DNA條形碼

DNA條形碼

DNA條形碼是指生物體內能夠代表該物種的、標準的、有足夠變異的、易擴增且相對較短的DNA片段。2003年,加拿大動物學家Paul Hebert最早提出了DNA條形碼的概念。2011年,DNA條形碼已經成為生態學研究的重要工具。DNA條形碼不僅用於物種鑑定,同時也幫助生物學家進一步了解生態系統內發生的相互作用。

簡介

DNA條形碼DNA條形碼

DNA條形碼(DNA barcode)是指生物體內能夠代表該物種的、標準的、有足夠變異的、易擴增且相對較短的DNA片段。

DNA條形碼技術是利用DNA條形碼對物種進行快速準確鑑定的新興技術。科學家用DNA條形碼技術鑑定物種及物種間親緣關係,修改已有的分類學結論等。

2003年,加拿大動物學家Paul Hebert最早提出了DNA條形碼的概念。2011年,DNA條形碼已經成為生態學研究的重要工具。 DNA條形碼不僅用於物種鑑定,同時也幫助生物學家進一步了解生態系統內發生的相互作用。

理論基礎

DNA是生物的遺傳信息載體。遺傳基礎的不同,決定了生物的多樣性。由於每種生物物種的DNA序列都是唯一的,就給DAN條形碼提供了物質基礎,每個位點上都有A、T、G、C4種選擇。

由於部分鹼基的保守性,幾十個鹼基的長度不能提供足夠的編碼信息,因此DNA條形碼分析都是基於幾百個鹼基長度的DNA序列。

概念的提出

Paul HebertPaul Hebert

2003年,加拿大Guelph大學的動物學家PaulHebert在DNA分類學的基礎上,明確提出了DNA條形碼(DNABarcode)的概念。

Paul Hebert等人在對動物界包括脊椎動物無脊椎動物共11門13320個物種的線粒體細胞色素C氧化酶亞基1(Cytochrome coxdase I,CO I)基因序列比較分析,除腔腸動物外,98%的物種遺傳距離差距在種內0%~2%,種間平均可達到11.3%,據此提出可以用單一的小片段基因來代表物種。

他們將超市用以區分成千上萬種不同商品的條形碼概念引入,把這種小片段基因序列稱為物種的DNA條形碼(DNA barcodes)並提出為全球生物編碼的計畫。 由於PaulHebert首先倡導將條形碼編碼技術套用到生物物種鑑定中,因此他被稱為DNA條形碼之父。

發展及研究進展

1975年以來,美國賓夕法尼亞州大學生物學家丹·詹森對哥斯大黎加西北部的昆蟲以及它們食用的植物進行研究。他與同事捕捉了近50萬隻幼蟲,培育大約5000種蛾和蝴蝶直至它們發育成熟,同時為大約2000種昆蟲寄生蟲進行編目。

DNA展示圖DNA圖譜2003年,詹森的研究小組開始為目錄中的昆蟲描繪DNA條形碼。根據他們的研究發現,1種他們原以為以10種植物為食的蝴蝶實際上是10種不同的蝴蝶種群,每一種以1種植物為食;1種看似單一種群的黃蜂實際上是36種截然不同的種群。之後科學家共為茉莉亞島上超過三分之二的居民編制目錄,涉及到大約6500個物種。如此高的覆蓋率是研究茉莉亞島生態系統的第一步。在這座島嶼的一些棲息地,物種擁有的可辨認特徵並不是很多。

2009年前後,在加拿大邱吉爾的北極圈附近地區,科學家對6000種物種進行編目,包括數量驚人的昆蟲;在紐幾內亞,DNA條形碼用於了解蝴蝶的進化;在波多黎各,這種條形碼又被用於破譯森林的結構。

2012年8月,中國科協第62期新觀點學術沙龍召開。植物DNA條形碼已經在中國中藥材鑑定中成功使用。中藥材鑑定是一切中藥生產、套用、研究的第一步。由於中藥材傳統的鑑定方法是以動植物的性狀、顯微特徵等來鑑定藥材的真偽,且一些老藥工的離開使鑑定經驗面臨失傳。隨著中藥材DNA條形碼鑑定技術的不斷深入,中藥材鑑定也將迎來新的技術革命。

理想標準

Kress等(2005年)和Taberlet等(2007年)提出了理想的DNA條形碼標準:

(1)具有可以區分物種的足夠變異和分化,同時種內變異必須足夠小;

(2)有高度保守的引物設計區以便於設計通用引物;

(3)片段足夠段,以便於DNA提取和PCR擴增,尤其是對部分降解的DNA的擴增。

優點

DNA條形碼DNA條形碼生命條形碼聯盟(CBOL)闡述了DNA條形碼的優點:

1、以DNA序列為檢測對象,其在個體發育過程中不會改變。同種生物不同生長時期的DNA序列信息是相同的。同種生物不同生長時期的DNA序列信息是相同的,即經過加工,形態發生變化,而DNA序列信息不會改變,較之傳統的方法,擴大了檢測樣本範圍;同時樣本部分受損也不會影響識別結果。

2、可進行非專家物種鑑定。該技術是機械重複的,只要設計一套簡單的實驗方案,經過簡單培訓的技術員即可操作。

3、準確性高。特定的物種具有特定的DNA序列信息,而形態學鑑別特徵會因趨同和變異導致物種的鑑定誤差。

4、通過建立DNA條形碼資料庫,可以一次性快速鑑定大量樣本。分類學家新的研究成果將不斷地加入資料庫,成為永久性資料,從而推動分類學更加快速深入地發展。

套用

DNA條形碼技術

DNA條形碼技術簡單地說,就是通過使用一個或一些短的DNA基因片段作為條形碼來對物種進行快速、準確識別的技術。

DNA條形碼技術的出現將極大地增強人類監測、了解和利用生物多樣性資源的能力,其在生命科學、法醫學、流行病學,以及醫藥、食品質量控制等領域均具有廣泛的套用前景。DNA條形碼技術不僅會進一步發展傳統的分類學研究,更會加速微生物資源的保藏、鑑定工作,推動微生物資源的更有效利用。

中國珍稀瀕危植物DNA條形碼鑑定平台

2013年12月20日,中國珍稀瀕危植物DNA條形碼鑑定平台開通,除了國際通用的兩種DNA條形碼外,這個平台網站還使用了高解析度的核基因ITS和實驗室自己開發的葉綠體基因ycf1條形碼,使用者只需將材料的DNA序列貼上到對應的檢索框裡,它就會列出這個材料可能的物種是什麼,並按照相似度的高低依次排列。而幾個條形碼並行使用,相互印證,鑑定的可靠度能大大提高。截至2013年12月,平台資料庫中共包含了18732條序列,覆蓋了186個科、2568個種。這一數字還在不斷攀升中。

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