基因组学与应用生物学,2011年,第30卷,第6期,第748-758页 cs and Ap ology,2011,vol.30,No.6,748-75 评述与展望 Review and Progress DNA条形码研究进展 程希婷王爱民顾志峰王嫣战欣石耀华 热带生物资源教育部重点实验室,海南省热带水生生物技术重点实验室,海南大学海洋学院,海口,570228 通讯作者,sone70@126com 摘要DNA条形码是应用有足够变异的标准化短基因片段对物种进行快速、准确鉴定的新的生物身份识 别系统。2003年,加拿大 Guelph大学 Hebert等首次正式提出了DNA条形码概念,2004年成立了生物条形 码联盟,目前有来自50个国家的两百多个组织成为其成员,2007年5月加拿大 Guelph大学组建了世界上 第一个 dna barcoding鉴定中心,2009年1月正式启动“国际生命条形码计划”,中国科学院代表中国与加 拿大、美国和欧盟共同为iBOL4个中心节点。线粒体细胞色素C氧化酶基因COI具有引物通用性高和进 化速率快等优点,是理想的动物DNA条形码,不过,COⅠ在植物中应用效果较差,因此,核糖体IS序列和 质体tbcL、maK和tmH-psbA等序列也相继被引入植物的DNA条形码研究。虽然DNA条形码研究还处于 起步阶段,面临巨大挑战,但是,越来越多的研究表明DNA条形码可以广泛应用于生物的分类和鉴定,是 种简便、高效、准确的物种鉴定技术,已经在动物、植物和微生物等硏究中取得了显著成果,是生命科学领域 发展最快的学科前沿之一。本文从DNA条形码的开发、应用、国内相关文献研究现状、DNA条形码面临的挑 战以及发展前景等进行了综合分析,以期推动我国DNA条形码和分类学研究的发展。 关键词DNA条形码,分类学,物种鉴定 Current Progress of DNa barcoding Cheng Xiting Wang Aimin Gu Zhifeng Wang Yan Zhan Xin Shi Yaohua The Key Laboratory of Tropic Biological Resources, Minister of Education, Hainan Key Laboratory of Tropical Hydrobiology Technology, the Ocean College, Hainan University, Haikou, 570228 *Correspondingauthorstone70@126.com Ol:10.3969/gab.030000748 Abstract DNa barcoding is a new life identification system which can distinguish species rapidly and accurately by analyzing standard short DNA sequences with enough variation. In 2003, the concept of dNa barcoding was formally proposed by Hebert and his colleagues, Canada biologists from University of Guelph. In 2004, Consor- tium for the Barcode of Life(CBOL) was subsequently constructed. There are more than 200 group members from 50 different countries in CBOL. The first dNa barcode identifying center came into existence in the University of Guelph in May, 2007. In January, 2009, International Barcode of Life(iBOL) was started up. Chinese Academy of Sciences, deputy of China, was one of four subcenter of iBOL, the same as others in Canda, USA and European Union. Mitochondrion cytochrome c oxidase subunit I(co I) was ideal DNa barcoding sequence for animal because of its various advantages, such as high primer universality and evolutionary rate. However, coI was not so good dNA barcoding in plant as in animal. Thus, ribosome Internal Transcribed Spacer (ITS) and plastid rb- cL, matK, trnH-psbA sequences were used as DNA barcoding in plant studying. Although it is on the initial phase for DNA barcoding, facing great challenge, more and more studies showed that DNA barcoding can be widely used in life taxonomy and identification. DNA barcoding, a simple effective accurate species identification method, is now one of the fastest development discipline hot in biological study. Here, in order to promote devel- opment of Chinese study in DNA barcoding and taxonomy, we introduced DNA barcoding screening, application, 基金项目:本研究由国家科技支撑计划项目(2009BAB44B00)和海南大学“211工程”创新人才计划项目共同资助 91994-2012ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
基因组学与应用生物学，2011 年，第 30 卷，第 6 期，第 748-758 页 Genomics and Applied Biology, 2011, Vol.30, No.6, 748-758 评述与展望 Review and Progress DNA 条形码研究进展 程希婷 王爱民 顾志峰 王嫣 战欣 石耀华 * 热带生物资源教育部重点实验室, 海南省热带水生生物技术重点实验室, 海南大学海洋学院, 海口, 570228 * 通讯作者, stone70@126.com 摘 要 DNA 条形码是应用有足够变异的标准化短基因片段对物种进行快速、准确鉴定的新的生物身份识 别系统。2003 年，加拿大 Guelph 大学 Hebert 等首次正式提出了 DNA 条形码概念，2004 年成立了生物条形 码联盟，目前有来自 50 个国家的两百多个组织成为其成员，2007 年 5 月加拿大 Guelph 大学组建了世界上 第一个 DNA barcoding 鉴定中心，2009 年 1 月正式启动“国际生命条形码计划”，中国科学院代表中国与加 拿大、美国和欧盟共同为 iBOL 4 个中心节点。线粒体细胞色素 C 氧化酶基因 COⅠ具有引物通用性高和进 化速率快等优点，是理想的动物 DNA 条形码，不过，COⅠ在植物中应用效果较差，因此，核糖体 ITS 序列和 质体 rbcL、matK 和 trnH-psbA 等序列也相继被引入植物的 DNA 条形码研究。虽然 DNA 条形码研究还处于 起步阶段，面临巨大挑战，但是，越来越多的研究表明 DNA 条形码可以广泛应用于生物的分类和鉴定，是一 种简便、高效、准确的物种鉴定技术，已经在动物、植物和微生物等研究中取得了显著成果，是生命科学领域 发展最快的学科前沿之一。本文从 DNA 条形码的开发、应用、国内相关文献研究现状、DNA 条形码面临的挑 战以及发展前景等进行了综合分析，以期推动我国 DNA 条形码和分类学研究的发展。 关键词 DNA 条形码, 分类学, 物种鉴定 Current Progress of DNA Barcoding Cheng Xiting Wang Aimin Gu Zhifeng Wang Yan Zhan Xin Shi Yaohua * The Key Laboratory of Tropic Biological Resources, Minister of Education, Hainan Key Laboratory of Tropical Hydrobiology Technology, the Ocean College, Hainan University, Haikou, 570228 * Corresponding author, stone70@126.com DOI: 10.3969/gab.030.000748 Abstract DNA barcoding is a new life identification system which can distinguish species rapidly and accurately by analyzing standard short DNA sequences with enough variation. In 2003, the concept of DNA barcoding was formally proposed by Hebert and his colleagues, Canada biologists from University of Guelph. In 2004, Consortium for the Barcode of Life (CBOL) was subsequently constructed. There are more than 200 group members from 50 different countries in CBOL. The first DNA barcode identifying center came into existence in the University of Guelph in May, 2007. In January, 2009, International Barcode of Life (iBOL) was started up. Chinese Academy of Sciences, deputy of China, was one of four subcenter of iBOL, the same as others in Canda, USA and European Union. Mitochondrion cytochrome c oxidase subunit Ⅰ(COⅠ) was ideal DNA barcoding sequence for animal because of its various advantages, such as high primer universality and evolutionary rate. However, COⅠ was not so good DNA barcoding in plant as in animal. Thus, ribosome Internal Transcribed Spacer (ITS) and plastid rbcL, matK, trnH-psbA sequences were used as DNA barcoding in plant studying. Although it is on the initial phase for DNA barcoding, facing great challenge, more and more studies showed that DNA barcoding can be widely used in life taxonomy and identification. DNA barcoding, a simple effective accurate species identification method, is now one of the fastest development discipline hot in biological study. Here, in order to promote development of Chinese study in DNA barcoding and taxonomy, we introduced DNA barcoding screening, application, 基金项目：本研究由国家科技支撑计划项目(2009BAB44B00)和海南大学“211 工程”创新人才计划项目共同资助
DNA条形码研究进展 Current Progress of DNA Barcoding present studying status in China, challenges and future prospects for DNA barcoding development Keywords DNA barcoding, Taxonomy, Species identification 科学准确地鉴别区分物种是开展进一步深入研验,只有经过长期的专业训练才能培养精通于某些 究和利用的前提与基础。自林奈建立双名法命名体特定生物门类的分类学专家。对巨大的需求而言,由 系以来,虽然已经鉴定了大约一百七十万种生物于竞争资助经费等方面的劣势,传统分类学的吸引 ( Hawksworth,1995),但是,地球上生物种类丰富,物力日渐衰退(任保青和陈之端,2010),大大制约了分 种数量高达上千万种,甚至可能更多,已鉴定分类的类学的发展,进而影响系统学、进化生物学和保护生 物种仅占生物总数约15% Gregory,2005;任保青和物学等许多相关学科的发展。因此,DNA条形码的 陈之端,2010),人类仍然没有认识鉴定的物种占绝大提出得到了普遍的关注。 多数,尤其是深海、原始丛林中的物种。对数量庞大的 未知生物和已知物种的鉴定分类和修订仍然是一项非1DNA条形码的筛选开发 常艰巨的基础性工作( Blaxter,2003; Tautzet al,2003)。 传统的生物分类主要依据生物的形态学特征, 11DNA条形码标准 并辅之以比较解剖学特性等,在形态特征显著的脊 原核生物基因组常常超过10°bp,而真核生物更 椎动物、高等植物以及昆虫等生物类群中应用效果加巨大,往往超过10°bp。生物演化过程中,不同的 较好,研究也比较深入,但是,对形态差异较小的微DNA序列进化速率存在差异,有的DNA区段进化 小生物则常常差强人意(任保青和陈之端,2010)。不较快,有的区段则较为保守,只有进化速率适宜的 仅如此,许多生物的形态特征容易受环境的影响,同DNA序列才能够用做DNA条形码。DNA条形码的 类群的生物可能由于生境条件的差异或者对同一理想序列有3个基本判断标准:(1)序列变异水平适 生境的反应和适应能力不同而呈现显著的形态学特宜,可以将不同物种彼此区分开来,同时种内变异较 征差异,影响正确的鉴定分类。因此,生物内在遗传小;(2)变异区域两端的序列高度保守,可以设计在众 物质组成日渐在分类学上得到重视,并取得了越来多物种中稳定扩增的通用引物:(3)扩增序列尽量短 越丰硕的成果。 最好一个反应可以完成测序。据此,已有研究表明 自上世纪50年代DNA双螺旋结构提出以来,编码线粒体细胞色素C氧化酶Ⅰ( cytochrome c oxi- 人类对遗传物质的认识与日俱增,尤其是PCR技 dase I,COI)基因是许多鱼类( Savolainen et al, 术、测序技术和生物信息学技术的飞速发展(任保青2005 Ward et al,2005)、昆虫( Smith et al,2005; Ahrens 和陈之端,2010),极大地推动了利用DNA蕴藏的信etal,2007; Elias et al,2007;张媛等,2011)和鸟类 息进行系统发育研究的分子系统学的快速发展,并( Hebert et al,2004; Tavares and Baker,2008)等动物 逐渐应用至生物分类研究( Tautz et al,2002;2003)。分类与鉴别的理想DNA条形码。对于植物而言,线 条形码技术是应现代零售业发展的需求而产生粒体基因进化速率较慢,不宜用做条形码,主要应用 的,在零售业的商品管理与销售中发挥了无法替代叶绿体基因和核糖体DNA的IIS等开展DNA条形 的关键作用,生物分类学家从中得到了启示:DNA码研究( Kress et al,2005; Sass et al,2007; Hollings 分子一级结构上的线性核苷酸排列可以建立类似的 orth et al.,2009) 生物条形码,应用于快速鉴别生物。DNA分子一级 线粒体基因的种内遗传距离往往小于1%,极 结构是由ATC阳G4种脱氧核糖核苷酸线性排列组少高于2%( Avise,2000 Hebert等(2003b)比较了 成的,理论上,15个核苷酸就有415种完全不同的排13320个亲缘关系很近的同属物种的COI序列,也 列组合,足以区分地球上所有生物种类。基于此,加发现种内差异基本上不到1%,大于2%非常少,而种 拿大 Guelph大学教授 Hebert等(2003a)首次提出了间差异高达1l.3%。在鸟类( Kerr et al,2007)、鳞翅目 DNA条形码 dNA barcode)的概念:利用有足够变异昆虫( Hajibabaei et al,2006)、鱼类( Ward et al,2005) 且容易扩增的相对较短的标准DNA片段,在种内的和甲壳纲动物 Cywinska et al,2006等类群中也存在 特异性与种间的多样性中建立的一种新的生物身份相似的种内和种间序列差异性。鸟类COI基因的种间 识别系统,从而实现了对物种进行快速、准确的识别差异是种内差异平均值的18倍( Hebert et al.,2004),在 和鉴定(任保青和陈之端,2010)。传统分类学研究十淡水鱼COI中甚至高达27倍( Hubert et al,2008)。 分依赖形态特征齐全的标本和分类学家的知识与经因此,利用COI基因条形码鉴定物种时,种间遗传 91994-2012ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
present studying status in China, challenges and future prospects for DNA barcoding development. Keywords DNA barcoding, Taxonomy, Species identification 科学准确地鉴别区分物种是开展进一步深入研 究和利用的前提与基础。自林奈建立双名法命名体 系以来，虽然已经鉴定了大约一百七十万种生物 (Hawksworth, 1995)，但是，地球上生物种类丰富，物 种数量高达上千万种，甚至可能更多，已鉴定分类的 物种仅占生物总数约 15% (Gregory, 2005; 任保青和 陈之端, 2010)，人类仍然没有认识鉴定的物种占绝大 多数，尤其是深海、原始丛林中的物种。对数量庞大的 未知生物和已知物种的鉴定分类和修订仍然是一项非 常艰巨的基础性工作(Blaxter, 2003; Tautz et al., 2003)。 传统的生物分类主要依据生物的形态学特征， 并辅之以比较解剖学特性等，在形态特征显著的脊 椎动物、高等植物以及昆虫等生物类群中应用效果 较好，研究也比较深入，但是，对形态差异较小的微 小生物则常常差强人意(任保青和陈之端, 2010)。不 仅如此，许多生物的形态特征容易受环境的影响，同 一类群的生物可能由于生境条件的差异或者对同一 生境的反应和适应能力不同而呈现显著的形态学特 征差异，影响正确的鉴定分类。因此，生物内在遗传 物质组成日渐在分类学上得到重视，并取得了越来 越丰硕的成果。 自上世纪 50 年代 DNA 双螺旋结构提出以来， 人类对遗传物质的认识与日俱增，尤其是 PCR 技 术、测序技术和生物信息学技术的飞速发展(任保青 和陈之端, 2010)，极大地推动了利用 DNA 蕴藏的信 息进行系统发育研究的分子系统学的快速发展，并 逐渐应用至生物分类研究(Tautz et al., 2002; 2003)。 条形码技术是应现代零售业发展的需求而产生 的，在零售业的商品管理与销售中发挥了无法替代 的关键作用，生物分类学家从中得到了启示：DNA 分子一级结构上的线性核苷酸排列可以建立类似的 生物条形码，应用于快速鉴别生物。DNA 分子一级 结构是由 A/T/C/G 4 种脱氧核糖核苷酸线性排列组 成的，理论上，15 个核苷酸就有 415 种完全不同的排 列组合，足以区分地球上所有生物种类。基于此，加 拿大 Guelph 大学教授 Hebert 等(2003a)首次提出了 DNA 条形码(DNA barcode)的概念：利用有足够变异 且容易扩增的相对较短的标准 DNA 片段，在种内的 特异性与种间的多样性中建立的一种新的生物身份 识别系统，从而实现了对物种进行快速、准确的识别 和鉴定(任保青和陈之端, 2010)。传统分类学研究十 分依赖形态特征齐全的标本和分类学家的知识与经 验，只有经过长期的专业训练才能培养精通于某些 特定生物门类的分类学专家。对巨大的需求而言，由 于竞争资助经费等方面的劣势，传统分类学的吸引 力日渐衰退(任保青和陈之端, 2010)，大大制约了分 类学的发展，进而影响系统学、进化生物学和保护生 物学等许多相关学科的发展。因此，DNA 条形码的 提出得到了普遍的关注。 1 DNA 条形码的筛选开发 1.1 DNA 条形码标准 原核生物基因组常常超过 106 bp，而真核生物更 加巨大，往往超过 109 bp。生物演化过程中，不同的 DNA 序列进化速率存在差异，有的 DNA 区段进化 较快，有的区段则较为保守，只有进化速率适宜的 DNA 序列才能够用做 DNA 条形码。DNA 条形码的 理想序列有 3 个基本判断标准：(1)序列变异水平适 宜，可以将不同物种彼此区分开来，同时种内变异较 小；(2)变异区域两端的序列高度保守，可以设计在众 多物种中稳定扩增的通用引物；(3)扩增序列尽量短， 最好一个反应可以完成测序。据此，已有研究表明， 编码线粒体细胞色素 C 氧化酶Ⅰ (cytochrome c oxidase Ⅰ, COⅠ)基因是许多鱼类(Savolainen et al., 2005; Ward et al., 2005)、昆虫(Smith et al., 2005; Ahrens et al., 2007; Elias et al., 2007; 张媛等, 2011) 和鸟类 (Hebert et al., 2004; Tavares and Baker, 2008) 等动物 分类与鉴别的理想 DNA 条形码。对于植物而言，线 粒体基因进化速率较慢，不宜用做条形码，主要应用 叶绿体基因和核糖体 DNA 的 ITS 等开展 DNA 条形 码研究(Kress et al., 2005; Sass et al., 2007; Hollingsworth et al., 2009)。 线粒体基因的种内遗传距离往往小于 1%，极 少高于 2% (Avise, 2000)。Hebert 等(2003b)比较了 13 320 个亲缘关系很近的同属物种的 COⅠ序列，也 发现种内差异基本上不到 1%，大于 2%非常少，而种 间差异高达 11. 3%。在鸟类(Kerr et al., 2007)、鳞翅目 昆虫(Hajibabaei et al., 2006)、鱼类(Ward et al., 2005) 和甲壳纲动物(Cywinska et al., 2006)等类群中也存在 相似的种内和种间序列差异性。鸟类 COⅠ基因的种间 差异是种内差异平均值的 18 倍(Hebert et al., 2004)，在 淡水鱼 COⅠ中甚至高达 27 倍(Hubert et al., 2008)。 因此，利用 COⅠ基因条形码鉴定物种时，种间遗传 DNA 条形码研究进展 Current Progress of DNA Barcoding 749
750基因组学与应用生物学 nomics and Applied Biology 距离应大于种内遗传距离10倍,最小种间遗传距离且许多生物的形态特征有一定的生长发育阶段性, 为2%( Hebert et al,2003a)。 仅仅依据形态特征进行传统物种分类时可能出错 12DNA条形码的开发程序 ( Knowlton,1993),而且,形态学方法无法鉴定隐存 种。不仅如此,分类学家识别能力有限,能准确鉴定 DNA条形码开发包括如下几个基本过程(Fang超过1000种生物的分类学家凤毛麟角,而传统分类 etal,2002 Hajibabaei et al,206:(材料的采集和学很难得到项目资助的现实使从事分类学研究的学 DNA提取。样品要具有代表性,覆盖尽可能多的地者愈来愈少(肖金花等,200,大大制约了分类学和 理群体:(2)设计与合成扩增引物。引物要具有通用性相关学科的发展。与传统的形态学分类相比,DNA 和特异性,在目标类群中容易扩增,条带单一,并且条形码能够更准确快捷地鉴定物种,具有明显的优 产物大小适宜,一般不要超过700bp:(3)PCR扩增。点( autz et al,2003消金花等,2004 Itt et al,2006 筛选引物,优化反应条件:4直接进行DNA测序,或莫帮辉等,2008间化学和于杰,200:(1准确性高。 者连接质粒载体克隆后测序;(5)序列加工。根据测序 每种生物DNA序列具有特异性和稳定性,不会出现 峰图比对序列,进行必要的人工校正,去掉载体和不 传统分类时因趋同或者环境影响而产生的表型差异 可靠的核苷酸:(6)序列分析。采用MEGA或PAUP 等软件计算比较不同分类阶元上的遗传距离(例如,种 引起的物种鉴定错误;(2)区别和鉴定物种十分快捷, 鉴定效率高,非分类学家也可以很快掌握:(3)样品要 内和种间的Kma-2 parameter distance(2P)Mey求低。条形码分析提取DNA的样品有0lg甚至更 er and Paulay,2005 haye et a009,构建Neg少就足够了,而且无组织和器官的特异性和完整性 bour-joining tree(NJ树)等分支图,数据很多时进行 多元尺度分析,更直观地用图展示鉴定效果( Hebert 要求,甚至毛发、粪便、尿液都可以用于准确鉴定,许 etal,2003):()结果提交。将相关的条形码序列和多死亡后的组织也符合要求:(4)不受个体发育阶段 样本信息等数据提交数据库(肖金花等,204宁淑萍影响。所有生物同个体的DNA组成在不同生长发 等,2008)。 序列分析时,一般应检验 barcoding ga,即检验码序列不会发生变化(5)能有效鉴定传统形态学分 属内种间遗传变异与种内个体间遗传变异的差异是类难以区分的个体很小或者形态相似的生物,例如 微生物、珊瑚等共生和寄生生物:(6)发现、鉴定新种 这可以使用常规的统计软件和 Taxon dNA软件与隐存种,建立完善生物的演化关系(Bta.2005 Meier et al,200)完成。除K2P外,种内距离分析还 Johnson et al,2008 Schlei et al,200:陈军等,2010) 常常采用平均值和平均溯祖度( average coalesce有些不同类群的生物由于生境等相似而出现趋同进 dcp山,前者是某个物种个体间K2P平均值,消除了化,呈现相似的外表形态特征,大大影响了基于形态 因样品数量差异导致的物种间偏差:后者则指物种特征的传统分类的可靠性。例如,营埋栖生活的帘蛤 内最大K2P值,体现物种内最大变异值。 科等异齿亚纲贝类很容易受到底质环境的影响而产 目前BOLD(barcodeoflifedatabasehttp://www.生趋同进化(陈军等,2010):()为系统发生树的构建 boldsystems or是仅有的动物条形码数据库,提交该提供丰富的可靠“树叶”:(8)可以分析动物肠道包含 数据库的内容主要包括:(1)所需材料的物种名称:(2)物和排泄物,揭示生物之间的食物链关系:(9通过建 标本的目录号与馆藏号等信息:(3)采集人、采集日立数据库,实现数据的不断补充完善和信息化管理。 期、纬度与海拔高度GPS定位参数等标本采集信息;各个物种的数据明确充分,检索鉴定方便、准确,可 (4)至少500bp的DNA条形码序列:(5标本鉴定人;实现快速大批量鉴定,并不断补充完善数据库,推动 (6)PCR扩增引物:()测序的原始峰图( Ratnasingham生物分类学持续深入地发展。 and Hebert,2007)。如果还提供标本的照片以及标本22DNA条形码的应用 采集生境的描述等信息则更好。 DNA条形码最主要和最根本目的是进行生物 2DNA条形码的应用 分类,快速准确地鉴定单个物种,可以更加可靠地发 现隐形种,在动植物和微生物等各类生物中正得到 21DNA条形码的优点 越来越广泛的应用。在此基础上,DNA条形码进 生物的代表性表型特征具有一定的可塑性,而步应用于与生物鉴定分类相关的生态学、保护生物 91994-2012ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
基因组学与应用生物学 Genomics and Applied Biology 距离应大于种内遗传距离 10 倍，最小种间遗传距离 为 2% (Hebert et al., 2003a)。 1.2 DNA 条形码的开发程序 DNA 条形码开发包括如下几个基本过程(Fang et al., 2002; Hajibabaei et al., 2006)：(1)材料的采集和 DNA 提取。样品要具有代表性，覆盖尽可能多的地 理群体；(2)设计与合成扩增引物。引物要具有通用性 和特异性，在目标类群中容易扩增，条带单一，并且 产物大小适宜，一般不要超过 700 bp；(3) PCR 扩增。 筛选引物，优化反应条件；(4)直接进行 DNA 测序，或 者连接质粒载体克隆后测序；(5)序列加工。根据测序 峰图比对序列，进行必要的人工校正，去掉载体和不 可靠的核苷酸；(6)序列分析。采用 MEGA 或 PAUP 等软件计算比较不同分类阶元上的遗传距离(例如, 种 内和种间的 Kimura-2-parameter distance (K2P) (Meyer and Paulay, 2005; Lahaye et al., 2008)，构建 Neighbour-joining tree (NJ 树)等分支图，数据很多时进行 多元尺度分析，更直观地用图展示鉴定效果(Hebert et al., 2003a)；(7)结果提交。将相关的条形码序列和 样本信息等数据提交数据库(肖金花等, 2004; 宁淑萍 等, 2008)。 序列分析时，一般应检验 barcoding gap，即检验 属内种间遗传变异与种内个体间遗传变异的差异是 否显著(Meyer and Paulay, 2005; Lahaye et al., 2008a)， 这可以使用常规的统计软件和 Taxon DNA 软件 (Meier et al., 2006)完成。除 K2P 外，种内距离分析还 常常采用平均 θ 值和平均溯祖度(average coalescen depth)，前者是某个物种个体间 K2P 平均值，消除了 因样品数量差异导致的物种间偏差；后者则指物种 内最大 K2P 值，体现物种内最大变异值。 目前 BOLD (barcode of life database, http://www. boldsystems.org)是仅有的动物条形码数据库，提交该 数据库的内容主要包括：(1)所需材料的物种名称；(2) 标本的目录号与馆藏号等信息；(3)采集人、采集日 期、纬度与海拔高度 GPS 定位参数等标本采集信息； (4)至少 500 bp 的 DNA 条形码序列；(5)标本鉴定人； (6) PCR 扩增引物；(7)测序的原始峰图(Ratnasingham and Hebert, 2007)。如果还提供标本的照片以及标本 采集生境的描述等信息则更好。 2 DNA 条形码的应用 2.1 DNA 条形码的优点 生物的代表性表型特征具有一定的可塑性，而 且许多生物的形态特征有一定的生长发育阶段性， 仅仅依据形态特征进行传统物种分类时可能出错 (Knowlton, 1993)，而且，形态学方法无法鉴定隐存 种。不仅如此，分类学家识别能力有限，能准确鉴定 超过 1 000 种生物的分类学家凤毛麟角，而传统分类 学很难得到项目资助的现实使从事分类学研究的学 者愈来愈少(肖金花等, 2004)，大大制约了分类学和 相关学科的发展。与传统的形态学分类相比，DNA 条形码能够更准确快捷地鉴定物种，具有明显的优 点(Tautz et al., 2003; 肖金花等, 2004; Witt et al., 2006; 莫帮辉等, 2008; 闫化学和于杰, 2010)：(1)准确性高。 每种生物 DNA 序列具有特异性和稳定性，不会出现 传统分类时因趋同或者环境影响而产生的表型差异 引起的物种鉴定错误；(2)区别和鉴定物种十分快捷， 鉴定效率高，非分类学家也可以很快掌握；(3)样品要 求低。条形码分析提取 DNA 的样品有 0.1 g 甚至更 少就足够了，而且无组织和器官的特异性和完整性 要求，甚至毛发、粪便、尿液都可以用于准确鉴定，许 多死亡后的组织也符合要求；(4)不受个体发育阶段 影响。所有生物同一个体的 DNA 组成在不同生长发 育阶段是否存在显著形态学差异都是相同的，条形 码序列不会发生变化；(5)能有效鉴定传统形态学分 类难以区分的个体很小或者形态相似的生物，例如 微生物、珊瑚等共生和寄生生物；(6)发现、鉴定新种 与隐存种，建立完善生物的演化关系(Ball et al., 2005; Johnson et al., 2008; Schlei et al., 2008; 陈军等, 2010)。 有些不同类群的生物由于生境等相似而出现趋同进 化，呈现相似的外表形态特征，大大影响了基于形态 特征的传统分类的可靠性。例如，营埋栖生活的帘蛤 科等异齿亚纲贝类很容易受到底质环境的影响而产 生趋同进化(陈军等, 2010)；(7)为系统发生树的构建 提供丰富的可靠“树叶”；(8)可以分析动物肠道包含 物和排泄物，揭示生物之间的食物链关系；(9)通过建 立数据库，实现数据的不断补充完善和信息化管理。 各个物种的数据明确充分，检索鉴定方便、准确，可 实现快速大批量鉴定，并不断补充完善数据库，推动 生物分类学持续深入地发展。 2.2 DNA 条形码的应用 DNA 条形码最主要和最根本目的是进行生物 分类，快速准确地鉴定单个物种，可以更加可靠地发 现隐形种，在动植物和微生物等各类生物中正得到 越来越广泛的应用。在此基础上，DNA 条形码进一 步应用于与生物鉴定分类相关的生态学、保护生物 750
DNA条形码研究进展751 Current Progress of DNA Barcoding 学等学科领域。 文4篇,其余为正式发表论文。发表的论文综述约占 DNA条形码分类高效简便,能够可靠评估物种一半,为45篇。综述和研究论文发表数量按年份总 多样性和遗传多样性,开展生态学以及生物地理学体上均呈逐年递增趋势,研究论文增长较快(表1;图1)。 研究。DNA条形码能够区分近缘种,使生物多样性112篇国内期刊论文中,动物类的论文为55篇,植物 分析更加细致全面( Bucklin et al,2010)。通过分析类的论文为35篇,真菌和微生物论文7篇。 DNA条形码的种内和种间多态性与遗传距离等可 以准确揭示生物的遗传多样性( Valdez-Moreno et al,表1国内期刊发表的DNA条形码文章数量 2009; Yuan et al,2009)。生态学研究首先需要对取样 Table 1 Numbers of dNa barcoding paper published in inland professional periodicals each year 区内的生物种类进行鉴定,采用传统方法时,要求研 究人员具有很高的专业分类学水平,而生态学家往 200620072008200920102011 往很难达到这一要求:DNA条形码技术则很好地解研究论文 决了这个问题,具有基本的生物学知识就可以很容 Research paper 综述论文 易地掌握DNA条形码鉴定方法 Review paper 在保护生物学中,DNA条形码可以正确评价濒会议论文 危物种的遗传多样性,为其科学保护和种群恢复提 Meeting paper 供可靠依据( Vogler and Monaghan,2007; Naro- Maciel学位论文 etal,2009)。同时,应用DNA条形码进行生物食谱 Degree paper 分析,可以了解生态系统中形成的食物链关系,促进合计 珍稀生物保护( Witt et al,2006)。采用粪便和毛发等oa 样品进行DNA条形码分析,可以在不伤害动物的同 时进行保护生物学研究,例如, Valiere等(2003)利用 Research 粪便和毛发样品,在法国和瑞士进行了狼范围扩大 的跟踪研究。 监督动植物产品的非法交易,提升海关等政府組 部门对珍稀物种的有效监控和保护(Naro- Maciel et al,2009)。许多动植物产品只能观察到毛发等局部组 年份 织,很难通过极其有限的局部形态结构特征来判断 产品是否为禁止交易生物,DNA条形码分析使这些维普资讯网) 图1国内期刊每年发表的DNA条形码论文数量(综合CNKI和 问题迎刃而解。例如,美国应用DNA条形码分析发 Figure 1 Paper numbers about dna barcoding searched from 现23%的鱼子酱标注的鱼类名称错误,有的还有濒 CNKI and vIP information 危鱼类成分 Birstein et al,2000)。 3.1.1国内动物DNA条形码文献 此外,DNA条形码技术还可以应用于食品安全 领域,实现食品的快速检测和鉴别( Smith et al,2008b 55篇动物类论文主要是水生动物和昆虫的研究 1g and Ha200生物安全领域DNA条形和综述论文,各有18篇。昆虫条形码论文主要是关 码可以科学准确鉴定外来物种,尤其是难以用形态于鞘翅目( Coleoptera)、直翅目 Orthoptera)、半翅目 学分类鉴定的卵和幼虫的鉴定。 ( Hemiptera)鳞翅目( Lepidoptera)的天蛾和卷蛾、双翅 目( Diptera)实蝇与寄蝇、膜翅目中国榕小蜂的相关研 3国内外DNA条形码研究文献现状 究或者进展。水生动物的18篇论文中,有5篇是中 国鲚属( Coilia)、鲟鱼( Acipenser sturio L.)、亚东鲑 3.1国内DNA条形码研究文献现状 ( Salmo trutta fraio)东亚特有鲤科( Cyprinidae)类群和 2011年12月4日在CNK中国知网htp210.鲤科鲐属( Culter淡水鱼类DNA条形码的研究论文; 3732.25/knso/ index.aspx/)和维普资讯网(htp:/210.有关海水鱼类的论文有4篇,分别研究石首鱼科 373223:8080 /index. asp.)上输入“条形码”后再输入( Sciaenidae)鱼类、中国南海裸胸鳝属( Gymnothorax)鱼 “DNA进行搜索,共得到2006年以来的论文112篇,类、台湾鲻科( mugilidae)的分类和卵形鲳鲹( Trach- 其中硕士学位论文和博士学位论文各1篇,会议论 inotus ovatus L)线粒体COI基因全长序列的克隆与分 91994-2012ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
DNA 条形码研究进展 Current Progress of DNA Barcoding 学等学科领域。 DNA 条形码分类高效简便，能够可靠评估物种 多样性和遗传多样性，开展生态学以及生物地理学 研究。DNA 条形码能够区分近缘种，使生物多样性 分析更加细致全面(Bucklin et al., 2010)。通过分析 DNA 条形码的种内和种间多态性与遗传距离等可 以准确揭示生物的遗传多样性(Valdez-Moreno et al., 2009; Yuan et al., 2009)。生态学研究首先需要对取样 区内的生物种类进行鉴定，采用传统方法时，要求研 究人员具有很高的专业分类学水平，而生态学家往 往很难达到这一要求；DNA 条形码技术则很好地解 决了这个问题，具有基本的生物学知识就可以很容 易地掌握 DNA 条形码鉴定方法。 在保护生物学中，DNA 条形码可以正确评价濒 危物种的遗传多样性，为其科学保护和种群恢复提 供可靠依据(Vogler and Monaghan, 2007; Naro-Maciel et al., 2009)。同时，应用 DNA 条形码进行生物食谱 分析，可以了解生态系统中形成的食物链关系，促进 珍稀生物保护(Witt et al., 2006)。采用粪便和毛发等 样品进行 DNA 条形码分析，可以在不伤害动物的同 时进行保护生物学研究，例如，Valière 等(2003)利用 粪便和毛发样品，在法国和瑞士进行了狼范围扩大 的跟踪研究。 监督动植物产品的非法交易，提升海关等政府 部门对珍稀物种的有效监控和保护(Naro-Maciel et al., 2009)。许多动植物产品只能观察到毛发等局部组 织，很难通过极其有限的局部形态结构特征来判断 产品是否为禁止交易生物，DNA 条形码分析使这些 问题迎刃而解。例如，美国应用 DNA 条形码分析发 现 23%的鱼子酱标注的鱼类名称错误，有的还有濒 危鱼类成分(Birstein et al., 2000)。 此外，DNA 条形码技术还可以应用于食品安全 领域，实现食品的快速检测和鉴别(Smith et al., 2008b; Wong and Hanner, 2008)；在生物安全领域 DNA 条形 码可以科学准确鉴定外来物种，尤其是难以用形态 学分类鉴定的卵和幼虫的鉴定。 3 国内外 DNA 条形码研究文献现状 3.1 国内 DNA 条形码研究文献现状 2011 年 12 月 4 日在 CNKI 中国知网(http://210. 37.32.25/kns50/index.aspx/)和维普资讯网(http://210. 37.32.23:8080/index.asp/)上输入“条形码”后再输入 “DNA”进行搜索，共得到 2006 年以来的论文 112篇， 其中硕士学位论文和博士学位论文各 1 篇，会议论 文 4 篇，其余为正式发表论文。发表的论文综述约占 一半，为 45 篇。综述和研究论文发表数量按年份总 体上均呈逐年递增趋势，研究论文增长较快(表 1;图1)。 112 篇国内期刊论文中，动物类的论文为 55 篇，植物 类的论文为 35 篇，真菌和微生物论文 7 篇。 3.1.1 国内动物 DNA 条形码文献 55 篇动物类论文主要是水生动物和昆虫的研究 和综述论文，各有 18 篇。昆虫条形码论文主要是关 于鞘翅目(Coleoptera)、直翅目(Orthoptera)、半翅目 (Hemiptera)、鳞翅目(Lepidoptera)的天蛾和卷蛾、双翅 目(Diptera)实蝇与寄蝇、膜翅目中国榕小蜂的相关研 究或者进展。水生动物的 18 篇论文中，有 5 篇是中 国 鲚 属 (Coilia)、鲟 鱼 (Acipenser sturio L.)、亚 东 鲑 (Salmo trutta fraio)、东亚特有鲤科(Cyprinidae)类群和 鲤科鲌属(Culter)淡水鱼类 DNA 条形码的研究论文； 有关海水鱼类的论文有 4 篇，分别研究石首鱼科 (Sciaenidae)鱼类、中国南海裸胸鳝属(Gymnothorax)鱼 类、台湾鲻科(mugilidae)的分类和卵形鲳鲹(Trachinotus ovatus L.)线粒体 COⅠ基因全长序列的克隆与分 表 1 国内期刊发表的 DNA 条形码文章数量 Table 1 Numbers of DNA barcoding paper published in inland professional periodicals each year 研究论文 Research paper 综述论文 Review paper 会议论文 Meeting paper 学位论文 Degree paper 合计 Total 2006 1 1 2007 2 2 2008 3 4 1 8 2009 6 6 1 1 14 2010 24 20 2 1 47 2011 25 15 40 图 1 国内期刊每年发表的 DNA 条形码论文数量(综合 CNKI和 维普资讯网) Figure 1 Paper numbers about DNA barcoding searched from CNKI and VIP information 751
基因组学与应用生物学 nomics and Applied Biology 析,其中台湾鲻科的分类研究是一篇会议论文;关于科( Nectriaceae)和腐霉科( Pythiaceae)的腐霉属(F)th 贝类的论文5篇,分别研究中国近海习见头足类、四ium)的DNA条形码,研究论文2篇,一篇是研究丛赤 角蛤蜊、蚌类、中国沿海缀锦蛤亚科( Tapetinae)以及壳科( Nectriaceae)的会议论文成果的正式发表,另 贻贝科( Mytilidae)等;其余4篇为关于龟鳖类、海参篇则是关于蓝舌病病毒的条形码和鉴定方面的研究。 和岩礁海藻附植动物等的研究论文和综述。这些动 3.2国外DNA条形码文献 物DNA条形码研究论文基本上是应用COI基因的 序列进行分析的,极少数采用了COⅡ基因,肯定了 2011年12月4日,分别在Ncbi(http:/www DNA条形码在这些物种中的有效性 ncbinlmnih.gov/pubmed)fSciencedirect(http://www 3.1.2国内植物DNA条形码文献 sciencedirect. com)网上查询2003年至今的DNA条 形码文献,在NCB中共查题目中含有“ barcoding”或 国内的植物类DNA条形码论文共35篇,其中 者“ barcode的DNA条形码论文165篇,其中研究论 综述13篇,硕士论文1篇。综述文章主要论述的是 文122篇,综述43篇:在 Sciencedirect中共查到题目 DNA条形码技术在整个植物类群中的应用,仅仅涉 及苔藓植物或者大型海洋藻类的综述各1篇,有2篇 或者摘要中含有“ barcoding”或者" barcode”的DNA 综述为DNA条形码在中药鉴定中的应用,还有1篇条形码论文138篇,其中研究论文116篇,综述22 为DNA条形码在植物检疫中的应用。21篇研究论篇。无论是NCBI还是 Sciencedirect,研究论文在 文中,研究海水生绿潮藻的论文1篇,以IS和rps4 2008年以前数量呈逐渐增加趋势,但是论文数量增加 序列研究地衣和苔藓条形码的论文3篇,应用叶绿较慢,2009年论文和2010年研究论文数量显著增加, 体 trnH-psbA序列研究石杉科论文1篇:其余均是关截至2011年12月初,研究论文有一定的增加,但是 于被子植物的研究,尤以姜科( Zingiberaceae)植物的增加数量不大。综述论文均呈起伏不定状态,没有表 研究较多,有4篇论文,其余为研究百合科(Lⅲ-现出明显的增加或者减少趋势,而且自200年起与 acae芸香科( Rutaceae)、锦葵科( Malvaceae、景天属研究论文数量的差距一直较大(图2.相比较而言,国 Scdm、石斛属( Dendrobium黄芪属( Astragalus)、重内查询到的条形码研究论文数量2009年以前的变化 楼属(Pai)龙胆科植物秦艽( Gentiana macrophylla较缓,2010年才显著增加:另一方面,国内研究论文数 Pal)l、毛茛科威灵仙( Clematis chinensis osbeck)、大量相对较少而综述相对较多 戟科京大戟(Eψ phobia pekinensis)、柑橘及其近缘属 NCB研究论文 植物条形码论文。 article 最近,中国科学院昆明植物研究所等国内19个 科研院所和高校组建了中国植物条形码研究团队 ( China Plant bol group),研究了42目75科141属 1757种共约6286个样本种子植物质体的tbL、10 maK、 trnH-psbA序列和核糖体的Is序列( China Plant BOL Group,2011)结果显示:3个质体DNA标 200320042005200620072008200920102011 记的通用性高达87.1%927%,而IS在被子植物 Year 中的通用性也高达79%,但是在裸子植物中较低;图2国外NCBI和 Sciendirect期刊查找的关于DNA条形码 IS的物种分辩率最高,其与任何一个质体DNA标论文数量 记组合的物种鉴别水平为699%79.1%,显著高于 Figure2 Paper numbers about dNa barcoding searched from bcL+maK组合的497%,IS全序列难以获取时, 其部分序列IIS2也是物种鉴别的很好选择。据此, NCBI的条形码文献中仅仅涉及植物、动物和真 该文认为SI2应与已经广泛采用的质体rbcL菌的文献分别有33篇、79篇和10篇,其它的43篇则 和maK结合,共同作为种子植物的核心条形码 可能是关于多类生物或者DNA条形码的开发、软件 3.1.3国内真菌和微生物等DNA条形码文献 应用等。 Sciencedirect的条形码文献中仅仅涉及植物 真菌和微生物等论文较少,仅有7篇。其中,综动物和真菌的文献分别有29篇、77篇和7篇,其余 述论文3篇,介绍DNA条形码在真菌分类和病毒鉴25篇涉及两类以上生物以及条形码研究的取样数量 别中的应用;会议论文2篇分别研究真菌的丛赤壳估计等。有关动物条形码的论文较多,超过植物的相 91994-2012ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
基因组学与应用生物学 Genomics and Applied Biology 析，其中台湾鲻科的分类研究是一篇会议论文；关于 贝类的论文 5 篇，分别研究中国近海习见头足类、四 角蛤蜊、蚌类、中国沿海缀锦蛤亚科(Tapetinae)以及 贻贝科(Mytilidae)等；其余 4 篇为关于龟鳖类、海参 和岩礁海藻附植动物等的研究论文和综述。这些动 物 DNA 条形码研究论文基本上是应用 COⅠ基因的 序列进行分析的，极少数采用了 COⅡ基因，肯定了 DNA 条形码在这些物种中的有效性。 3.1.2 国内植物 DNA 条形码文献 国内的植物类 DNA 条形码论文共 35 篇，其中 综述 13 篇，硕士论文 1 篇。综述文章主要论述的是 DNA 条形码技术在整个植物类群中的应用，仅仅涉 及苔藓植物或者大型海洋藻类的综述各 1 篇，有 2篇 综述为 DNA 条形码在中药鉴定中的应用，还有 1 篇 为 DNA 条形码在植物检疫中的应用。21 篇研究论 文中，研究海水生绿潮藻的论文 1 篇，以 ITS 和 rps4 序列研究地衣和苔藓条形码的论文 3 篇，应用叶绿 体 trnH-psbA 序列研究石杉科论文 1 篇；其余均是关 于被子植物的研究，尤以姜科(Zingiberaceae)植物的 研究较多，有 4 篇论文，其余为研究百合科(Liliaceae)、芸香科(Rutaceae)、锦葵科(Malvaceae)、景天属 (Sedum)、石斛属(Dendrobium)、黄芪属(Astragalus)、重 楼属(Paris)、龙胆科植物秦艽(Gentiana macrophylla Pall.)、毛茛科威灵仙(Clematis chinensis Osbeck)、大 戟科京大戟(Euphorbia pekinensis)、柑橘及其近缘属 植物条形码论文。 最近，中国科学院昆明植物研究所等国内 19 个 科研院所和高校组建了中国植物条形码研究团队 (China Plant BOL Group)，研究了 42 目 75 科 141 属 1 757 种共约 6 286 个样本种子植物质体的 rbcL、 matK、trnH-psbA 序 列 和 核 糖 体 的 ITS 序 列(China Plant BOL Group, 2011)。结果显示：3 个质体 DNA 标 记的通用性高达 87.1%~92.7%，而 ITS 在被子植物 中的通用性也高达 79%，但是在裸子植物中较低； ITS 的物种分辩率最高，其与任何一个质体 DNA 标 记组合的物种鉴别水平为 69.9%~79.1%，显著高于 rbcL+matK 组合的 49.7%，ITS 全序列难以获取时， 其部分序列 ITS2 也是物种鉴别的很好选择。据此， 该文认为 ITS/ITS2 应与已经广泛采用的质体 rbcL 和 matK 结合，共同作为种子植物的核心条形码。 3.1.3 国内真菌和微生物等 DNA 条形码文献 真菌和微生物等论文较少，仅有 7 篇。其中，综 述论文 3 篇，介绍 DNA 条形码在真菌分类和病毒鉴 别中的应用；会议论文 2 篇分别研究真菌的丛赤壳 科(Nectriaceae)和腐霉科(Pythiaceae)的腐霉属(Fythium)的 DNA 条形码，研究论文 2 篇，一篇是研究丛赤 壳科(Nectriaceae)的会议论文成果的正式发表，另一 篇则是关于蓝舌病病毒的条形码和鉴定方面的研究。 3.2 国外 DNA 条形码文献 2011 年 12 月 4 日，分别在 NCBI (http://www. ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/)和 Sciencedirect (http://www. sciencedirect.com/)网上查询 2003 年至今的 DNA 条 形码文献，在 NCBI 中共查题目中含有“barcoding”或 者“barcode”的 DNA 条形码论文 165 篇，其中研究论 文 122 篇，综述 43 篇；在 Sciencedirect 中共查到题目 或者摘要中含有“barcoding”或者“barcode”的 DNA 条形码论文 138 篇，其中研究论文 116 篇，综述 22 篇。无论是 NCBI 还是 Sciencedirect，研究论文在 2008 年以前数量呈逐渐增加趋势，但是论文数量增加 较慢，2009 年论文和 2010 年研究论文数量显著增加， 截至 2011 年 12 月初，研究论文有一定的增加，但是 增加数量不大。综述论文均呈起伏不定状态，没有表 现出明显的增加或者减少趋势，而且自 2009 年起与 研究论文数量的差距一直较大(图 2)。相比较而言，国 内查询到的条形码研究论文数量 2009 年以前的变化 较缓，2010 年才显著增加；另一方面，国内研究论文数 量相对较少而综述相对较多。 NCBI 的条形码文献中仅仅涉及植物、动物和真 菌的文献分别有 33 篇、79 篇和 10 篇，其它的 43 篇则 可能是关于多类生物或者 DNA 条形码的开发、软件 应用等。Sciencedirect 的条形码文献中仅仅涉及植物、 动物和真菌的文献分别有 29 篇、77 篇和 7 篇，其余 25 篇涉及两类以上生物以及条形码研究的取样数量 估计等。有关动物条形码的论文较多，超过植物的相 图 2 国外 NCBI 和 Sciendirect 期刊查找的关于 DNA 条形码 论文数量 Figure 2 Paper numbers about DNA barcoding searched from NCBI and Sciencedirect 752
DNA条形码研究进展 Current Progress of DNA Barcoding 关论文的2倍,而真菌的有关论文很少,不足植物条7篇,2篇为研究担子菌的论文,酵母菌和子囊菌的研 形码论文的1/3 究论文各1篇,其余3篇是以多类真菌为研究对象 3.21国外动物DNA条形码文献 的论文 NCBI查找到的以动物为研究对象的研究论文4DNA条形码研究面临的挑战 共71篇,研究昆虫的论文最多(28篇),其次是研究 鱼类的(10篇),鸟类的研究论文有7篇,除昆虫外的 DNA条形码概念提出后,取得了丰硕的研究成 节肢动物有5篇研究报道,研究动物区系等涉及动果,不过,持怀疑态度的学者也大有人在( Ebach and 物门类较多的论文有4篇,线虫动物门 (Nematoda)研 Holdrege,2005),一方面担心DNA条形码会削弱或 究论文3篇,其余哺乳动物、软体动物、环节动物和者取代以形态学为基础的传统分类方法( Kress et al 两栖类各有2篇研究论文,原生动物、海绵动物门200),另一方面由于DNA条形码自身的不足以及 ( Spongia)、扁形动物门( Platyhelminthes),苔藓动物门目前研究中还存在一些问题( (Will and rubino200 (Byoz0a)、小型食草动物和海龟各有1篇研究论文。 De Salle,,2006; Kaila and Gunilla,2006; Meier et al Sciencedirect查找到的以动物为研究对象的74篇研2006 maral et al.,2007)。 究论文中,研究昆虫和原生动物的论文较多,分别有41DNA条形码的通用性 16篇和13篇,其次是鱼类和软体动物的研究论文 分别为8篇和7篇,环节动物门( Annelida)和线虫动 最理想的是找到某一DNA序列可以鉴别地球 物门的各有4篇,哺乳动物、蛇类、鸟类和除昆虫纲上一切物种,然而,核基因和细胞器基因、编码区和 ( Insecta)外的其它节肢动物各有3篇研究论文,扁形非编码区等不同的DNA区段的进化速率或是在不 动物2篇,苔藓动物门、,腔肠动物门 ( Coelentera0和同生物中的同一区段DNA序列的进化速率也常常 线形动物门 Nematomorpha)各1篇,此外,涉及动物差异显著,因而这种美好的愿望难以实现,至少目前 门类较多的论文有5篇。 研究的结果表明如此。即便是DNA条形码研究较成 功的动物,单单运用COI也不能实现对已经研究的 3.2.2国外植物DNA条形码文献 种类极其有限的动物的完全鉴定( Will et al.,2005 NCBI查找到的以植物为研究对象的研究论文 Rach et al,2008),尤其是在研究多样性程度较高的 共27篇,其中13篇为关于植物区系和非特定植物热带地区物种时存在局限性( Rubinoff et al,2006a) 对象的陆生植物研究论文,其余研究论文较为分散,相对较落后的植物类群条形码研究, Rubinoff等 仅菊科( Asteraceae的研究论文有3篇,蕨类有4篇,(200b)认为很难找到适宜用做DNA条形码的单 唇形科 Lamiaceae)、鸢尾科( idaceae)、浮萍科(Lem基因片段。采用hbcL和mak基因等组合条形码也 macae)、姜科、小檗科( Berberidaceae)大型红藻和腰仍然难以完全鉴别高等植物( Blaxter,200:任保青和 鞭毛藻的研究论文各有1篇。 Sciencedirect查找到的陈之端,2010)。 以动物为研究对象的26篇研究论文中,仅仅有关硅 藻等藻类的研究论文较多,有9篇,其余蕨类、蔷薇42DNA条形码的局限性 科( Rosaceae)、蝶形花科 Papilionaceae)、江蒿科( graci-许多分类学家怀疑单个基因序列进行物种鉴定 lamiaceae)、菊科、蓼科( Polygonaceae)、葡萄科( Vitae-的可靠性,完全依靠遗传分化会导致错误的鉴别。他 ae)、豆科( Leguminosae)、毛茛科( Ranunculaceae)、十们认为相对于基因组而言如此短的DNA条形码不 字花科( Cruciferae)壳斗科( Fagaceae)、茄科( Solana能在物种水平上提供可靠信息 Mallet and willmott eae)、大戟科( Euphorbiaceae和竹芋科 (Marantaceae)2003 Sperling利用COI分析昆虫的结果显示,至 的研究论文均只有1篇,另外有3篇研究牛的食物少有14的物种很难区分( Sperling2003 和药用植物的论文 有效的DNA条形码需要满足两个前提条件 3.2.3国内真菌和微生物等DNA条形码文献 ( Toffoli et al,2008):一是种内遗传差异显著小于种 无论NCBI还是 Sciencedirect查找到的以真菌间差异,二者间存在条形码间隙;二是研究对象在物 为对象的研究论文均较少,前者仅有8篇研究论文,种系统发生上彼此互为单系群( monophyletic group) 卵菌研究论文2篇,伞菌和锤舌菌各1篇,另外的当DNA条形码分析的样品数量足够大时,种内遗传 4篇以多类真菌为硏究对象:后者硏究真菌的论文组成差异可能随地理种群数量增加而显著提高,而 91994-2012ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
DNA 条形码研究进展 Current Progress of DNA Barcoding 关论文的 2 倍，而真菌的有关论文很少，不足植物条 形码论文的 1/3。 3.2.1 国外动物 DNA 条形码文献 NCBI 查找到的以动物为研究对象的研究论文 共 71 篇，研究昆虫的论文最多(28 篇)，其次是研究 鱼类的(10 篇)，鸟类的研究论文有 7 篇，除昆虫外的 节肢动物有 5 篇研究报道，研究动物区系等涉及动 物门类较多的论文有 4 篇，线虫动物门(Nematoda)研 究论文 3 篇，其余哺乳动物、软体动物、环节动物和 两栖类各有 2 篇研究论文，原生动物、海绵动物门 (Spongia)、扁形动物门(Platyhelminthes)、苔藓动物门 (Bryozoa)、小型食草动物和海龟各有 1 篇研究论文。 Sciencedirect 查找到的以动物为研究对象的 74 篇研 究论文中，研究昆虫和原生动物的论文较多，分别有 16 篇和 13 篇，其次是鱼类和软体动物的研究论文， 分别为 8 篇和 7 篇，环节动物门(Annelida)和线虫动 物门的各有 4 篇，哺乳动物、蛇类、鸟类和除昆虫纲 (Isecta)外的其它节肢动物各有 3 篇研究论文，扁形 动物 2 篇，苔藓动物门、腔肠动物门(Coelenterata)和 线形动物门(Nematomorpha)各 1 篇，此外，涉及动物 门类较多的论文有 5 篇。 3.2.2 国外植物 DNA 条形码文献 NCBI 查找到的以植物为研究对象的研究论文 共 27 篇，其中 13 篇为关于植物区系和非特定植物 对象的陆生植物研究论文，其余研究论文较为分散， 仅菊科(Asteraceae)的研究论文有 3 篇，蕨类有 4 篇， 唇形科(Lamiaceae)、鸢尾科(Iridaceae)、浮萍科(Lemnaceae)、姜科、小檗科(Berberidaceae)、大型红藻和腰 鞭毛藻的研究论文各有 1 篇。Sciencedirect 查找到的 以动物为研究对象的 26 篇研究论文中，仅仅有关硅 藻等藻类的研究论文较多，有 9 篇，其余蕨类、蔷薇 科(Rosaceae)、蝶形花科(Papilionaceae)、江蓠科(Gracilariaceae)、菊科、蓼科(Polygonaceae)、葡萄科(Vitaceae)、豆科(Leguminosae)、毛茛科(Ranunculaceae)、十 字花科(Cruciferae)、壳斗科(Fagaceae)、茄科(Solanaceae)、大戟科(Euphorbiaceae)和竹芋科(Marantaceae) 的研究论文均只有 1 篇，另外有 3 篇研究牛的食物 和药用植物的论文。 3.2.3 国内真菌和微生物等 DNA 条形码文献 无论 NCBI 还是 Sciencedirect 查找到的以真菌 为对象的研究论文均较少，前者仅有 8 篇研究论文， 卵菌研究论文 2 篇，伞菌和锤舌菌各 1 篇，另外的 4 篇以多类真菌为研究对象；后者研究真菌的论文 7篇，2 篇为研究担子菌的论文，酵母菌和子囊菌的研 究论文各 1 篇，其余 3 篇是以多类真菌为研究对象 的论文。 4 DNA 条形码研究面临的挑战 DNA 条形码概念提出后，取得了丰硕的研究成 果，不过，持怀疑态度的学者也大有人在(Ebach and Holdrege, 2005)，一方面担心 DNA 条形码会削弱或 者取代以形态学为基础的传统分类方法(Kress et al., 2005)，另一方面由于 DNA 条形码自身的不足以及 目前研究中还存在一些问题(Will and Rubinoff, 2004; DeSalle, 2006; Kaila and Gunilla, 2006; Meier et al., 2006; Amaral et al., 2007)。 4.1 DNA 条形码的通用性 最理想的是找到某一 DNA 序列可以鉴别地球 上一切物种，然而，核基因和细胞器基因、编码区和 非编码区等不同的 DNA 区段的进化速率或是在不 同生物中的同一区段 DNA 序列的进化速率也常常 差异显著，因而这种美好的愿望难以实现，至少目前 研究的结果表明如此。即便是 DNA 条形码研究较成 功的动物，单单运用 COⅠ也不能实现对已经研究的 种类极其有限的动物的完全鉴定(Will et al., 2005; Rach et al., 2008)，尤其是在研究多样性程度较高的 热带地区物种时存在局限性(Rubinoff et al., 2006a)。 相对较落后的植物类群条形码研究，Rubinoff 等 (2006b)认为很难找到适宜用做 DNA 条形码的单一 基因片段。采用 rbcL 和 matK 基因等组合条形码也 仍然难以完全鉴别高等植物(Blaxter, 2003; 任保青和 陈之端, 2010)。 4.2 DNA 条形码的局限性 许多分类学家怀疑单个基因序列进行物种鉴定 的可靠性，完全依靠遗传分化会导致错误的鉴别。他 们认为相对于基因组而言如此短的 DNA 条形码不 能在物种水平上提供可靠信息(Mallet and Willmott, 2003)。Sperling 利用 COⅠ分析昆虫的结果显示，至 少有 1/4 的物种很难区分(Sperling, 2003)。 有效的 DNA 条形码需要满足两个前提条件 (Toffoli et al., 2008)：一是种内遗传差异显著小于种 间差异，二者间存在条形码间隙；二是研究对象在物 种系统发生上彼此互为单系群(monophyletic group)。 当 DNA 条形码分析的样品数量足够大时，种内遗传 组成差异可能随地理种群数量增加而显著提高，而 753
基因组学与应用生物学 nomics and Applied Biology 种间遗传差异则降低,种内最大遗传距离和种间最代的担忧,然而,即便是最早提出条形码概念的 小遗传距离可能重叠交叉,条形码间隙消失,可能得 Hebert也认为传统分类学研究十分重要。传统分类 出错误的结论。有研究显示确实存在种内分化过高学成果是DNA条形码研究的不可或缺的基石(傅美 ( Boyer et al,2007)和种间分化不足( Shearer and cof-兰等,2010),全面深入地弄清分类群的形态学特征是 froth,2008)现象。 DNA条形码研究正确取样的前提( Meyer and Paulay, 目前的DNA条形码主要为线粒体和叶绿体基2005; Desalle,2006),脱离传统分类学而开展DNA 因,而二者均为单亲遗传,鉴定存在杂交的生物类群条形码研究是很难想象的,不可能取得科学准确的 时明显有缺陷( Will et al,2005; Rubinoff et al,2006b)。成果( Lipscomb et al,2003; Tautz et al,2003)。事实上, 许多生物类群存在不完全支系演化( incomplete lineage DNA条形码不仅不会取代传统的分类学,而且二者 sorting)与杂交等基因渗入 (introgression)现象,DNA相辅相成,彼此促进,共同推动生物分类和系统学研 条形码鉴定难以区分( Moritz and cicero,2004;Whit-究(宁淑萍等,2008)。 worth et al., 2007; Toffoli et al., 2008) 52选择合适的标记是有效应用条形码的前提 新近形成的物种,其分子间差异不一定达到显 著区分的程度,而且分子进化速率的差异可能导致 不同的DNA序列在生物中扮演不同的角色,承 二次突变也会影响分析的结果;近缘和近期分化的受的选择压不同,因而演化速率存在差异。不同的分 物种是否能用该方法验证一直备受争议 类阶元对于鉴定分类的条形码要求不同。鉴别属、种 等较低分类阶元时,要求DNA条形码序列变异较 43DNA条形码分类的鉴定阈值难以统一 大,这样才能将亲缘关系较近的种以及新发生的物 虽然已有的大部分研究结果显示COI等DNA种彼此间区别开来,需要选择进化速率较快的基因 条形码能够胜任分类鉴定,但是,这些研究的对象都在进化史上,科、目等更高分类阶元的分类群间彼此 是能够采用传统分类方法清晰鉴定的代表性物种。如产生歧异分化的时代较久远,不仅形态特征上分类 果用于传统形态学分类较困难的物种,DNA条形码群内部具有显著相同的特征、分类群间差异显著,而 分析很可能遇到诸多问题。不同物种的变异范围可能 且分类群间在分子水平上形成了稳定的显著差异, 不一致,种内和种间变异范围模糊,很难界定区分种因此,在鉴别科、目等高分类阶元时选择进化速率较 内和种间差异的标准;其它各分类阶元上不同生物类慢的DNA序列更合适,而选择进化速率快的基因反 而效果较差,可能将原本是同一分类群的生物鉴定 群判断标准同样也难以确定(肖金花等,2004)。目前 很多研究取材时取材的种群数量很少,每个种群仅 为不同的分类群。尽管理论上一条数十个核苷酸的 DNA序列就足够将所有的生物一一区分开来,但是 仅分析1或2个个体,必然导致种内变异的低估:或实际上这是不可能的,已有的研究证实了这一点。根 者没有分析姊妹类群,高估了种间差异,这可能虚高据研究对象的生物学特性和鉴别不同分类阶元的要 了DNA条形码的有效性和准确率( Dasmahapatra求,组合应用源于细胞器DNA序列和核基因的核糖 and mallet,2006;闫化学和于杰,2010)。 体、EFlα等序列( Ahrens et al,2007; Elias et al,2007), 自然界普遍存在共生和寄生现象,采用通用筛选建立适应不同分类群、不同分类阶元的进化速 DNA条形码很难实现。例如,珊瑚与黄球藻等植物率适宜的DNA条形码,这是DNA条形码发展的必 共生,提取DNA时难以将二者完全分开,因此,扩增由之路。分类学知识基础不同的生物学者可以选择 的引物应该具有珊瑚的特异性和黄球藻的特异性。从不同的阶元进行分类鉴定,例如陆地植物条形码 展望 组合tbcL(科)+maK(属)+IS和 trnH-psbA(种)鉴别 鉴定体系(任保青和陈之端,2010) 虽然争议仍然存在,但是,在动物、植物和微生 物中已经取得了越来越多的DNA条形码研究成果,之协作系统研究是DNA条形码研究的必由 53分 显著地推动了生物分类学的发展 尽管已经取得了一些令人振奋的成果,DNA条 5.1传统分类学是DNA条形码发展的基石 形码研究仍然处于起步阶段,当前和今后一个相当 DNA条形码不断取得的成果为分类学注入了长时间内,筛选适宜于植物、动物和微生物不同分类 新的发展动力,出现了传统分类学可能被弱化与取阶元和分类群的优良DNA条形码依然是主要研究 91994-2012ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
基因组学与应用生物学 Genomics and Applied Biology 种间遗传差异则降低，种内最大遗传距离和种间最 小遗传距离可能重叠交叉，条形码间隙消失，可能得 出错误的结论。有研究显示确实存在种内分化过高 (Boyer et al., 2007)和种间分化不足(Shearer and Coffroth, 2008)现象。 目前的 DNA 条形码主要为线粒体和叶绿体基 因，而二者均为单亲遗传，鉴定存在杂交的生物类群 时明显有缺陷(Will et al., 2005; Rubinoff et al., 2006b)。 许多生物类群存在不完全支系演化(incomplete lineage sorting)与杂交等基因渗入(introgression)现象，DNA 条形码鉴定难以区分(Moritz and Cicero, 2004; Whitworth et al., 2007; Toffoli et al., 2008)。 新近形成的物种，其分子间差异不一定达到显 著区分的程度，而且分子进化速率的差异可能导致 二次突变也会影响分析的结果；近缘和近期分化的 物种是否能用该方法验证一直备受争议。 4.3 DNA 条形码分类的鉴定阈值难以统一 虽然已有的大部分研究结果显示 COⅠ等 DNA 条形码能够胜任分类鉴定，但是，这些研究的对象都 是能够采用传统分类方法清晰鉴定的代表性物种。如 果用于传统形态学分类较困难的物种，DNA 条形码 分析很可能遇到诸多问题。不同物种的变异范围可能 不一致，种内和种间变异范围模糊，很难界定区分种 内和种间差异的标准；其它各分类阶元上不同生物类 群判断标准同样也难以确定(肖金花等, 2004)。目前， 很多研究取材时取材的种群数量很少，每个种群仅 仅分析 1 或 2 个个体，必然导致种内变异的低估；或 者没有分析姊妹类群，高估了种间差异，这可能虚高 了 DNA 条形码的有效性和准确率(Dasmahapatra and Mallet, 2006; 闫化学和于杰, 2010)。 自然界普遍存在共生和寄生现象，采用通用 DNA 条形码很难实现。例如，珊瑚与黄球藻等植物 共生，提取 DNA 时难以将二者完全分开，因此，扩增 的引物应该具有珊瑚的特异性和黄球藻的特异性。 5 展望 虽然争议仍然存在，但是，在动物、植物和微生 物中已经取得了越来越多的 DNA 条形码研究成果， 显著地推动了生物分类学的发展。 5.1 传统分类学是 DNA 条形码发展的基石 DNA 条形码不断取得的成果为分类学注入了 新的发展动力，出现了传统分类学可能被弱化与取 代的担忧，然而，即便是最早提出条形码概念的 Hebert 也认为传统分类学研究十分重要。传统分类 学成果是 DNA 条形码研究的不可或缺的基石(傅美 兰等, 2010)，全面深入地弄清分类群的形态学特征是 DNA 条形码研究正确取样的前提(Meyer and Paulay, 2005; DeSalle, 2006)，脱离传统分类学而开展 DNA 条形码研究是很难想象的，不可能取得科学准确的 成果(Lipscomb et al., 2003; Tautz et al., 2003)。事实上， DNA 条形码不仅不会取代传统的分类学，而且二者 相辅相成，彼此促进，共同推动生物分类和系统学研 究(宁淑萍等, 2008)。 5.2 选择合适的标记是有效应用条形码的前提 不同的 DNA 序列在生物中扮演不同的角色，承 受的选择压不同，因而演化速率存在差异。不同的分 类阶元对于鉴定分类的条形码要求不同。鉴别属、种 等较低分类阶元时，要求 DNA 条形码序列变异较 大，这样才能将亲缘关系较近的种以及新发生的物 种彼此间区别开来，需要选择进化速率较快的基因； 在进化史上，科、目等更高分类阶元的分类群间彼此 产生歧异分化的时代较久远，不仅形态特征上分类 群内部具有显著相同的特征、分类群间差异显著，而 且分类群间在分子水平上形成了稳定的显著差异， 因此，在鉴别科、目等高分类阶元时选择进化速率较 慢的 DNA 序列更合适，而选择进化速率快的基因反 而效果较差，可能将原本是同一分类群的生物鉴定 为不同的分类群。尽管理论上一条数十个核苷酸的 DNA 序列就足够将所有的生物一一区分开来，但是 实际上这是不可能的，已有的研究证实了这一点。根 据研究对象的生物学特性和鉴别不同分类阶元的要 求，组合应用源于细胞器 DNA 序列和核基因的核糖 体、EF1α 等序列(Ahrens et al., 2007; Elias et al., 2007)， 筛选建立适应不同分类群、不同分类阶元的进化速 率适宜的 DNA 条形码，这是 DNA 条形码发展的必 由之路。分类学知识基础不同的生物学者可以选择 从不同的阶元进行分类鉴定，例如，陆地植物条形码 组合 rbcL (科)+matK (属)+ITS 和 trnH-psbA (种)鉴别 鉴定体系(任保青和陈之端, 2010)。 5.3 分工协作系统研究是 DNA 条形码研究的必由 之路 尽管已经取得了一些令人振奋的成果，DNA 条 形码研究仍然处于起步阶段，当前和今后一个相当 长时间内，筛选适宜于植物、动物和微生物不同分类 阶元和分类群的优良 DNA 条形码依然是主要研究 754
DNA条形码研究进展 Current Progress of DNA Barcoding 工作。目前的DNA条形码研究呈现出零星杂乱和不和承担生物志编撰的经历,结合当前的传统分类学 系统性,这样一种无序研究状态无疑大大制约了条和分子分类学的实际能力,进行分工合作,突出标本 形码研究的发展。因此,在条形码概念提出之初和区位优势,完全可以高效地完成DNA条形码工作 Tautz等(2003)就提出了以发达国家标本馆为基地的(任保青和陈之端,2010)。 China Plant bol group关 DNA Taxonomy发展计划,包括组建全球 DNA Tax-于种子植物条形码的研究是国内统一协作的初步典 onomy管理机构和数据库管理、维护与软件的开发范,其高水平研究成果表明合理分工合作系统开展 等,实现全球分工合作和科研资源整合。2004年5月条形码研究的必要性和迫切性。 成立的生命条形码联盟( the consortium for the bar 不同国家的物种很多是相同的,属于同一物种 code of life,CBOL)先后支持启动了鸟类的“ All Birds的不同地理种群或者亚种;此外,许多物种尽管在种 Barcoding I nitiative”计划( Hebert et al,2004)、鱼类等分类阶元上是不同的,但是,可能在属、科等更高 的“ Fish Barcode of Life I nitiative”计划( Ward et al,级的分类阶元上确实相同的,彼此间的DNA条形码 2009)鳞翅目昆虫的“ All Leps Barcode of Life”'计划存在一定的共性。因此,在分析我国生物类群的 ( Hajibabaei et al,2006、入侵有害物种鉴定( Ball and dNa条形码的同时,与世界其它国家,尤其是周边 Armstrong,2006)以及脊椎动物鉴定( Smith et al,国家加强联系和建立合作关系有助于更全面准确地 2008a)。全球规划、通力合作、突出优势、合理分工是开展传统分类和DNA条形码研究。 DNA条形码研究最优的途径,虽然人们常常说科学信息网络技术和生物信息学飞速发展,传统的 无国界,但是,学者也是现实中的人,不同国家政治、形态分类学获得了新的动力,模式标本照片、标本采 经济、文化、利益和科学发展水平等的差异必然会影集信息、形态学描述、生境特征和地理分布图等相关 响跨越国界的研究,建立合理的全球统一统筹分工信息可以实现网上链接浏览,并且可以不断补充完 的DNA条形码研究管理机构和机制是一件任重道善,建立一个快捷便利的生物分类学检索系统 远的事情。 总之,要从两个方面全面客观地看待DNA条形 虽然实现全球规划统一开展DNA条形码研究码,既要认识到条形码在分类学上的巨大优势,又要 很难,然而在我国实现全面规划、分工合作、系统地正确认识到其不足,并不断完善,这样才能将DNA 开展DNA条形码研究则是完全可行的:(1)我国的许条形码技术和传统分类方法相结合,推动分类学以 多高等院校和科研院所建立了各具特色的标本馆,及相关的系统学、进化生物学等学科的快速发展。 系统地馆藏了十分丰富的生物标本,包括许多模式 标本,并进行了系统的传统分类科学鉴定与研究:作者贡献 (2)我国已经全国一盘棋地全面分工合作开展动物志 程希婷负责写论文;王爱民、顾志峰和王嫣帮助 和植物志的编撰工作,除昆虫和真菌类外已经全部提供文献和整理数据:战欣和石耀华负责修改文章。 完成,积累了发挥优势、有分有合、全面集成的经验 (3)动物志和植物志的编撰培养了一大批各具优势的致谢 传统分类学家,奠定了最重要的人才基础。我国从事 生物学研究的队伍庞大,许多建立在分类基础上的 感谢贵刊的同行评审人的评审意见和修改建议 研究领域的科研人员并非分类学专业的,这些学者参考文献 采用传统分类学方法进行物种鉴定常常是一件很困 难的事情,甚至可能鉴定错误,进而影响后续研究结 rens, monaghan, and Vogler A,200, ase 果的可靠性:不仅如此,仅仅利用已有的传统分类学 taxonomy for associating adults and larvae in multi-species 研究成果开展分类工作,涉及的生物志数量庞大、价 assemblages of chafers(Coleoptera: Scarabaeidae), Mol 格昂贵,具备完整生物志藏书的单位极少,使用很不 Phylogenet. EvoL, 44(1): 436-449 Amaral A.R., Sequeira M, and Coelho M.M., 2007, A first ap- 方便。迫切需要进一步提高其简便性和实用性,与 proach to the usefulness of cytochrome oxidase I bar DNA条形码相结合是更好发挥生物志在分类学中 codes in the identification of closely related delphinid 价值的重要途径。目前,国内开展的DNA条形码研 cetacean species, Mar Freshwater Res, 58(6): 505-510 究,总体上缺乏系统性,相互之间缺乏协调。因此,全 Avise j c,ed,200 Phylogeography: The history and formation 国统一协作,根据各单位在传统分类研究中的优势 of species, Harvard University Press, Cambridge, pp. 1-464 91994-2012ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
DNA 条形码研究进展 Current Progress of DNA Barcoding 工作。目前的 DNA 条形码研究呈现出零星杂乱和不 系统性，这样一种无序研究状态无疑大大制约了条 形码研究的发展。因此，在条形码概念提出之初 Tautz 等(2003)就提出了以发达国家标本馆为基地的 DNA Taxonomy 发展计划，包括组建全球 DNA Taxonomy 管理机构和数据库管理、维护与软件的开发 等，实现全球分工合作和科研资源整合。2004 年 5 月 成立的生命条形码联盟(the consortium for the barcode of life, CBOL)先后支持启动了鸟类的“All Birds Barcoding Ⅰ nitiative”计划(Hebert et al., 2004)、鱼类 的“Fish Barcode of Life Ⅰ nitiative”计划(Ward et al., 2009)、鳞翅目昆虫的“All Leps Barcode of Life”计划 (Hajibabaei et al., 2006)、入侵有害物种鉴定(Ball and Armstrong, 2006)以及脊椎动物鉴定(Smith et al., 2008a)。全球规划、通力合作、突出优势、合理分工是 DNA 条形码研究最优的途径，虽然人们常常说科学 无国界，但是，学者也是现实中的人，不同国家政治、 经济、文化、利益和科学发展水平等的差异必然会影 响跨越国界的研究，建立合理的全球统一统筹分工 的 DNA 条形码研究管理机构和机制是一件任重道 远的事情。 虽然实现全球规划统一开展 DNA 条形码研究 很难，然而在我国实现全面规划、分工合作、系统地 开展 DNA 条形码研究则是完全可行的：(1)我国的许 多高等院校和科研院所建立了各具特色的标本馆， 系统地馆藏了十分丰富的生物标本，包括许多模式 标本，并进行了系统的传统分类科学鉴定与研究； (2)我国已经全国一盘棋地全面分工合作开展动物志 和植物志的编撰工作，除昆虫和真菌类外已经全部 完成，积累了发挥优势、有分有合、全面集成的经验； (3)动物志和植物志的编撰培养了一大批各具优势的 传统分类学家，奠定了最重要的人才基础。我国从事 生物学研究的队伍庞大，许多建立在分类基础上的 研究领域的科研人员并非分类学专业的，这些学者 采用传统分类学方法进行物种鉴定常常是一件很困 难的事情，甚至可能鉴定错误，进而影响后续研究结 果的可靠性；不仅如此，仅仅利用已有的传统分类学 研究成果开展分类工作，涉及的生物志数量庞大、价 格昂贵，具备完整生物志藏书的单位极少，使用很不 方便。迫切需要进一步提高其简便性和实用性，与 DNA 条形码相结合是更好发挥生物志在分类学中 价值的重要途径。目前，国内开展的 DNA 条形码研 究，总体上缺乏系统性，相互之间缺乏协调。因此，全 国统一协作，根据各单位在传统分类研究中的优势 和承担生物志编撰的经历，结合当前的传统分类学 和分子分类学的实际能力，进行分工合作，突出标本 和区位优势，完全可以高效地完成 DNA 条形码工作 (任保青和陈之端, 2010)。China Plant BOL Group 关 于种子植物条形码的研究是国内统一协作的初步典 范，其高水平研究成果表明合理分工合作系统开展 条形码研究的必要性和迫切性。 不同国家的物种很多是相同的，属于同一物种 的不同地理种群或者亚种；此外，许多物种尽管在种 等分类阶元上是不同的，但是，可能在属、科等更高 级的分类阶元上确实相同的，彼此间的 DNA 条形码 存在一定的共性。因此，在分析我国生物类群的 DNA 条形码的同时，与世界其它国家，尤其是周边 国家加强联系和建立合作关系有助于更全面准确地 开展传统分类和 DNA 条形码研究。 信息网络技术和生物信息学飞速发展，传统的 形态分类学获得了新的动力，模式标本照片、标本采 集信息、形态学描述、生境特征和地理分布图等相关 信息可以实现网上链接浏览，并且可以不断补充完 善，建立一个快捷便利的生物分类学检索系统。 总之，要从两个方面全面客观地看待 DNA 条形 码，既要认识到条形码在分类学上的巨大优势，又要 正确认识到其不足，并不断完善，这样才能将 DNA 条形码技术和传统分类方法相结合，推动分类学以 及相关的系统学、进化生物学等学科的快速发展。 作者贡献 程希婷负责写论文；王爱民、顾志峰和王嫣帮助 提供文献和整理数据；战欣和石耀华负责修改文章。 致谢 感谢贵刊的同行评审人的评审意见和修改建议。 参考文献 Ahrens D., Monaghan M.T., and Vogler A.P., 2007, DNA-based taxonomy for associating adults and larvae in multi-species assemblages of chafers (Coleoptera: Scarabaeidae), Mol. Phylogenet. Evol., 44(1): 436-449 Amaral A.R., Sequeira M., and Coelho M.M., 2007, A first approach to the usefulness of cytochrome coxidase Ⅰ barcodes in the identification of closely related delphinid cetacean species, Mar. Freshwater Res., 58(6): 505-510 Avise J.C., ed., 2000, Phylogeography: The history and formation of species, Harvard University Press, Cambridge, pp.1-464 755
基因组学与应用生物学 nomics and Applied Biology Ball S L, and armstrong K.F., 2006, dna barcodes for insect mance of DNA barcoding in a diverse community of tropical pest identification: A test case with tussock moths (Lepi- butterflies, Proceedings of the Royal Society B: Biological doptera: Lymantriidae), Canadian Journal of Forest Re- Sciences.274:2881-2889 search,36:337-350 Fang S.G., Wan Q.H., and Fijihara N., 2002, Formalin removal Ball S L. Hebert P D.N. Burian S.K. and Webb jM. 2005. Bi from archival tissue by critical point drying, Bio. Tech- ological identifications of mayflies(Ephemeroptera)using niques,33(3):604,606,608-61 DNA barcodes, J. North Am. Benthol. Soc., 24(3): 508-524 Fu M L, Peng J.J., Wang Y, Yu D M, Wang L L, and Zhang Y. Birstein V.J., Doukakis P, and DeSalle R, 2000, Polyphyly of Z, 2010, Application and analysis of DNA barcoding, mtDNA lineages in the Russian sturgeon, Acipenser Henan Shifan Daxue Xuebao(Ziran Kexue Ban)(Journal of gueldenstaedtii: Forensic and evolutionary implications, Henan Normal University(Natural Science), 38(4): 118-1 Conservation Genetics, 1(1): 81-88 (傅美兰,彭建军,王莹,于冬梅,王利利,张宇姝,201 Blaxter M., 2003, Molecular systematics-counting angels with DNA条形码技术的应用与分析河南师范大学学报(自然 DNA, Nature,421(6919):122-124 科学版),38(4):118-122) Boyer S.L., Baker J M, and Giribet G, 2007, Deep genetic di- Gregory T.R., 2005, DNA barcoding does not compete with tax- vergence in Aoraki denticulata (Arachnida, Opiliones onomy, Nature, 434(7037): 1067 Cyphophthalmi): A widespread mite harvestman defies Hajibabaei M, Janzen D H, Burns J.M., Hallwachs w, and DNA taxonomy, Mol Ecol., 16(23 ): 4999-5016 Hebert P D N, 2006, DNA barcodes distinguish species of Bucklin A, Hopcroft R.R., Kosobokova K.N., Nigro L M, Ort tropical Lepidoptera, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 103 (4) man B D. Jennings R M, and Sweetman C.J. 2010, DNA 968-971 barcoding of Arctic Ocean holozooplankton for species 1- Hawksworth D L, 1995, Challenges in mycology, Mycol Res dentification and recognition, Deep-Sea Research Part II 99:127-128 57:40-48 Hebert P DN Cywinska A, Ball S.L., and de Waard J.R., 2003a, Chen J, Li Q, Kong L F, Zheng X D, and Yu R.H., 2010, CO Biological identifications through DNA barcodes, Proc. Bi -based DNa barcoding in tapetinae species(mollusca, ol.Sci,270(1512):313-321 alvia, veneridae) along the coast of China, Dongwuxue Hebert P D N, Ratnasingham S, and de Waard J R,2003b, Bar- Yanjiu( Zoological Research),31(4):345-352(陈军,李琪, oding animal life: Cytochrome c oxidase subunit 1 diver- 孔令锋,郑小东,于瑞海,2010,基于COI序列的DNA条 gences among closely related species,Proc.Bio.Sci,270 形码在中国沿海缀锦蛤亚科贝类中的应用分析,动物学 (suppl 1): S96-$99 研究,31(4):345-352) Hebert P D.N. Stoeckle M.Y. Zemlak T.S. and Francis C M China Plant BoL Group, Li D.Z., Gao L.M., Li H.T., Wang H 2004, Identification of birds through DNA barcodes, PLoS Ge X.J., Liu J.Q., Chen Z.D., Zhou S.L., Chen S.L., Yang J. BioL., 2(10): e312 B, Fu C.X., Zeng C.X., Yan H.F., Zhu Y.J., Sun Y.s., Chen Hollingsworth P. M, Forrest LL, Spouge J. L, Hajibabaei M .Y. Zhao L, Wang K. Yang T, and Duan G. w. 2011 Ratnasingham S, van der Bank M, Chase MW Cowan R. Comparative analysis of a large dataset indicates that inter S. Erickson dl fazekas a graham sw james Ke. nal transcribed spacer(ITS) should be incorporated into the Kim K., Kress W.J., Schneider H, van Alphen Stahl J core barcode for seed plants, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Barrett S.C.H., van den Berg C, Bogarin D, Burgess K s 108:19641-19646 Cameron K.M., Carine M., Chacon J, Clark A, Clarkso JJ Cywinska A, Hunter F F, and Hebert P D N, 2006, Identifying Conrad F, Devey D.s., Ford C.S., Hedderson T A. Canadian mosquito species through DNA barcodes, Medical Hollingsworth M L, Husband B. C, Kelly LJ, Kesanakurti nd veterinary Entomology, 20: 413-424 R, Kim J.S., Kim Y D, Lahaye R, Lee H L, Long DG Dasmahapatra KK, and Mallet J., 2006, DNA barcodes: Recent Madrinan S, Maurin O, Meusnier I, Newmaster S.G., Park successes and future prospects, Heredity, 97(4): 254-255 C W, Percy D.M., Petersen G, Richardson J E, Salazar G. DeSalle R, 2006, Species discovery versus species identification Savolainen V, Seberg O, Wilkinson M.., Yi D.K., and in DNA barcoding efforts: Response to Rubinoff, Conserv. Little D P, 2009, A dNa barcode for land plants, Proc. Biol,20(5):1545-1547 Natl.Acad.sci.USA,106(31):12794-12797 Ebach M.C., and Holdrege C, 2005, DNA barcoding is no sub- Hubert N, Hanner R, Holm E, Mandrak N.E., Taylor E, Bi stitute for taxonomy, Nature, 434(7034): 697 ridge M, Watkinson D, Dumont P, Curry A, Bentzen P. Elias M, Hill RI, Willmott K.R., Dasmahapatra KK, Browe Zhang J., April J, and Bernatchez L, 2008, Identifying A V.Z., Mallet J, and Jiggins C D 2007, Limited perfor- Canadian freshwater fishes through DNa barcodes. PLoS 91994-2012ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
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