新一代植物志：iFlora

进入21世纪,随着分子生物学及计算机信息等技术的快速发展,人们认知自然的手段和方式发生了根本性的变化。在现有电子植物志（eFlora）的基础上,融入新一代测序技术、DNA条形码数据、地理信息数据和计算机信息技术等新元素的新一代植物志（iFlora）应运而生。iFlora是通过系列关键技术的集成和攻关,构建便捷、准确识别植物和掌握相关数字化信息的新一代植物志（或智能装备）,它将极大地促进植物分类学和系统发育、演化生物学、生态学、生物地理学和保护生物学等相关学科的发展,有效地服务于生物多样性保护和生物资源可持续利用、国家生态安全和社会公共教育等,并进一步提升公众对生物多样性的认识。iFlora的实施,将为培育和拓展物种识别圈（taxasphere）和生物文化圈（bioliterate world）做出应有的贡献,并可能成为引领国际植物学发展新的生长点。     

从文献情报分析看iFlora 的发展趋势

在网络化、信息化逐渐改变人们学习、认知和生活的背景下,本文检索并分析了与iFlora研究相关的DNA条形码、生物多样性信息库、基因测序技术、移动鉴定设备等研究论文和情报,取得下列结果：（1） 植物DNA条形码的研究对象以及研究领域在不断延伸和扩展,但寻找高分辨率的DNA条码和组合片段仍是研究热点,相关的植物分类学、系统发育与演化、生态学、植物多样性等研究也在快速发展;（2） 生物多样性信息数据库建设爆发式增长,为iFlora的知识积累和扩展奠定了基础;（3） 第三代DNA测序技术的发展,快速测序设备的小型化将成为可能;（4） 物种认知和识别的初级移动设备已经出现;（5） 信息技术与植物科学等研究的结合,促进跨领域的研究合作和产品开发。本文讨论了iFlora研究计划,表明其是未来植物多样性研究的发展趋势。     

构建基于磁珠微流控芯片的iFlora遗传信息高效获取系统

磁珠以其比表面积大、易与生物分子耦联、操控方便等优点,在生命科学中得到了广泛应用。随着微机电系统（MicroElectroMechanicalSystems,MEMS）技术的发展,将磁珠应用到微流控芯片中构建磁珠微流控分析系统,为生物样品分离、检测提供了一种全新方法。新一代植物志iFlora融入现代DNA测序技术．应用高速发展的信息、网络技术及云计算分析平台,收集、整合和管理植物物种相关信息,以实现物种智能鉴定和数据提取,而包括DNA条形码在内的遗传信息及其获取技术在iFlora中的作用至关重要。本文重点概述了基于纳米磁珠的微流控芯片技术及其在分子生物学领域中的应用,提出构建基于纳米磁珠微流控芯片的iFlora遗传信息采集系统,在微芯片上完成从DNA提取到测序全过程,实现物种遗传信息的快速、高效获取。     

馆藏植物标本与iFlora

构建准确、有效的物种遗传信息库并运用其作为主要的物种鉴定检索数据库,是新一代植物志（iFlora）与传统植物志的本质区别。采集并准确鉴定数以万计的植物样品用于建立遗传信息库存在一定困难,随着遗传信息获取技术的快速发展,使馆藏植物标本成为获取遗传信息的重要补充,并具有提升遗传信息库建设速度和可靠性的较大潜能。本文结合已有的研究和实验室多年工作实践,论述了植物标本作为iFlora物种遗传信息提取材料的可行性和不可替代性;总结了标本遗传信息提取过程中的主要困难和存在问题,并提出一些解决方法;阐述了使用馆藏标本特别是利用模式标本材料构建遗传信息标准库对iFlora构建的重要作用和意义。     

遗传信息及其获取技术与iFlora

随着世界主要国家和地区传统植物志的完成和即将完成,植物学进入后植物志时代。由于学科的积累和科技的发展,新一代植物志（iFlora）成为植物志发展的必然。本文概述了iFlora的特点、主要构件和应用范围;介绍了近三十年来遗传信息及其获取技术的发展概况,以及它们在iFlora中的重要作用;讨论了目前技术条件下各类遗传信息获取技术的优劣和整合提高的方法;提出了iFlora实施过程中的阶段性目标;以及随着数据信息的快速积累,相关技术特别是快速、简便测序技术和设备的发展与iFlora可能的最终发展目标。     

经典植物分类学的发展与iFlora

简要介绍了经典植物分类的基础工作,即鉴定、描述、命名和分类,以及发展动向。作者认为计算机辅助鉴定（如delta intkey）将成为形态鉴定的常规手段;模式识别技术是植物图像鉴定的发展方向;突出物种遗传本质的分子鉴定将成为植物物种鉴定的核心。DELTA系统或类似的符合计算机逻辑的分类学描述语言将成为新一代植物志（iFlora）的基本语言。近20年来,一些学者逐渐表现出对现行植物命名法规的质疑和修改意愿,特别是生物法规草案（Draft BioCode）和谱系法规（PhyloCode）两个试行法规的诞生。它们促进对法规的革新与完善,并在iFlora中得以体现。以APG系统为代表的分子系统发育研究已经成为植物系统分类研究的主流,但在物种层面,物种的界定仅仅依靠分子信息显然是不够的,而必须运用综合的特征性状信息进行分析解读,真正实现物种在形态、遗传信息等综合性状的融合统一。了解和掌握这些新的技术和研究成果,无疑对于iFlora设计和编研有着重要的参考意义,而基于新技术和新理念的iFlora也将成为植物分类最新发展成果的集中体现。     

关于iFlora创建工作框架的建议

iFlora是依据传统植物分类学及相关学科的研究基础,融入现代DNA测序技术,应用高速发展的信息、网络技术及云计算分析平台,收集、整合和管理植物物种相关信息,以建成智能物种鉴定和数据提取的开放应用系统（智能装备）。通过与该系统的双向交流,一方面,可以不断整合新的数据和技术充实iFlora的内容和功能;另一方面,可以通过该系统的多种鉴定途径实现快速、准确和方便的物种鉴定,获取所需物种的相关信息,满足专业机构和公众对物种和生物多样性的认知要求。本文重点介绍了构成iFlora的应用装置和支撑该装置的实物库（凭证标本、分子材料和DNA库）的建设及其重要性;阐述了构成iFlora各单元的高度整合和集成的特点,以及基于计算机技术的物种信息数字化和开放的云计算数据分析处理服务平台的枢纽作用;并讨论了iFlora创建过程所面临的困难和挑战,以及拟研发的智能装备的框架和应用前景。     

iFlora与植物志修订的若干思考——以杜鹃花科白珠树属为例

结合现代植物学、DNA测序与信息等关键技术而产生的新一代智能植物志（iFlora）,其研发中最首要和迫切的任务之一就是如何将前沿、准确和完善的植物数据信息进行特色整合及智能化处理,为用户提供一个客观而科学的,具理论和实际应用为一体的植物学知识共享平台,并有效地为国民经济发展提供有价值的植物资源信息渠道。本文简要介绍了与传统植物志和目前常用的电子植物志数据库相区别的iFlora数据信息的分级内容、特点和功能,并强调了作为iFlora的核心数据信息,即用于物种鉴定的植物DNA条形码、关键形态学分类特征、植物图像等识别数据,以及分子系统发育数据等。以杜鹃花科（Ericaceae）白珠树属（Gaultheria）和其属下红粉白珠（G.hookeri）为例,介绍了iFlora采用的三类数据（核心数据、基础数据和拓展数据）构成的三级信息及其功能,同时探讨了信息整合时可能遇到的问题。     

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     

野生植物种质资源的保存利用与iFlora

对植物种质资源的保护和可持续利用是人类生存和发展的根基。虽然植物种质资源的收集和保存工作在全球范围内已经取得了阶段性的进展,但植物物种本身复杂的生物学特性、相关信息的不完整性以及收集保存利用过程中专业人才的缺乏,在一定程度上制约了野生植物种质资源的保存和利用。本文以中国野生植物多样性的保护现状为例,探讨了野生植物种质资源收集保存过程中面临的问题,以及iFlora计划的提出和实施对解决这些问题提供的可能解决方案。通过iFlora的实施,将极大地促进和推动我国乃至全球范围内的野生植物多样性保护和利用。作为iFlora的重要元素之一,植物DNA条形码的运用已经逐渐成熟,本文介绍了其在苔藓植物剪叶苔属,以及种子植物榕属、马先蒿属、蒟蒻薯属、红豆杉属和栝楼属中的应用。     

iFlora beta版移动平台软件研制

iF｜ora计划的目的之一是为提高公众对植物的认知和了解,移动设备平台软件开发是该计划的重要组成部分。因此,根据iFlora研发的总体需求,在中国植物物种信息数据库的基础上,设计和开发了iFlo—rabeta版移动平台软件。该软件在应用软件设计的基础上,针对安卓系统和iOS系统,实现对物种数据库的基本检索功能、向导式查询功能、专家互动功能及系统个性化功能,满足用户对植物数据快速检索及物种鉴定的需求。在此基础上,探讨了植物检索特征库和图片特征库的建设思路,为iFlora的总体目标实现奠定基础。     

植物物种、模式产地种群调查与iFlora

澄清植物种类是植物分类学研究的基础,也是开展iFlora编研的前提,而植物物种调查则为其提供了最为基础和重要的研究素材。传统的植物物种调查,或以植物区系调查为目的,或是专类植物资源搜集．往往较为忽视种群层面的调查。iFlora计划中,基于地方种群的植物物种调查应予以重视和贯彻实施。系统的植物物种调查将以“个体（标本）一（地方繁育）种群一物种”为核心展开,其中地方繁育种群是调查的中心环节。调查内容将兼顾种群的形态学、生态学和遗传学三方面的学科需求,以期获得全面详实的物种数据,并藉此建立一套完整规范的物种“档案”。在整个植物物种调查中,“模式产地种群”是关注的重点,需制定缜密的调查方案并优先实施。由于模式标本的残缺、原始描述的简略,在未来的物种分类研究中,植物分类学者必须认真考虑“产地模式标本”和“模式产地种群”所扮演的重要角色。作为自然界中客观存在的群体,“模式产地种群”不仅仅是模式标本的注脚和补充,它犹如地质学上的“金钉子”．将为研究者提供最为权威和充分的形态学、生态学和遗传学等研究信息,从而真正将物种分类研究从“故纸堆”的困境中解放出来。     

关于iFlora核心数据建设中的一些思考

物种是iFlora数据采集的基本对象,但我们面临的植物是一个庞大、复杂的体系,没有正确的分类认识和物种鉴定方法,就不能保证iFlora的准确构建。目前植物中存在着不少数量的疑难种、争议种．已定种分类界限的准确性以及复杂的种下分类单位,都给iFlora的构建带来了较大的问题。本文以作者近年来研究的薯蓣科（Dioscoreaceae）薯蓣属（DioscoreaL．）、蓼科（Polygonaceae）何首乌（PolygonummM虹orumThuna．）、唇形科（Lamiaceae）夏枯草属（PrunellaL．）等为主要例子．对iFlora核心数据中的DNA条形码信息及基础数据中形态学分类信息的建设提出几点思考。重点提出,关注物种尤其是广布种。由于其分布范围广泛,在不同分布区个体常表现出连续变化特征,而实际工作中往往会出现忽略连续变化特征而把1个种在分布区端点的居群鉴定为不同种的问题;因此应关注种的居群DNA条形码的变异幅度。     

植物物种的快速鉴定与iFlora: DNA条形码在马先蒿属中的应用

DNA条形码技术就是利用一段较短的标准DNA序列对物种进行快速鉴定。与基于植物外部形态特征的传统分类鉴定方法相比, DNA条形码具有高效、准确,且易于实现自动化和标准化的特点。马先蒿属（Pedicularis L.）植物具对生（轮生）叶的种类70%以上分布在中国,近缘种间形态上非常相似,鉴定较为困难。研究选取马先蒿属具对生（轮生）叶类群43种164份样品,利用叶绿体基因（rbcL、matK、trnH psbA）和核基因（ITS）条形码片段,采用建树法和距离法检验4个条形码对这些物种的鉴定效果。结果表明,ITS片段用于建树法和距离法的鉴别率分别为81.40%和89.57%,其鉴别率高于3个叶绿体基因片段和任一基因片段的组合条码。另外,利用ITS成功解决了一些疑难种的分类问题。DNA条形码在马先蒿属研究中的实用性为新一代植物志（iFlora）实现物种的快速和准确鉴定提供了有力支持,并能为分类学、生态学、进化生物学、居群遗传学和保护遗传学等分支学科的研究提供重要信息。