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.netpresent 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 oxi￾dase 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; Hollingsw￾orth 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