分子生态学是利用进化生物学理论，采用分子生物学和基因组学的实验方法和技术手段、统计学和数学的分析方法，通过计算机科学的技术和算法，旁及地学、古气候学等, 研究物种和种群的遗传变异及表观遗传变异、遗传谱系, 探讨生物多样性演化、生物地理演化、物种分化、生态适应等的生态学和进化生物学机制。研究范围包括种群演化历史、种群分化和物种形成机制、寄主选择、配偶选择、繁殖行为、生殖方式、精子竞争、扩散和建群、遗传谱系地理演化、遗传分化和局部适应、生态适应的遗传基础、气候变化的生态学和进化生物学后果、生物对环境变化的响应机制、遗传多样性评估、食性鉴定、觅食行为、濒危生物贸易的监测、个体和种群鉴定、外来入侵种溯源及入侵机制、遗传修饰生物的生态风险评估、有害生物防控等。分支学科包括分子群体遗传学、谱系生物地理学、生态基因组学、景观遗传学、系统发生群落生态学等。由于很多微生物不能很容易地在实验室中培养（海水中的0.001~0.1%，土壤中的0.3%左右，活性污泥中1~15%可被分离培养），因此不能用传统的鉴别和描述菌株的办法研究它们。另外，随着聚合酶链式反应(PCR)技术的发展，人们可以快速扩增遗传物质DNA。环境样品中DNA的扩增通常需要一组用于特定微生物的引物，而得到遗传物质的混合物，将其分离，随后进行测序和鉴别。经典的分离办法是通过克隆，将扩增的DNA片段插入到细菌质粒上实现的。较新的方法包括变性梯度凝胶电泳(DGGE)，可以更快地得到结果。分子生态学的发展也和DNA芯片的使用紧密相关，该技术可以高通量检测环境中的特定生物或基因。分子生态学中可以使用很多基因进行研究，在分类学角度，最常应用的基因是核糖体小亚基RNA(SSU rRNA)。而功能性基因的研究有助于判断微生物在该环境中的活动。微生物生态学中和分子技术相关的一个重要问题就是，这些生物以主动（进行正常代谢和繁殖）还是被动（静息休眠）的方式存在。这可以用几种方式来解决：分子生态学开始于1950年代。是随着DNA双螺旋结构的发现，分子水平的群体遗传学研究得以开展，相继出现了同工酶电泳、限制性内切酶酶切技术、分子克隆和DNA测序技术等，使遗传变异研究得以实现, 并可以在群体水平进行检测。分子进化的中性理论的提出，引发了适应性进化和中性进化的争论，推动了群体遗传学和分子进化研究，分子钟假说的提出和谱系进化关系重建理论、方法、算法和软件的出现, 进一步促进了分子进化和分子群体遗传学研究的发展。到了1980年代，DNA聚合酶链反应的发明和热稳定DNA聚合酶的发现，进一步推动了分子生态学和分子群体遗传学研究。1992年《Molecular Ecology》的创刊，标志着分子生态学的建立。溯祖理论、贝叶斯方法和马尔可夫过程等的引入，提升了分子生态学研究的可靠性。
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