DNA条形码技术的研究进展及其应用

DNA条形码技术(DNA Barcod ing)是通过对一个标准目的基因的DNA序列进行分析从而进行物种鉴定的技术。这个概念的原理与零售业中对商品进行辨认的商品条形码是一样的。简单地说,DNA条形码技术的关键就是对一个或一些相关基因进行大范围的扫描,进而来鉴定某个未知的物种或者发现新种[1—3]。自从提出DNA条形码的概念以来,这种新兴分类学技术已经引起了越来越多的生物学家的关注。DNA条形码技术是分类学中辅助物种鉴定的新技术,它代表了生物分类学研究的一个新方向[4],因此它在生态、环境、食品等诸多领域都将会有广泛的应用[5]。本文概括综述了DNA条形码技术的发展历史、原理与操作,分析了其在生物分类中的应用及应用上的优势与限制,对DNA条形码技术在鱼类学研究的意义与可行性进行了探讨。1 DNA条形码技术的发展历史2003年,Herbert研究发现利用线粒体细胞色素C氧化酶亚基Ⅰ(M itochondrial cytochrom ecoxidase subun itⅠ,COⅠ)基因一段长度为648bp的片段,能够在DNA水平上成功的区分物种,并且认为利用COⅠ基因从分子演化的角度,将提供一种快速、简便、可信的分...     

DNA条形码研究进展

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.     

植物DNA条形码技术

DNA条形码技术是利用标准的、具有足够变异的、易扩增且相对较短的DNA片段在物种内的特异性和种间的多样性而创建的一种新的生物身份识别系统,从而实现对物种的快速自动鉴定。尽管这一技术在理论上和具体应用上仍存在很多争论。但DNA条形码概念自2003年由加拿大分类学家Paul Hebert首次提出后就在世界范围内受到了广泛关注。在植物类群中条形码的研究和应用尚处于探索阶段,稍落后于对动物类群的研究,这主要表现在：（1）DNA条形码的选择及其评价仍没有统一的标准：（2）对类群较全面的形态分类学修订和植物DNA条形码研究的结合十分缺乏：（3）以往研究在取样上尺度较大,而对具体类群的研究较少,一个科或一个属只用有限的种类作为代表,同一种内的取样个体数量也不足,这样虽然表面上看来利用选定的DNA条形码可以较容易地把代表物种区分开,但实际上目前建议的植物DNA条形码（例如由生命条形码咨询委员会植物工作组最近提出的rbcL和matK）由于其分子进化速率较慢,在种级水平上,特别是对于那些经历了适应辐射或快速进化的属来说,分辨率较低。而DNA条形码的应用主要集中在属内物种水平的鉴别,因此只有针对具体类群进行探索研究,发现进化速率较快、分辨率高且通用性好的条形码,才可能为建立完整的条形码数据库起到积极有效的作用。     

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。     

关于植物DNA条形码研究技术规范

DNA条形码是利用标准的基因片段对物种进行快速鉴定的技术,已经成功用于生物物种分类和鉴定、生态学调查和生物多样性评估等研究领域。尽管生命条形码数据（BOLD）系统提供了主要针对动物类群DNA条形码研究的技术规范,但由于植物本身的生物学特性与所使用的条形码不同,因此已有技术规范并不完全适用于植物DNA条形码的研究。本文根据植物DNA条形码研究的特点与我国的实际情况,编写了植物DNA条形码研究技术标准和规范指南,具体包括十个方面的内容,即植物DNA条形码研究的样品采集策略;植物标本和野外数据的采集规范;植物标本图像信息的采集规范;植物DNA材料的采集规范;植物DNA材料的干燥与保存规范;植物总DNA的质量标准及保存规范;植物标准DNA条形码的选择与通用引物;DNA条形码的扩增与测序;DNA条形码数据的命名、编辑和提交规范;以及DNA条形码数据分析。我们期望通过这些标准规范的实施和在实践中的不断修订和完善,能为我国学者开展植物DNA条形码和iFlora研究提供参考和借鉴。
关键词：植物DNA条形码;技术规范;物种鉴定;标准;新一代植物志     

植物DNA条形码研究进展

DNA条形码(DNA barcoding)已成为近5年来国际上生物多样性研究的热点,即通过使用短的标准DNA片段,对物种进行快速、准确的识别和鉴定.该技术在动物研究中已得到广泛的应用,所采用的标准片段是线粒体COI基因中约650 bp长的一段.然而在植物中DNA条形码的研究进展相对缓慢,目前尚处于对所提议的各片段比较和评价阶段,还未获得一致的标准片段.由于植物中线粒体基因组进化速率较慢,因此条形码片段主要在叶绿体基因组上进行选择,被提议的编码基因片段主要有rpoB,rpoCI,matK,rbcL,UPA,非编码区片段有tmH-psbA,atpF-atpH,psbK-psbI,此外还有核基因ITS.已有的研究表明以上任何一个单片段都不足以区分所有植物物种,因而不同的研究组相继提出了不同的片段组合方案,目前被广泛讨论的组合主要有5种.本文综述了DNA条形码序列的优点、标准、工作流程、分析方法和存在的争议,重点论述了植物条形码研究中被提议的各序列片段和组合的研究现状.     

应用DNA条形码对植物标本的核查

DNA条形码主要目的是物种鉴定和新物种或隐存种的发现,而DNA条形码参考数据库是物种快速鉴定的重要基础。目前中国维管植物DNA条形码参考数据库正在建设之中,借助于公共数据库（NCBI）和初步建立的中国植物DNA条形码参考数据库,运用DNA条形码数据开展了植物标本鉴定的核查工作：（1）比较DNA序列信息与标本鉴定信息,从科、属、种级水平查找鉴定错误的标本;（2）基于有较好研究基础的DNA条形码参考数据库,开展未知标本的鉴定;（3）通过对标本核查的总结,提出DNA条形码参考数据库建设过程中的几点建议。     

DNA条形码技术在常见水生动物分类中的应用

DNA条形码(DNA barcoding)技术是逐渐发展起来的新兴分子技术,它通过利用生物体内一段特异的DNA序列快速而精确进行物种识别。DNA条形码技术不仅可以用于物种的鉴定和分类,同时也帮助生物学家深入了解物种之间的亲缘关系以及生态系统内的相互作用,提供了一种迅速而有效的分类学方法来细化分类学上现存的标准,因而成为分类学领域的前沿技术。本文概述了DNA条形码技术在部分水生物种中的广泛应用以及对未来的展望。     

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。     

药用植物DNA条形码鉴定研究进展

DNA条形码是利用相对较短的标准DNA片段对物种进行快速准确鉴定的一门技术。DNA条形码技术可以从分子水平弥补传统鉴定方法的一些不足。该技术具有良好的通用性,使得物种鉴定过程更加快速,已经广泛应用于动物物种的鉴定研究中。近年来,随着药用植物DNA条形码鉴定研究的快速发展,逐渐形成了药用植物和植物源中药材鉴定的完善体系。本文综述了DNA条形码技术鉴定药用植物的原理,介绍了中草药传统鉴定方法及其缺陷、使用DNA条形码技术鉴定植物源药材的意义以及DNA条形码在药用植物鉴定中的应用,对其应用前景进行了展望。     

降香黄檀的DNA条形码鉴定研究

DNA条形码技术是利用基因组中一段短的标准序列进行物种的鉴定并探索其亲缘进化关系。本研究对采自海南不同地区降香黄檀五个居群24份样品的psbA-trnH,rbcL,核ITS及ITS2序列进行PCR扩增和测序,比较各序列扩增和测序效率。种间和种内变异,采用BLAST1和邻接 (NJ) 法构建系统聚类树方法评价不同序列的鉴定能力。结果表明ITS2在所研究的材料中具有最高的扩增和测序效率,而ITS扩增效率较低。ITS2完整序列在区分黄檀属不同种间差异具有较大优势。因此可利用ITS2从分子水平区分降香黄檀与其他混伪种。     

DNA条形码技术在毒品原植物大麻鉴定中的应用

准确鉴定毒品原植物大麻的种属及品种具有重要的理论和实践意义。为了探讨DNA条形码技术用于毒品原植物大麻种属鉴定及品种鉴定的可行性,该研究以60份大麻原植物(分别采自内蒙、黑龙江、陕西延安、陕西榆林4个地区的栽培大麻雌雄各6株及新疆玛纳斯地区的野生大麻雌雄各6株)为材料,通过从其叶片中提取的DNA为模版,利用核糖体DNA基因间隔区的通用引物ITS2和叶绿体DNA的通用引物psbAtrnH进行PCR扩增,对扩增片段进行双向测序,将测序结果进行人工矫正和比对。结果显示:所有大麻样本的ITS2扩增片段序列没有变异完全一致,但psbA-trnH扩增片段变异较大共检测出8种cpDNA单倍型,用MEGE5.1软件计算种间遗传距离,并构建NJ系统聚类树可以有效把这五个地区的大麻样本区别开来,因此证明DNA条形码技术在毒品原植物大麻的种属鉴定方面具有可行性,但其用于大麻的种属鉴定的准确性、可靠性及在其来源地鉴定及品种鉴定中的可能性还有待进一步深入地研究。     

DNA条形码在入侵植物鉴定中的应用进展

生物入侵对世界经济、环境造成了巨大的影响,已经成为世界关注的焦点。传统的海关检验方法存在鉴定缓慢、准确率低、鉴定专家稀缺等问题,因此急需一种鉴定率高、操作简单和快速的方法对入侵植物的繁殖体进行精确的鉴别。DNA条形码是一种基于DNA序列差异进行物种鉴定的技术,鉴定结果只受样品组织内DNA保存状况影响,不受形态学性状保存状态影响,只需掌握简单分子生物学技术的工作人员即可实现对未知样品的鉴定,在入侵植物检疫鉴定中有很大的应用潜力。根据入侵植物进化快、变异多的特点,可优先考虑种间、种内差异度高的ITS基因作为核心条形码,再以mat K和rbc L基因为辅助条形码。本文分析了植物DNA条形码技术及其衍生出的超级DNA条形码和metabarcoding技术在入侵植物鉴定中的应用潜力,提出构建入侵植物DNA条形码参考数据库与智能植物志(i Flora)相结合,为利用DNA条形码技术对入侵植物进行快速鉴定和相关研究提供参考。     

DNA条形码与动植物分类学的研究

DNA条形码在动植物分类学中的研究最近几年非常火热。这项技术在国外研究的比较多,国内的许多方面的研究还没达到国际水平。我国的动植物种类比较繁多,地区差异也较大,怎样能将这些物种准确,快速的进行分类,是众多动植物学家一直在研究的难题。针对DNA条形码研究的现状和他在动植物学中应用以及它存在的争议来进一步认识DNA条形码。     

检疫性昆虫DNA条形码检测技术的研发与应用实例

【目的】DNA条形码技术是近年来生物分类鉴定的研究热点之一,已成为植物检疫性昆虫鉴定的有力工具。为快速、准确地鉴定口岸截获的昆虫种类,实现"检得出、检得准、检得快"的要求,我们研发了昆虫DNA条形码试剂盒检测技术(Insect DNA barcoding identification kit)。【方法】该检测技术针对出入境植物检疫性及危险性昆虫的主要类群,选择合适的基因片段、设计引物、对目标基因进行扩增测序,找出基因片段上区分每个物种的多态位点规律,作为该物种的鉴定特征并建立数据库,应用于植物检疫性及危险性昆虫的物种鉴定。【结果】以检疫性昆虫木蠹象属Pissodes为例,确定了木蠹象属5种昆虫的多态位点规律(鉴定特征),构建了用于物种鉴定的数据库。通过比对数据库里的鉴定特征,将未知样品鉴定为榛梢木蠹象P.terminalis(相似度100%),与形态鉴定结果一致。本文介绍了检测技术的原理、方法、技术流程及应用实例,并展望了其在有害生物检测中的推广应用前景。【结论】昆虫DNA条形码试剂盒检测技术为建立标准化,准确性高的物种鉴定平台打下基础,有着良好的推广应用前景。     

甘肃省鱼类资源现状及DNA条形码在鱼类物种鉴定中的应用

为了摸清甘肃省土著鱼类资源与分布现状, 探索DNA条形码在鱼类辅助物种鉴定中的适用性, 2012年6-9月对甘肃境内黄河水系、嘉陵江水系和河西内陆河水系进行了较全面的鱼类调查。共采集鱼类标本3,087尾, 隶属于5目10科38属64种, 以鲤科种类最多, 为30种, 占总种数的46.88%。物种多样性分析表明, 在黄河水系的夏河和庄浪河多样性指数是所有调查点中最低的, 分别为1.38和1.09。嘉陵江水系各河段的多样性指数较高(H = 2.15-3.27), 其次为河西内陆河水系(H = 2.01-2.83)。在河西内陆河水系中, 疏勒河的均匀度指数最高, 为1.10, 黑河最低(0.68)。庄浪河的优势度指数最高, 为0.34, 而嘉陵江干流两当段的优势度指数在所有调查点中最低, 为0.04。利用DNA条形码分析了49种662尾标本的COI基因部分序列, 大部分种类在neighbor-joining系统树中形成各自的单系, 种内平均遗传距离0.88%, 种间平均遗传距离为9.99%, 在种内和种间COI序列遗传距离之间形成明显的条形码间隙, 斯氏高原鳅(Triplophysa stoliczkae)与达里湖高原鳅(T. dalaica), 甘肃高原鳅(T. robusta)与似鲇高原鳅(T. siluroides), 嘉陵裸裂尻鱼(Schizopygopsis kialingensis)与黄河裸裂尻鱼(S. pylzovi)之间的遗传距离低于2%, 甘肃高原鳅与似鲇高原鳅不能通过COI基因片段区分开, 其他两对物种可以采用核苷酸诊断法来进一步区分。斯氏高原鳅和拉氏鱼岁(Phoxinus lagowskii)种内遗传分歧较大, 揭示种内可能存在隐存种。结果表明, 对某些近缘种和不同地理种群差异较大的物种, 要将分子、形态和地理分布特点结合起来才能准确鉴定。     

DNA barcoding for the identification of smoked fish products

DNA barcoding was applied to the identification of smoked products from fish in 10 families in four orders and allowed identification to the species level, even among closely related species in the same genus. Barcoding is likely to become a standard tool for identification of fish specimens and products.     

DNA barcoding of Cymbidium by genome skimming: Call for next-generation nuclear barcodes

Cymbidium is an orchid genus that has undergone rapid radiation and has high ornamental, economic, ecological and cultural importance, but its classification based on morphology is controversial. The plastid genome (plastome), as an extension of plant standard DNA barcodes, has been widely used as a potential molecular marker for identifying recently diverged species or complicated plant groups. In this study, we newly generated 237 plastomes of 50 species (at least two individuals per species) by genome skimming, covering 71.4% of members of the genus Cymbidium. Sequence-based analyses (barcoding gaps and automatic barcode gap discovery) and tree-based analyses (maximum likelihood, Bayesian inference and multirate Poisson tree processes model) were conducted for species identification of Cymbidium. Our work provides a comprehensive DNA barcode reference library for Cymbidium species identification. The results show that compared with standard DNA barcodes (rbcL + matK) as well as the plastid trnH-psbA, the species identification rate of the plastome increased moderately from 58% to 68%. At the same time, we propose an optimized identification strategy for Cymbidium species. The plastome cannot completely resolve the species identification of Cymbidium, the main reasons being incomplete lineage sorting, artificial cultivation, natural hybridization and chloroplast capture. To further explore the potential use of nuclear data in identifying species, the Skmer method was adopted and the identification rate increased to 72%. It appears that nuclear genome data have a vital role in species identification and are expected to be used as next-generation nuclear barcodes.