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。     

植物DNA条形码技术的发展及应用

在对DNA条形码技术的发展过程进行归纳分析的基础上,对植物DNA条形码技术的研究进展、工作流程及分析方法、影响其鉴定准确性的因素及其在植物分类学研究中的应用现状及存在的争议进行了综合分析和阐述,并展望了植物DNA条形码技术的发展趋势及应用前景。通过具体实例说明将植物DNA条形码技术与传统植物学知识相结合可作为民族植物学的研究手段之一。认为:目前常用的植物DNA条形码主要有单一片段和多片段组合2种方式,这2种方式各有优缺点;常用的DNA序列有matK、trnH-psbA、rbcL和ITS等,但均有一定的局限性;针对不同的使用目的,应选择不同的植物DNA条形码标准;影响植物DNA条形码鉴定准确性的因素包括物种的类型和数量、系统树构建方法、杂交/基因渗入、物种起源时间的差异、分子进化速率差异等;当前植物DNA条形码研究工作的重点是选择合适的DNA片段并对其进行评价。     

DNA条形码技术在植物中的研究现状

DNA条形码技术（DNA barcoding）是用短的DNA片段对物种进行识别和鉴定的分子生物学技术。在动物研究中该技术已经成功应用于利用线粒体细胞色素c氧化酶亚基I（COI）进行物种鉴定和发现隐种或新物种。相对于动物, COI基因在高等植物中进化速率较慢, 因此植物条形码研究以叶绿体基因组作为重点, 但目前还处于寻找合适的基因片段阶段。许多学者对此进行了积极的探索, 报道了多种植物条形码的候选片段或组合, 但还没有获得满足所有标准的特征位点片段。该文介绍了DNA条形码的标准、优点、工作流程及数据分析方法, 总结了DNA条形码在植物中的研究现状。     

我国云南食用牛肝菌的DNA条形码研究

iFlora是结合传统分类学与DNA测序和信息技术,通过系列关键技术进行集成,构建便捷、准确识别物种和掌握相关数字化信息的新一代智能植物志。iFlora研发中首要和迫切的任务之一就是寻找适合于大多数植物和经济蘑菇的标准DNA条形码序列。为筛选适合大型经济蘑菇的DNA条形码,本研究以云南食用牛肝菌为例,选取野生食用菌市场上常见的、被当地人认为的4“种”牛肝菌为研究对象,利用核糖体大亚基（nrLSU）、翻译延长因子1-α（tefl-α）、RNA聚合酶II大亚基（rpbl）和RNA聚合酶II的第二个大亚基（rpb2）四个DNA序列,使用真核生物通用引物进行扩增、测序和测试。研究发现这4“种”样品实际上代表了12个独立的物种,进一步研究表明4个候选片段的扩增和测序成功率均为100％,且不存在种问和种内变异的重叠。4个片段的物种分辨率均较高,但与nrLSU相比,rpbl、tefl-α和rpb2具有更为明显的条形码间隔。鉴于rpbl比tefl-α和rpb2具有更高的种间变异和较低的种内变异,建议将rpbl作为牛肝菌属的核心条形码,tefl-α和rpb2可作为该属的辅助条形码。     

中国秋海棠属（秋海棠科）植物的DNA条形码评价

秋海棠属植物种类繁多,形态变异多样,导致种类的系统放置混乱,近缘种类鉴定困难。利用DNA条形码实现物种快速准确的鉴定技术具有不受形态特征约束的优势,为秋海棠属植物的分类鉴定提供了新的方法。本研究选择4个DNA条形码候选片段（rbcL,matK,trnH-psbA,ITS）对中国秋海棠属26种136个个体进行了分析。结果显示：叶绿体基因rbcL,matK和trnH-psbA种内和种间变异小,对秋海棠属植物的鉴别能力有限：ITS／ITS2种内和种间变异大,在本研究中物种正确鉴定率达到100％／96％,可考虑作为秋海棠属DNA条形码鉴定的候选片段。研究结果支持中国植物条形码研究组建议将核基因ITS／ITS2纳人种子植物DNA条形码核心片段中的观点。     

中国秋海棠属 (秋海棠科) 植物的DNA条形码评价

秋海棠属植物种类繁多,形态变异多样,导致种类的系统放置混乱,近缘种类鉴定困难。利用DNA条形码实现物种快速准确的鉴定技术具有不受形态特征约束的优势,为秋海棠属植物的分类鉴定提供了新的方法。本研究选择4个DNA条形码候选片段（rbcL,matK,trnH psbA,ITS）对中国秋海棠属26种136个个体进行了分析。结果显示：叶绿体基因rbcL,matK和trnH psbA种内和种间变异小,对秋海棠属植物的鉴别能力有限;ITS/ITS2种内和种间变异大,在本研究中物种正确鉴定率达到100%/96%,可考虑作为秋海棠属DNA条形码鉴定的候选片段。研究结果支持中国植物条形码研究组建议将核基因ITS/ITS2纳入种子植物DNA条形码核心片段中的观点。     

江西新岗山森林昆虫种内遗传距离研究

DNA条形码目前广泛用于昆虫多样性研究。本研究采用DNA条形码（即线粒体细胞色素c氧化酶亚基I基因COI 5′端）,通过比较所获分子分类操作单元（Molecular operational taxonomic units,MOTU）的种内遗传距离,探究DNA条形码在亚热带森林（位于我国江西省新岗山）不同昆虫类群中的物种鉴定和界定效用。数据分析中结合数据库比对信息,采用jMOTU、ABGD、bPTP、GMYC 这4种物种界定方法获得MOTU,从而开展种内遗传距离分析。本研究共挑选出479个昆虫样本,获得475条COI序列,经NCBI、BOLD在线数据库比对属于6个目,与形态初步划分一致;物种界定分析获得288个MOTU,其中鳞翅目最多,达85个,膜翅目、双翅目、半翅目、鞘翅目次之,分别为80、74、21和20个,直翅目最少,仅8个。膜翅目和双翅目的种内遗传距离均值及标准偏差较大（膜翅目：0.89%±0.87%;双翅目：0.73%±0.58%）,鳞翅目的最小（0.28%±0.20%）。研究表明：不同昆虫类群的种内遗传距离虽然整体在一定范围,但仍然存在一定的差异,因此不能笼统地依靠遗传距离的距离阈值进行物种划分;现有数据库需要补充足够的昆虫物种信息,才能提升物种鉴定效率。本研究丰富了亚热带森林昆虫分子数据库,同时也为进一步探索基于分子分类学开展昆虫多样性研究提供了基础数据和参考。     

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.     

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。     

基于系统发育分析的DNA条形码技术在澄清芍药属牡丹组物种问题中的应用

清晰的物种概念是材料正确鉴定的基础,是DNA条形码技术应用的前提.本文通过芍药属牡丹组植物DNA条形码数据的系统发育分析,揭示牡丹组植物的进化谱系及其与分类上“物种”的关系.在此基础上分析DNA条形码技术在牡丹组植物中应用的可能性.同时,以芍药科芍药属牡丹组植物为例,讨论DNA条形码技术在应用中存在的问题与解决方案.研究材料包括牡丹组植物目前已知的几乎所有的变异类型（种或种下分类群）共40份.DNA序列来自叶绿体基因组ndhF,rps16-trnQ,trnL-F和trnS-G4个基因,共有（含插入/缺失）5040个位点,包含96个变异位点,其中信息位点69个;核基因组GPAT基因2093~2197bp,变异位点（含插入/缺失）总数279个,其中信息位点148个.叶绿体基因组与核基因组所揭示的包括四川牡丹、矮牡丹、卵叶牡丹和紫斑牡丹在内的进化线与根据形态所建立的物种限定不吻合：（ⅰ）叶绿体基因分化明显但核基因没有明显分化——四川牡丹和紫斑牡丹的各居群系统;（ⅱ）核基因分化显著而叶绿体基因分化很小——矮牡丹和卵叶牡丹.因为这些居群系统之间存在一定程度的地理隔离,但不存在生殖隔离,出现这种两个基因组数据背离的现象可能是由于不同居群系统在进化历史中捕获了其他居群系统的叶绿体基因组.这些基因作为牡丹组植物DNA条形码的适合性分析显示,叶绿体基因在种间或居群系统之间的变异是种或居群系统内变异的4.82倍,GPAT基因在种间或居群系统之间的变异是种或居群系统内变异的2.21倍,说明这些基因可作为牡丹组植物的DNA条形码.种间或居群系统之间完全分化位点的统计结果表明,这些种或居群系统之间存在相互区别所必需的位点.通过牡丹组植物DNA条形码分析,认为：（ⅰ）物种概念对DNA条形码技术能否成功应用有十分重要的影响,拟应用DNA条形码的类?     

Molecular identification of species in Juglandaceae:A tiered method

DNA barcoding is a method of species identification and recognition using DNA sequence data. A tiered or multilocus method has been recommended for barcoding plant species. In this study, we sampled 196 individuals representing 9 genera and 54 species of Juglandaceae to investigate the utility of the four potential barcoding loci (rbcL, matK, trnH-psbA, and internal transcribed spacer (ITS)). Our results show that all four DNA regions are easy to amplify and sequence. In the four tested DNA regions, ITS has the most variable information, and rbcL has the least. At generic level, seven of nine genera can be efficiently identified by matK. At species level, ITS has higher interspecific p-distance than the trnH-psbA region. Difficult to align in the whole family, ITS showed heterogeneous variability among different genera. Except for the monotypic genera (Cyclocarya, Annamocarya, Platycarya), ITS appeared to have limited power for species identification within the Carya and Engelhardia complex, and have no power for Juglans or Pterocarya. Overall, our results confirmed that a multilocus tiered method for plant barcoding was applicable and practicable. With higher priority, matK is proposed as the first-tier DNA region for genus discrimination, and the second locus at species level should have enough stable variable characters.     

Molecular identification of species in Juglandaceae: A tiered method

DNA barcoding is a method of species identification and recognition using DNA sequence data. A tiered or multilocus method has been recommended for barcoding plant species. In this study, we sampled 196 individuals representing 9 genera and 54 species of Juglandaceae to investigate the utility of the four potential barcoding loci (rbcL, matK, trnH-psbA, and internal transcribed spacer (ITS)). Our results show that all four DNA regions are easy to amplify and sequence. In the four tested DNA regions, ITS has the most variable information, and rbcL has the least. At generic level, seven of nine genera can be efficiently identified by matK. At species level, ITS has higher interspecific p-distance than the trnH-psbA region. Difficult to align in the whole family, ITS showed heterogeneous variability among different genera. Except for the monotypic genera (Cyclocarya, Annamocarya, Platycarya), ITS appeared to have limited power for species identification within the Carya and Engelhardia complex, and have no power for Juglans or Pterocarya. Overall, our results confirmed that a multilocus tiered method for plant barcoding was applicable and practicable. With higher priority, matK is proposed as the first-tier DNA region for genus discrimination, and the second locus at species level should have enough stable variable characters.     

蒟蒻薯属 (薯蓣科) 植物DNA条形码研究

蒟蒻薯属（Tacca）植物种间在形态上差别不大,导致分类上存在一定的困难。DNA条形码是一种利用短的DNA标准片段来鉴别和发现物种的方法。本研究利用核基因ITS片段和叶绿体基因trnH psbA, rbcL, matK片段对蒟蒻薯属6个种的DNA条形码进行研究,对4个DNA片段可用性,种内种间变异,barcode gap进行了分析,采用Tree based和BBA两种方法比较不同序列的鉴定能力。结果显示：单片段ITS正确鉴定率最高,片段组合rbcL+matK正确鉴定率最高。支持CBOL植物工作组推荐的条码组合rbcL+matK可作为蒟蒻薯属物种鉴定的标准条码,建议ITS片段作为候选条码。丝须蒟蒻薯Tacca integrifolia采自西藏的居群与马来西亚居群形成了2个不同的遗传分支,且两者在形态上也存在一定的差异,很可能是一个新种。     

蒟蒻薯属(薯蓣科)植物DNA条形码研究

蒟蒻薯属(Tacca)植物种间在形态上差别不大,导致分类上存在一定的困难.DNA条形码是一种利用短的DNA标准片段来鉴别和发现物种的方法.本研究利用核基因ITS片段和叶绿体基因trn H-psbA,rbcL,matK片段对蒟蒻薯属6个种的DNA条形码进行研究,对4个DNA片段可用性,种内种间变异,barcode gap进行了分析,采用Tree-based和BBA两种方法比较不同序列的鉴定能力.结果显示:单片段ITS正确鉴定率最高,片段组合rbcL+matK正确鉴定率最高.支持CBOL植物工作组推荐的条码组合rbcL+matK可作为蒟蒻薯属物种鉴定的标准条码,建议ITS片段作为候选条码.丝须蒟蒻薯Tacca integrifolia采自西藏的居群与马来西亚居群形成了2个不同的遗传分支,且两者在形态上也存在一定的差异,很可能是一个新种.     

Testing four proposed barcoding markers for the identification of species within Ligustrum L.(Oleaceae)

DNA barcoding is a biological technique that uses short and standardized genes or DNA regions to facilitate species identification. DNA barcoding has been used successfully in several animal and plant groups. Ligustrum (Oleaceae) species occur widely throughout the world and are used as medicinal plants in China. Therefore, the accurate identification of species in this genus is necessary. Four potential DNA barcodes, namely the nuclear ribosomal internal transcribed spacer (ITS) and three chloroplast (cp) DNA regions (rbcL, marK, and trnH-psbA),were used to differentiate species within Ligustrum. BLAST, character-based method, tree-based methods and TAXONDNA analysis were used to investigate the molecular identification capabilities of the chosen markers for discriminating 92 samples representing 20 species of this genus. The results showed that the ITS sequences have the most variable information, followed by trnH-psbA, matK, and rbcL. All sequences of the four regions correctly identified the species at the genus level using BLAST alignment. At the species level, the discriminating power of rbcL, matK, trnH-psbA and ITS based on neighbor-joining (NJ) trees was 36.8%, 38.9%, 77.8%, and 80%,respectively. Using character-based and maximum parsimony (MP) tree methods together, the discriminating ability of trnH-psbA increased to 88.9%. All species could be differentiated using ITS when combining the NJ tree method with character-based or MP tree methods. Overall, the results indicate that DNA barcoding is an effective molecular identification method for Ligustrum species. We propose the nuclear ribosomal ITS as a plant barcode for plant identification and trnH-psbA as a candidate barcode sequence.     

Testing four barcoding markers for species identification of Potamogetonaceae

The pondweeds (Potamogetonaceae) are among the most important plant groups in the aquatic environment. Owing to their high morphological and ecological diversity, species identification of this aquatic family remains problematic. DNA barcoding involves sequencing a standard DNA region and has been shown to be a powerful tool for species identification. In the present study, we tested four barcoding markers (rbcL, matK, internal transcribed spacer (ITS), and trnH-psbA) in 15 Potamogeton species and two Stuckenia species, representing most species of the Potamogetonaceae in China. The results show that all four regions can distinguish and support the newly proposed genera of Stuckenia from Potamogeton. Using ITS and trnH-psbA, significant interspecific genetic variability was shown. However, intraspecific genetic variability of trnH-psbA is high and so it is not suitable for barcoding in Potamogetonaceae. The ITS and matK regions showed good discrimination. However, matK was not easy to sequence using universal primers. The best performing single locus was ITS, making it a potentially useful DNA barcode in Potamogetonaceae.     

姜科砂仁属植物DNA条形码序列的筛选

砂仁属（Amomum）隶属于姜科,全属约150种,我国有39种。该属多种植物可作药物或香料,但目前砂仁属的分类还不清楚,准确鉴定物种有很大难度。本研究利用DNA barcoding技术,对砂仁属50种121个个体的matK、rbcL-a、trnH-psbA序列及其不同组合进行比较,用Taxon DNA计算种间、种内bar-coding gap,运用相似法的BLASTn计算条码的正确鉴定率,筛选适合砂仁属的条码片段。结果显示：所有条码的barcoding gap均不存在;matK的正确鉴定率高于trnH-psbA和rbcL-a,联合片段的条码正确鉴定率高于单片段条码,三个片段联合条码的正确鉴定率最高。因此,推荐matK＋rbcL-a＋trnH-psbA作为砂仁属物种鉴定的候选条码。     

悬钩子属DNA条形码通用序列的初步筛选

为了建立悬钩子属（Rubus）植物的DNA条形码分子鉴定技术,筛选获得适用于悬钩子属植物的通用条形码序列。该研究基于GenBank数据对ITS、ITS2、matK、rbcL、trnH-psbA、trnL-trnF 6个DNA条形码序列进行了遗传变异、barcoding gap、建树等评估分析。结果显示,trnH-psbA、matK、rbcL、rtnL-trnF的种内变异与种间变异差异较大,变异分辨率分别为97.32%、83.33%、79.07%、64.95%,存在较大的barcoding gap;NJ一致树分析显示,matK的单系性比例最高（67%）,其次为trnH-psbA（64%）,rtnL-trnF（43%）,rbcL（30%）。结果表明,悬钩子属植物的matK与trnH-psbA序列种内变异与种间变异差异较大,能较好地区分不同物种,具有较大的鉴定潜力。建议将matK和trnH-psbA作为悬钩子属植物鉴定的核心条形码序列,rtnL-trnF、rbcL作为辅助条形码序列。