таблица 4
Содержание семинарских занятий и контрольных мероприятий
№
п/п
1
2
№ раздела
Раздел 1.
«Дескриптивн
ые модели
популяций»
Тема 1-1
Модели
динамики
биологических
систем
№ и название семинарских
занятий с указанием
контрольных мероприятий
Семинар № 1.
Модели и моделирование.
Прогрессия размножения.
Моделирование численности
взаимодействующих популяций
Семинар № 2.
Модели баланса вещества и
энергии. Биологический метод
борьбы с нежелательным видом.
Модели эпидемии
Семинар № 3.
Тема 1-2
Сумма и произведение событий для
Вероятностные моделирования генетических
модели
процессов в популяциях. Формула
полной вероятности для
Вид
контрольного
мероприятия
правильность
классификации
моделей
и
объяснения
уравнений
объяснение
биологических
ситуации и
соответствующих
вариантов
моделей
проверка
схем
решения
биологических
задач
Колво
часов
4
3
6
9
№
п/п
№ раздела
Раздел 2.
«Динамика
генетических
процессов в
популяциях»
Тема 2-1
Генетическая
структура
популяций
Тема 2-2
Анализ
генетического
разнообразия
популяций
3
4
№ и название семинарских
занятий с указанием
контрольных мероприятий
моделирования скрещиваний в
популяциях
Семинар № 4.
Теория мишени как основа
популяционных моделей в
биологии, экологии и медицине
Контрольная работа № 1
по темам 1-1 и 1-2
Семинар № 5.
Структура популяции, ее динамика
и равновесие.
Семинар № 6.
Влияние на структуру различных
типов скрещивания.
Семинар № 7. Влияние дрейфа,
отбора, мутаций, миграции.
Семинар № 8.
Оценки генетической
полиморфности популяций. Оценки
генетической дивергенции
Контрольная работа № 2
по темам 2-1 и 2-2
4.4 Перечень
дисциплины
вопросов
для
Вид
контрольного
мероприятия
Колво
часов
проверка
правильности
составления
моделей
оценка
уровня
знаний по темам
оценка
уровня
знаний по теме
2
составление задач
по теме
5
объяснение
проблем на
примерах
природных и
искусственных
популяций
4
оценка
уровня
знаний по темам
2
самостоятельного
2
6
изучения
Таблица 5
№
п/п
Перечень вопросов для самостоятельного изучения
№
№ и название семинарских занятий с указанием
раздела
контрольных мероприятий
1
Раздел 1
Тема 1-1
2
Тема 1-2
«Дескриптивные математические модели»
Модели и моделирование. Прогрессия размножения.
Моделирование численности взаимодействующих
популяций. Модели баланса вещества и энергии.
Биологический метод борьбы с нежелательным видом.
Модели эпидемии
Сумма и произведение событий для моделирования
генетических и селекционных процессов. Формула полной
вероятности для моделирования скрещиваний
Теория мишени как основа моделей в биологии, экологии и
медицине.
Колво
часов
12
10
10
№
п/п
№
раздела
№ и название семинарских занятий с указанием
контрольных мероприятий
«Динамика генетических процессов в популяциях»
3
Раздел 2
Тема 2-1
4
Тема 2-2
Влияние на структуру различных типов скрещивания.
Влияние дрейфа, отбора, мутаций, миграции.
Оценки генетической полиморфности популяций. Оценки
генетической дивергенции.
ВСЕГО
Колво
часов
26
10
58
5. Образовательные технологии
Таблица 6
Активные и интерактивные формы проведения занятий
Наименование используемых
Кол№
Тема и форма занятия
активных и интерактивных
во
п/п
образовательных технологий
часов
1. Вероятностные
Л Анализ конкретных ситуаций
4
модели
2. Теория мишени
С Тематическая дискуссия
4
как основа
моделей в
биологии,
экологии и
медицине
3. Динамика
С Тематическая дискуссия
10
генетических
процессов в
популяциях
Всего: 18
Общее количество часов аудиторных занятий, проведённых с
применением активных и интерактивных образовательных технологий
составляет 18 часов (36% от аудиторных занятий).
6. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ
УСПЕВАЕМОСТИ И ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО
ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
6.1 Примерные вопросы к контрольным работам
Контрольная №1
1. Что такое моделирование, общее определение модели, для чего их
используют?
11
2. Приведите классификацию моделей и определения математической
модели.
3. В чем разница понятий робастности и адекватности модели?
4. Что такое настройка модели и как она проводится?
5. Чем отличаются дескриптивные и оптимизационные модели?
6. Поясните понятие популяционных волн и их классификацию. От чего
зависит форма волн численности?
7. Из каких частей состоит уравнение - модель для описания изменений
численности популяций хищника и жертвы в ограниченном ареале их
совместного обитания?
8. Какие предположения используются для построения модели роста
дерева?
9. Какова генетическая основа метода Кюрасао борьбы с нежелательным
видом? Составьте модель для описания изменений численностей
нормальных и стерильных самцов.
10.Чем отличаются вероятностные модели от детерминистических?
Пояснить на примерах.
11.Определить соотношение долей генотипов Аа и аа в F3 после
самоопыления популяции F2 пшеницы, полученной из F1 (AA x aa).
12.Приведите
примеры
генетических,
микробиологических,
экологических и медицинских экспериментов, при анализе которых
может быть применена теория мишени.
13.Для каких целей в экологии можно использовать ряд Пуассона?
Пояснить на примерах.
Контрольная №2
14.Как по выборке данных в популяции определить частоты генотипов и
генов? Приведите числовой пример.
15.Поясните характер связи между частотами генов и генотипов. Как
проверить гипотезу о равновесии популяции по ограниченной
выборке.
16.Каковы закономерности установления равновесия в популяции для
ситуации сцепления с полом. Приведите числовой пример.
17.Установление равновесия в популяции при частичном самоопылении.
Приведите числовой пример.
18.Установление равновесия в популяции при частичном самоопылении.
Приведите числовой пример.
19.Какие генетические процессы идут в популяциях при ассортативном и
дизассортативном скрещиваниях.
20.Сопоставьте эффективность (q) массового отбора против
рецессивного аллеля до и после цветения. В чем причина различия
эффективности?
21. Оценка относительной приспособленности и коэффициента отбора
генотипа в популяции. Приведите числовой пример.
12
22.Что такое эффективная численность популяции и каково ее влияние на
структуру популяции?
23.Поясните влияние мутационного процесса на генетическую структуру
популяции (судьба единичной мутации, равновесие при регулярных
мутациях).
24.Пояснить влияние иммиграции на структуру популяции. Привести
числовой пример.
25.Перечислить факторы, влияющие на генетическую и генотипическую
структуру популяции: пояснить характер влияния каждого из них.
26.Для чего используют показатели полиморфности (Р), средней
гетерозиготности ( H ) и ожидаемой гетерозиготности ( H о ) популяции.
27.В чем отличие двух гипотез о путях эволюции: классической и
балансовой.
28.Поясните способы оценки по М. Нею генетической дивергенции. Для
чего можно использовать подобные оценки.
6.2 Оценочные средства текущего контроля успеваемости и
сформированности компетенций
Виды текущего контроля: выступление на семинаре (10 баллов), 5
выступлений - сумма баллов равна 50
контрольные работы по темам (50 баллов), 2 контрольных работы –
сумма баллов равна 100
Итого: максимальная сумма баллов равна 150.
Зачет. Студент получает зачет, если выполнены все контрольные работы,
положительно оценены выступления на семинарах по темам курса, и общая
сумма баллов 60% и выше от максимальной рейтинговой оценки, т.е. 90
баллов и выше.
Итоговый контроль – дифференцированный зачет
Неудовлетворительно Удовлетворительно
менее 60%,
60-69%,
(0-89 баллов)
(90-103 балла)
Хорошо
70-84%,
(104-126
баллов)
Отлично
85 -100%,
(127 -150
баллов)
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
7.1. Основная литература
1. Смиряев А.В., Исачкин А.В. Панкина Л.К. Моделирование в биологии
и сельском хозяйстве. М., РГАУ-МСХА, 2013, 132 с.
2. Смиряев А.В., Кильчевский А.В. Генетика популяций и
количественных признаков. М., КолосС, 2007, 220 с.
13
7.2. Дополнительная литература
1. Гринин А.С., Орехов Н.А., Новиков В.Н. Математическое
моделирование в экологии: Учеб. пособие М.: ЮНИТИ-Дана, 2003.-269 с.
2. Виленкин Б.Я. Взаимодействующие популяции // Математическое
моделирование в экологии. - М.: Наука, 1978. -сс. 5-16.
3. Ризниченко Г.Ю., Рубин А.Б. Математические модели биологии
продукционных процессов. М., МГУ, 1993, 299 с.
7.6 Базы данных, информационно-справочные и поисковые системы
http://worlddocuments.org/docs/index-1949.html - Сайт Уральского
государственного университет им. А.М. Горького «Математическое
моделирование. Математическая биология и биоинформатика»
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Мультимедийное
материалов.
оборудование
для
демонстрации
учебных
9. Методические рекомендации студентам по освоению дисциплины
Самостоятельная работа студентов над курсом
«Популяционная
генетика» заключается в систематической работе с учебными пособиями и
конспектом лекций, подготовке к семинарам. При решении задач необходимо
проработать все типовые задачи, приведенные ко всем темам. Все сложные
вопросы по теории и задачам разбираются на семинарских занятиях. Для
плохо успевающих студентов организованы консультации.
10. Методические рекомендации преподавателям по организации
обучения по дисциплине
Специфика дисциплины «Популяционная генетика» является
неразрывная связь теории с практикой.
Поэтому многие теоретические
знания, которые студенты получают на лекциях, подтверждаются и
усваиваются на семинарских занятиях.
Программу разработал:
Смиряев А.В. доктор биол. наук, профессор
_______________________
14