DNA条形码在生态学研究中的应用与展望

DNA条形码是利用标准的DNA片段对物种进行快速鉴定的技术,已在生物学各相关领域得到广泛应用。随着DNA条形码技术的不断发展和完善,已成功应用于生态学领域的相关研究中。本文综述了DNA条形码在物种快速鉴定和隐存种发现、群落系统发育重建和生态取证、群落内物种间相互关系研究等方面的应用,并介绍了DNAmetabarcoding技术和环境DNA条形码在生物多样性和生态学研究领域中的应用。最后,结合新的测序技术和未来大科学装置的发展,在相关数据库逐渐完善,新分析方法和计算模型不断开发使用的情景下,对DNA条形码在生态学相关领域的应用前景进行了展望。     

DNA条形码及其在海洋浮游动物生态学研究中的应用

浮游动物的准确鉴定是浮游动物生态学研究的基础.传统的基于形态特征的鉴定不仅费时费力,而且部分类群特别是浮游幼体由于形态差异细微,鉴定存在困难,导致物种多样性被低估.DNA条形码(DNA barcodes)技术为浮游动物物种鉴定提供了一个有力工具,已迅速应用于海洋浮游动物生态学研究.本文介绍了DNA条形码的基本概念、优势及局限性,总结了该技术(主要是基于线粒体细胞色素C氧化酶第一亚基(mtCOI)基因序列片段的DNA条形码)在海洋浮游动物物种快速鉴定、隐种发现、营养关系研究、生物入侵种监测、群落历史演变反演、种群遗传学以及生物地理学中的成功应用.随着DNA条形码数据库信息量覆盖率的不断提高和新一代测序技术的快速发展,DNA条形码将提供除了种类鉴定外更加丰富的信息,从而帮助人们更好地理解海洋浮游动物的多样性及其在生态系统中的功能,推动海洋浮游动物生态学的发展.     

DNA宏条形码技术在海洋浮游动物多样性和生态学研究中的应用

浮游动物是海洋生态系统的关键类群,其覆盖门类广泛,多样性高。传统形态鉴定技术需要检测人员具备专业的形态鉴定知识,且费时费力。宏条形码技术无需分离生物个体,而是提取拖网采集到的浮游动物混合样本的总DNA,或者水体中的环境DNA （eDNA）,依托高通量测序平台测序,能够实现对大规模样本快速、准确、经济的分析,在海洋浮游动物生态学研究中得到越来越广泛的应用。分析了DNA宏条形码技术常用的核糖体和线粒体分子标记,在浮游动物多样性和数量研究中的可靠性和不足,并给出在海洋浮游动物群落监测,食物关系分析及生物入侵早期预警等研究中的应用。未来,开发多基因片段组合条形码,发展完备的参考数据库及实现准确的量化研究是DNA宏条形码技术发展的重要方向。     

植物DNA条形码在系统发育研究中的应用

<正>1常用植物DNA条形码物种的准确鉴定是开展科学研究和生物多样性保护的先决条件,但根据形态学特征进行物种鉴定对非专业人员而言比较困难。即使是专业人员,面对纷繁复杂的物种,要想逐一鉴定也难以实现。DNA条形码技术(DNA barcoding)为物种的快速、准确鉴定提供了可能(Hebert et al.,2003)。线粒体COI基因作为动物的DNA条形码已得到广泛应用。但对     

DNA条形码在鳞翅目昆虫中的应用

2003年,Hebert等提出DNA条形码后,快速而精确的特点使它在物种鉴定中得到了广泛的应用。鳞翅目是昆虫纲中第二大目,其物种鉴定任务复杂而艰巨,因此DNA条形码具有广阔的应用前景。该文主要针对DNA条形码概况以及近年来它在鳞翅目昆虫中的研究情况予以综述。     

DNA条形码及其在生物多样性研究中的应用

DNA条形码是利用生物体内标准的、有足够变异的、易扩增且相对较短的DNA片段对物种进行快速准确鉴定的技术。自2003年DNA条形码相关概念提出以来广受关注,国内外相继开展了DNA条形码及信息系统建设研究,为DNA条形码技术的发展提供了坚实的研究基础和生物信息学分析平台。DNA条形码技术弥补了传统分类学的不足,为生物多样性研究提供了新的思路和方法。本文介绍了DNA条形码的产生与发展过程,国内外DNA条形码技术与信息系统建设研究进展,重点阐述了DNA条形码技术在物种鉴定、濒危物种保护、隐存种发现、生物多样性评估等研究领域中的应用。最后结合DNA条形码技术目前存在的问题,对其在相关研究领域的应用前景进行了展望。     

动物食性分析在生态学中的应用研究进展——基于DNA宏条形码技术

动物食性分析是动物营养生态学的重要研究手段,可用于解析动物与环境因素的关联性、捕食者与猎物之间的关系,以及动物物种多样性等科学问题。近年来,基于新一代测序技术的DNA宏条形码技术被广泛应用到生态学多个研究领域,极大地促进了生命科学交叉学科的发展。其中,DNA宏条形码技术在动物食性分析中具有高分辨、高效率、低样本量等优势,具有重要的应用前景。综述了基于DNA宏条形码技术的动物食性分析在生态学中的应用研究进展,并进一步总结了DNA宏条形码技术原理和食性分析方法,着重探讨了基于DNA宏条形码技术的动物食性分析在珍稀濒危动物保护、生物多样性监测、农业害虫防治等生态学研究领域中的应用,并对DNA宏条形码技术在动物食性分析中存在的问题及应用前景进行小结与展望。     

DNA分子标记技术在生态学研究中的应用

分子生物学几种常见的分子标记技术如RFLP,RAPD,微卫星法,DNA序列分析使生态学研究从宏观步入了微观领域,极大的推动了生态学的发展,对这几种分子标记技术在生态学中的应用及其进展进行了综述,并比较了这些分子生物学技术各自的优缺点.     

线粒体DNA在分子进化研究中的应用

线粒体作为古老的细胞器广泛存在于真核生物中,由于线粒体DNA的高进化速率,已被作为DNA标记广泛应用于现代分子生物学研究。长期以来,线粒体DNA一直被认为是中性进化或者受到纯净化选择。线粒体通过氧化呼吸链提供>95%的动物运动所需的自由能,并提供保持体温的热能。据此,近期已有研究推测并验证了线粒体与动物运动能力及气候适应性的相关性。该文简述线粒体基因组成及其进化,通过列举线粒体DNA在分子进化研究中的应用(如利用线粒体DNA重建物种的系统发育关系、从线粒体DNA角度分析生物能量代谢的适应性进化以及线粒体DNA密码子重定义对生物适应性的作用等),概述了线粒体DNA的分子进化研究。     

DNA条形码在膜翅目昆虫中的应用分析

DNA条形码的提出,实现了分类学的一次质的飞跃,简便、快捷以及精确的优点使其被广泛应用在物种的分类工作中。膜翅目为昆虫纲的第3大目,其物种具有高度的多样性,种类鉴定工作复杂艰巨。DNA条形码在膜翅目中得到广泛应用。本文针对DNA条形码在膜翅目昆虫的物种分类鉴定、物种发现和隐存种、食物网与生物多样性等方面研究情况予以综述。     

DNA条形码在保护生物地理学中的应用

<正>生物多样性保护的需求迫在眉睫(Pimm et al.,1995;Balmford et al.,2003;Jenkins,2003)。在可利用资源有限的情况下,人们广泛关注的是如何以最小代价实现生物多样性的最佳保护,而最有效和普遍的做法就是保护生物多样性热点地区(WilsonFrancis,1988;Balmford,1998;Reid,1998;Myers et al.,2000)。保护生物地理学正是在这一背景下应运而生的,作为一门新兴的分支学科,它最早由     

Testing evolutionary hypotheses for DNA barcoding failure in willows

The goal of DNA barcoding is to enable the rapid identification of taxa from short diagnostic DNA sequence profiles. But how feasible is this objective when many evolutionary processes, such as hybridization and selective sweeps, cause alleles to be shared among related taxa? In this issue of Molecular Ecology, Percy et al. (2014) test the full suite of seven candidate plant barcoding loci in a broad geographic sample of willow species. They show exceptional plastid haplotype sharing between species across continents, with most taxa not possessing a unique barcode sequence. Using population genetic and molecular dating analyses, they implicate hybridization and selective sweeps, but not incomplete lineage sorting, as the historical processes causing widespread haplotype sharing among willow taxa. This study represents an exceptional case of how poorly barcoding can perform, and highlights methodological issues using universal organellar regions for species identification.     

DNA条形码在生物多样性编目与评价中的应用

<正>DNA条形码是基于基因组中一段或几段短的、通用的标准DNA序列对生物物种进行识别和鉴定的技术(Hebert et al.,2003;Kress et al.,2005;Hollingsworth et al.,2011)。该技术突破了对经验的过度依赖,可实现标本鉴定过程的自动化和标准化,而且能对生物残片而非完整的生物标本进行鉴定,是传统分类学与物种鉴定的有力补充(罗亚皇等,2013)。随着DNA条形码技术十多年来的不断发展,     

基于DNA条形码评估西双版纳国家级自然保护区对樟科植物进化历史的保护

为评估西双版纳国家级自然保护区对樟科这一重要植物类群进化潜力的保护情况, 揭示将物种进化历史纳入生物多样性保护评估的重要性, 本研究通过对西双版纳地区长期的野外调查并查阅标本记录与文献资料, 整理出该地区樟科13属121种物种的具体分布信息, 以植物条形码ITS序列作为分子标记构建了反映整个西双版纳地区樟科植物系统发育关系的系统发育树。我们以此为基础, 从物种层面分析了各物种的进化特异性(evolutionary distinctiveness, ED), 从区域层面分析了自然保护区内、外以及32个行政乡镇的系统发育多样性(phylogenetic diversity, PD), 并结合物种丰富度(species richness, SR)与物种濒危等级, 综合探讨了西双版纳国家级自然保护区对樟科植物进化历史的保护情况。研究发现, 西双版纳国家级自然保护区仅拥有整个西双版纳地区54.5%的樟科物种数, 却保护了该地区樟科植物约88.8%的进化历史, 没有被列入保护范围但却拥有高系统发育多样性的区域有打洛镇、易武乡等。就物种而言, 进化特异性相对较高的19个物种中, 有5种(26.3%)在自然保护区内没有分布; 濒危等级高的54个物种中, 有20种(37.0%)在自然保护区没有分布, 同时拥有高进化特异性和濒危等级的物种仅有1种不在保护区内分布。结果表明, 虽然西双版纳国家级自然保护区对樟科这一植物类群的系统发育多样性以及高保护价值物种的保护较好, 但仍有部分重要樟科植物的进化历史没有涵盖在现有自然保护区范围内; 按照传统方法设定的自然保护区虽能在一定程度上保护樟科物种的进化历史, 但仍然存在与标准化系统发育多样性保护策略相矛盾的地方。因此, 今后在建立自然保护区时, 应将系统发育多样性考虑在内, 以保护生物多样性应对环境变化的潜力。     

Applications of DNA barcoding to fish landings: authentication and diversity assessment

DNA barcoding methodologies are being increasingly applied not only for scientific purposes but also for diverse real-life uses. Fisheries assessment is a potential niche for DNA barcoding, which serves for species authentication and may also be used for estimating within-population genetic diversity of exploited fish. Analysis of single-sequence barcodes has been proposed as a shortcut for measuring diversity in addition to the original purpose of species identification. Here we explore the relative utility of different mitochondrial sequences (12S rDNA, COI, cyt b, and D-Loop) for application as barcodes in fisheries sciences, using as case studies two marine and two freshwater catches of contrasting diversity levels. Ambiguous catch identification from COI and cyt b was observed. In some cases this could be attributed to duplicated names in databases, but in others it could be due to mitochondrial introgression between closely related species that may obscure species assignation from mtDNA. This last problem could be solved using a combination of mitochondrial and nuclear genes. We suggest to simultaneously analyze one conserved and one more polymorphic gene to identify species and assess diversity in fish catches.     

Self-structuring in spatial evolutionary ecology

Spatial self-structuring has been a focus of recent interest among evolutionary ecologists. We review recent developments in the study of the interplay between spatial self-structuring and evolution. We first discuss the relative merits of the various theoretical approaches to spatial modelling in ecology. Second, we synthesize the main theoretical studies of the evolution of cooperation in spatially structured populations. We show that population viscosity is generally beneficial to cooperation, because cooperators can reap additional benefits from being clustered. A similar mechanism can explain the evolution of honest communication and of reduced virulence in host–parasite interactions. We also discuss some recent innovative empirical results that test these theories. Third, we show the relevance of these results to the general field of evolutionary ecology. An important conclusion is that kin selection is the main process that drives evolution of cooperation in viscous populations. Many results of kin selection theory can be recovered as emergent properties of spatial ecological dynamics. We discuss the implications of these results for the study of multilevel selection and evolutionary transitions. We conclude by sketching some perspectives for future research, with a particular emphasis on the topics of evolutionary branching, criticality, spatial fluctuations and experimental tests of theoretical predictions.