DNA條形碼：認(rèn)知物種新方式？
文章來源：科技日報(bào)
■ 新聞緣起
近日，以“生命條形碼與人類未來”為主題的中國科協(xié)第31期新觀點(diǎn)新學(xué)說學(xué)術(shù)沙龍?jiān)诒本┲袊茖W(xué)院動(dòng)物研究所舉行。
分類學(xué)家、免疫學(xué)家、昆蟲學(xué)家等幾十位專家聚集在一起圍繞DNA條形碼這一新興科學(xué)，就“DNA條形碼技術(shù)可以普遍適用于昆蟲各個(gè)類群嗎”、“COI可以作為鑒定動(dòng)物的標(biāo)記基因嗎”、“影響DNA條形碼區(qū)分物種的精確性的因素有哪些”等方面展開了深入討論。
那該技術(shù)具有哪些特點(diǎn)和優(yōu)勢？物種鑒定可靠么？用哪個(gè)基因或一段非編碼的DNA片段來做標(biāo)記？
DNA條形碼識別系統(tǒng)，能成為一種快捷、精確、自動(dòng)化、全球通用的分類鑒定工具嗎？
野外露營時(shí)，被不知名的蟲子咬了一口，擔(dān)心是否有毒？
只需用隨身攜帶的DNA條形碼掃描儀輕輕刷一下小蟲子，儀器上顯示它的名稱等信息。還想了解更多？你可以上網(wǎng)，在全球通用的物種DNA條形碼數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行檢索，了解這一物種的特性及應(yīng)對方法。這再也不是遙不可及的夢想。
這就是DNA條形碼技術(shù)。
——現(xiàn)狀——
傳統(tǒng)分類方式已無法滿足需求
中國科學(xué)院動(dòng)物研究所研究員喬格俠介紹,按最保守估計(jì)，目前地球上已知物種有1000萬，一個(gè)人基于形態(tài)學(xué)能夠辨認(rèn)的物種不過1000種。而且，目前基于形態(tài)學(xué)的手段辨認(rèn)物種相對比較復(fù)雜，效率低，需要很長時(shí)間，過多依賴于經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷。如果按照傳統(tǒng)的測算方法鑒定，可能需要1500年，甚至1.5萬年，才有可能完成全球基本的生物物種的編目。
現(xiàn)在，全世界急需尋找一種快捷、精確、自動(dòng)化、全球通用的分類鑒定工具，建立一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的、以DNA條形碼為基礎(chǔ)的識別系統(tǒng)。但是，針對生物界有150多萬種物種，DNA條形碼識別系統(tǒng)的建立工作十分艱難。
——困境——
建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)并非易事
確立DNA條形碼分4步：首先，對標(biāo)本進(jìn)行形態(tài)學(xué)鑒定；隨后，確認(rèn)標(biāo)本來源是否涵蓋現(xiàn)有的該物種的分布區(qū)域；再次，確認(rèn)研究的物種的數(shù)目是否足以反映該類群的整體情況；最終，確保測序的準(zhǔn)確性和覆蓋度。
“從條形碼本身來講，物品的條形碼是唯一的。但是對于生物來說，我們所用的條形碼不是人為編制的，是形成的一個(gè)基因序列。在不同的物種間和物種內(nèi)有變異的范圍，唯一性不強(qiáng)。”據(jù)南開大學(xué)昆蟲學(xué)研究所研究員卜文俊介紹。
“現(xiàn)在的做法是，變異范圍是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，比如2%、3%的序列差異。”卜文俊介紹，分子體現(xiàn)的是同一物種下的多樣性，而如何記載同一物種中的大量的變異問題。是換成不同的物種記載，還是記載物種下的變異類型？這成為DNA條形碼工作中的難點(diǎn)。
此外，由于DNA條形碼選擇600個(gè)基因左右長度隊(duì)伍中進(jìn)行標(biāo)記確認(rèn)，而有些物種并不能提供這樣長度的、連續(xù)的基因。而對于另外某些物種來說，600個(gè)基因的長度又不足以確定其物種的屬性。因此，如何選擇所有物種通用的基因長度標(biāo)準(zhǔn)又成了DNA條形碼的挑戰(zhàn)。
從分子角度看，由于選定的基因只是體現(xiàn)了一部分的分子多樣性，還有大量的分子多樣性體現(xiàn)在其他的基因上。因此，在認(rèn)識物種的過程中，需要結(jié)其他數(shù)據(jù)進(jìn)行確定。
——目標(biāo)——
建立全球統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫
喬格俠說：“DNA條形碼序列應(yīng)該提交到專門的條形碼數(shù)據(jù)庫中。重要的是，根據(jù)DNA條形碼進(jìn)行物種識別的前提條件是已經(jīng)測得并建立了相關(guān)類群所有物種的條形碼標(biāo)記的數(shù)據(jù)庫。”
然而，建立公共數(shù)據(jù)庫，并不像想象中的那么容易。根據(jù)卜文俊介紹，建立一個(gè)庫需要很多的要素，地理分布、照片、生物學(xué)的記載、系統(tǒng)發(fā)育或者是種群學(xué)的數(shù)據(jù)，還需要跟其他大的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接。“也許這個(gè)庫最終不是一個(gè)單一的庫，而是生物多樣性記載的一個(gè)庫。分子的數(shù)據(jù)通過條形碼來體現(xiàn)。”
對于這個(gè)數(shù)據(jù)庫的特性，卜文俊則說：“它應(yīng)該是一個(gè)公共的數(shù)據(jù)庫，全球參與。”在數(shù)據(jù)庫建好之后，也可以引入商業(yè)機(jī)構(gòu)，進(jìn)行基于數(shù)據(jù)庫的其他分析。
如何向這樣的數(shù)據(jù)庫中添加內(nèi)容？喬格俠描述了理想架構(gòu)及建構(gòu)流程：第一，依托于收藏機(jī)構(gòu)，掌握各種標(biāo)本材料，便于分析判斷；第二步，通過技術(shù)手段獲取DNA信息及相關(guān)信息；第三步，對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析；第四步，將相關(guān)信息及標(biāo)記序列提交到已經(jīng)建立的共享平臺數(shù)據(jù)庫中；最后，再由分類學(xué)家進(jìn)行物種鑒定，同時(shí)提供形態(tài)學(xué)、生物學(xué)的信息，并對結(jié)果進(jìn)行校對。
——措施——
優(yōu)先發(fā)展緊急物種
“曾經(jīng)出現(xiàn)過這樣的情況，某地發(fā)生鼠疫，當(dāng)?shù)匾恢卑凑赵蟹椒ㄟM(jìn)行控制，但2年后才發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的鼠疫發(fā)源地，結(jié)果DNA條形碼工作鑒定后，人們才知道這個(gè)物種根本不是原先想的物種。”中國疾病控制中心傳染病研究所研究員劉起勇說起這樣的事情時(shí)，不無遺憾。當(dāng)大規(guī)模流行病或疫情來臨時(shí)，如何確定流行病或疫情的病源，成為了防疫控制工作的第一步。
據(jù)劉起勇介紹，在常規(guī)病媒生物監(jiān)測和病原地調(diào)查和疫情處理過程中，需要在現(xiàn)場處理大量標(biāo)本，而且標(biāo)本鑒定不能做到細(xì)致準(zhǔn)確。全國曾有一萬人從事媒介生物建設(shè)，但這里面真正能進(jìn)行準(zhǔn)確分類的不到1%，分布也很不均衡。“當(dāng)緊急情況來臨時(shí)，不可能在短時(shí)間內(nèi)有很多分類學(xué)家到現(xiàn)場去工作。現(xiàn)在越來越要尋求一種對于分類專業(yè)依賴性較小的技術(shù)，那就是DNA條形碼技術(shù)。”劉起勇肯定地說。
在疾病控制中，DNA條形碼技術(shù)用于標(biāo)本和樣品的準(zhǔn)確鑒定和分類，也可以做進(jìn)一步分類調(diào)查，確定該物種是不是病原。隨著分子生物學(xué)技術(shù)成本不斷降低，通過基因序列分析進(jìn)行標(biāo)本的鑒定將成為主要手段。
據(jù)劉起勇介紹，我國的疾病系統(tǒng)每年都要大量的媒介生物標(biāo)本和樣品進(jìn)行鑒定，DNA條形碼主要用于建立條形碼數(shù)據(jù)庫。“我們對內(nèi)容做了一個(gè)規(guī)劃，爭取三到五年的時(shí)間，對主要的病原微生物建立DNA條形碼和標(biāo)準(zhǔn)。隨后，再用三到五年的時(shí)間，在全國較發(fā)達(dá)地區(qū)進(jìn)行推廣，或者有意愿的地區(qū)進(jìn)行推廣，在疾控系統(tǒng)逐步形成DNA條形碼數(shù)據(jù)庫和DNA條形碼分類鑒定技術(shù)。”
除了常規(guī)病媒外，對重要保護(hù)動(dòng)物、農(nóng)林害蟲等進(jìn)行DNA條形碼的鑒定也十分緊迫。建立覆蓋全球已知所有物種的數(shù)據(jù)庫并非一朝一夕之事，于是，優(yōu)先發(fā)展那些稀缺的、重要的物種DNA條形碼鑒定，就成為了目前科學(xué)家實(shí)行的優(yōu)先策略。
這些物種你認(rèn)識嗎？如果應(yīng)用DNA條形碼技術(shù)，你就會很輕松地區(qū)分它們。
■ 對話專家
DNA條形碼如何在中國啟動(dòng)?
科技日報(bào)：現(xiàn)在我國DNA條形碼工作在國際上處于一個(gè)什么樣的水平？
喬格俠（中國科學(xué)院動(dòng)物研究所研究員）：我國在世界DNA條形碼方面跟進(jìn)很快，我國是生物條形碼協(xié)會(Consortium for the Barcode of Life)的成員，而且起步很早，跟國際水平基本不相上下。
科技日報(bào)：我國目前有多少科學(xué)家從事這項(xiàng)事業(yè)？
喬格俠：中國條形碼委員會北方中心的負(fù)責(zé)人，推動(dòng)了很多工作。我統(tǒng)計(jì)過，有幾個(gè)國家基金也在支持做這個(gè)工作，但是從目前來看沒有一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。所以這樣就是，你做你的，我做我的，最終這些數(shù)據(jù)很難發(fā)揮作用的。
我們工作能夠標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，是非常有益的。這對于DNA條形碼技術(shù)有一定的要求。用什么樣的規(guī)范做，包括從標(biāo)準(zhǔn)的采集和選取，包括信息的搜集、錄入、規(guī)范等，還包括DNA條形碼分子流程。
這個(gè)工作最終形成有關(guān)中國的完整的DNA條形碼技術(shù)規(guī)程。我們畢竟跟國外不一樣，實(shí)驗(yàn)室比較小，比較分散。在加拿大，他們類似于有DNA條形碼的“工廠”去測序，這和我們的階段是不一樣的。所以這個(gè)技術(shù)規(guī)程對我們未來DNA條形碼是有幫助的。
科技日報(bào)：對于DNA條形碼在我國的啟動(dòng)策略，您有什么建議和想法？
喬格俠：對于類型啟動(dòng)的策略方面，至少要分類基礎(chǔ)好。如果不考慮應(yīng)用價(jià)值，但是分類基礎(chǔ)好，這一塊我就可以優(yōu)先啟動(dòng)；如果考慮應(yīng)用價(jià)值，對于農(nóng)林害蟲、藥用昆蟲、媒介昆蟲、傳粉昆蟲、重要保護(hù)動(dòng)物、具有重要理論價(jià)值的物種，可以優(yōu)先啟動(dòng)。
要想把這個(gè)推得讓國家重視，基于應(yīng)用價(jià)值，先啟動(dòng)做，應(yīng)用學(xué)逐步就可以跟進(jìn)，這是一個(gè)策略。另外，中國DNA條形碼的數(shù)據(jù)庫平臺，在中國南方中心和北方中心共同努力下，這個(gè)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)建成了，跟加拿大總體結(jié)構(gòu)是一致的。
我們國家現(xiàn)在啟動(dòng)類群還是比較少，思想轉(zhuǎn)變還是相對比較慢，另外在項(xiàng)目支持方面，目前僅僅都是一些優(yōu)先的種子基金。
掃一掃
