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假如給物種貼上條形碼
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假如給物種貼上條形碼
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當(dāng)我們踏入一家超市，面對(duì)琳瑯滿目的商品的，我們不禁要感嘆現(xiàn)代社會(huì)商品種類的豐富程度已經(jīng)如此之高，生產(chǎn)運(yùn)輸以及管理的高效也讓人贊嘆不已。在這種驚嘆和好奇之于，我們不由得發(fā)問，是什么讓這一切運(yùn)轉(zhuǎn)的如此高效和順利呢？其實(shí)最關(guān)鍵的是信息化的引入，是電腦和數(shù)據(jù)庫的使用整個(gè)過程和流暢，其中最典型的例子就是條形碼的應(yīng)用。當(dāng)我們付款的時(shí)候，收銀員只需將條碼對(duì)著識(shí)別器掃一下就會(huì)出現(xiàn)商品的價(jià)格，這是因?yàn)闂l碼的本質(zhì)上一套“語言”系統(tǒng)，只不過不是人可以閱讀的，而是計(jì)算機(jī)識(shí)別的，這些間隔和粗細(xì)不同的條帶構(gòu)成了基本語句，里面包含了商品的生產(chǎn)信息，運(yùn)輸信息，價(jià)格信息等等。
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所以條形碼的核心就是用一套編碼的規(guī)則將獨(dú)一無二的信息編碼成一個(gè)唯一的識(shí)別碼。聽起來是很樸素的一個(gè)道理，往往也是簡單的規(guī)則就有更大的使用場景。這不，生物學(xué)家就在想，自然界這么多物種類別如何按照相同的思路構(gòu)建出一套鑒定系統(tǒng)呢？傳統(tǒng)的分類工作是通過分類學(xué)家根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)，通過肉眼觀察將物種分門別類，劃分到不同的分類單元（界門綱目科屬種）。例如我們?nèi)司蛯儆诓溉榫V靈長目人科人屬人種，和我們形態(tài)相近的猿類也屬于靈長類。如果是大型的動(dòng)物還好觀察，但如果是非常小的昆蟲，就不得不借助放大鏡或者顯微鏡觀察了，有時(shí)候甚至沒有成蟲，只有非常小的卵，這種情況下是很難鑒定出來是什么物種的。而很多昆蟲都是全變態(tài)昆蟲，他們的幼蟲和成蟲的形態(tài)相去甚遠(yuǎn)，真是讓人傻傻分不清 （圖1）。但往往現(xiàn)實(shí)中這種工作是必須的，比如在海關(guān)檢驗(yàn)檢疫過程中，水果和蔬菜里面殘存的卵或者部分組織是需要快速準(zhǔn)確的被鑒定出來的。以防物種入侵的危害。所以這種通過傳統(tǒng)觀察的方式似乎在某些情況下就顯得無能為力了，換句話說這種由生物學(xué)特征組成的信息不適合作為快速分類的基礎(chǔ)。另外這種通過觀察的工作十分依賴分類學(xué)家，在我們的印象中往往是頭發(fā)花白上了年紀(jì)的老頭，現(xiàn)在學(xué)習(xí)和研究分類學(xué)的人越來越少。那我們可以用什么呢？答案是分子，準(zhǔn)確來講就是DNA序列，因?yàn)?/span>DNA遺傳物種是目前發(fā)現(xiàn)所有的生物（真核和原核，除一些病毒的遺傳物質(zhì)可能是RNA）都具有的相同屬性。DNA測序技術(shù)的發(fā)展使得我們研究生物的手段發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)變。通過測序技術(shù)我們可以讀到每個(gè)物種特有的一套基因組信息。我們是不是可以考慮從這些基因組上尋找一個(gè)基因，或者一段序列來代表這個(gè)物種呢？
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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖1， 帝王蝶的生活史
2003年加拿大圭爾夫大學(xué)的Paul Hebert等人提出了DNA條形碼的概念，他們通過對(duì)動(dòng)物界中11門13320個(gè)物種分析后，正式提出將一段長648bp的線粒體細(xì)胞色素C氧化酶亞基I(cytochromecoxidaseI,COI)基因作為動(dòng)物鑒定的通用條形碼序列。由于傳統(tǒng)分類學(xué)不能滿足現(xiàn)代物種鑒定的需求，DNA條形碼技術(shù)利用較短的基因保守序列進(jìn)行種的鑒定，可以在更大范圍應(yīng)用于生態(tài)保護(hù)研究。DNA條形碼自提出以來，受到了世界各國分類和鑒定學(xué)家的高度重視，Nature發(fā)表了題為“DNA barcoding, a useful tool for taxonomists”的文章，文中指出DNA條形碼是國際上近年來發(fā)展起來的物種鑒定新技術(shù)。Miller在PNAS上發(fā)表的文章中提出DNA條形碼技術(shù)正在推動(dòng)分類學(xué)的“文藝復(fù)興”。DNA條形碼技術(shù)擺脫了傳統(tǒng)形態(tài)鑒定方法依賴長期經(jīng)驗(yàn)的障礙，通過建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，可實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的鑒定，是分子鑒定方法學(xué)上的創(chuàng)新。
如圖2所示，是DNA條形碼用來做物種鑒定的標(biāo)準(zhǔn)流程。第一步是從組織提取DNA；第二步通過PCR擴(kuò)增出我們的目的片段；第三步是對(duì)PCR產(chǎn)物進(jìn)行測序；第四步是將測序得到的結(jié)果和數(shù)據(jù)庫比對(duì)已得到相匹配的物種記錄。舉個(gè)例子，如果你去野外露營時(shí)，被不知名的蟲子咬了一口，擔(dān)心是否有毒？你可以將這個(gè)蟲子用酒精保存帶回來進(jìn)行DNA條形碼測序。就可以準(zhǔn)確知道物種的信息。DNA條形碼技術(shù)應(yīng)用于生物資源具有重大意義，可以有效監(jiān)控珍稀瀕危物種進(jìn)、出口貿(mào)易，有利于發(fā)現(xiàn)新種和保護(hù)生物多樣性，可實(shí)現(xiàn)有害生物及入侵種的快速查驗(yàn)等。目前DNA條形碼技術(shù)在生物資源中的重要實(shí)踐，比如應(yīng)用于生物物種鑒定與分類，成為傳統(tǒng)分類方法的有力補(bǔ)充，在珍稀瀕危和貴重生物資源、海關(guān)貿(mào)易以及生物多樣性保護(hù)的應(yīng)用方面提供新思路。
? ? ? ? ? ?圖2，DNA條形碼用來做物種鑒定的標(biāo)準(zhǔn)流程，圖片來源（https://ibol.org/about/dna-barcoding/）
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目前通過科學(xué)家的研究已經(jīng)在幾個(gè)基本的類群中找到了合適的marker基因用來做DNA條形碼，比如COI作為動(dòng)物的通用條形碼序列，葉綠體上的rbcL和matK構(gòu)成的復(fù)合序列作為植物的鑒定條形碼；在細(xì)菌中使用核糖體中編碼16SRNA的基因作為條形碼，而在真菌鑒定中使用ITS序列（圖3）。然而在真實(shí)的況中，這些marker基因并不是完美的解決所有問題，也會(huì)出現(xiàn)失效的時(shí)候，比如在一些屬的物種中，物種之間的差別非常小，反倒同一個(gè)物種的不同個(gè)體間差異很大，這樣就會(huì)造成鑒定的錯(cuò)誤。因此這時(shí)候就需要尋找其他的條形碼序列代替或者補(bǔ)充。在篩選DNA條形碼的時(shí)候，需要考慮其滿足這樣幾個(gè)條件：1）必須要在大部分物種中都存在這個(gè)基因或者片段；2）這個(gè)片段的長度不能太長也不能太短，太長會(huì)影響PCR過程，太短可能包含的信息就會(huì)太少，能夠編碼的信息就會(huì)越少；3）因?yàn)槭切枰?/span>PCR擴(kuò)增，所以在這個(gè)片段的兩端需要有比較保守的序列特點(diǎn)，從而可以設(shè)計(jì)出通用的引物。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖3， 不同類群的DNA條形碼序列
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目前，由國際生命條形碼聯(lián)盟建立的第一個(gè)國際DNA條形碼數(shù)據(jù)庫BOLD已收錄了30.6萬個(gè)物種的776.3萬條DNA條形碼序列（截止到2019年12月）。研究者可以登錄系統(tǒng)通過物種名稱來搜索相關(guān)物種的DNA條形碼數(shù)據(jù)，或者提交序列來鑒定該物種的分類信息 （圖4）。隨著研究的不斷深入，DNA條形碼數(shù)據(jù)庫將得到不斷地補(bǔ)充和擴(kuò)展，結(jié)合計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)物種鑒定的標(biāo)準(zhǔn)化和自動(dòng)化，將在生物分類學(xué)方面發(fā)揮巨大作用。
圖4，人的COI序列和條形碼效果圖，圖片來源（http://v4.boldsystems.org/index.php/Public_RecordView?processid=CYTC005-12）
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參考文獻(xiàn)：
Hebert, Paul DN, et al. "Biological identifications through DNA barcodes." Proceedings of the Royal Society of London. Series B: Biological Sciences 270.1512 (2003): 313-321.
Schindel, David E., and Scott E. Miller. "DNA barcoding a useful tool for taxonomists." Nature 435.7038 (2005): 17-18.
Miller, Scott E. "DNA barcoding and the renaissance of taxonomy." Proceedings of the National Academy of Sciences 104.12 (2007): 4775-4776.
陳士林 [1, et al. 生物資源的 DNA 條形碼技術(shù). Diss. 2013.
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當(dāng)我們踏入一家超市，面對(duì)琳瑯滿目的商品的，我們不禁要感嘆現(xiàn)代社會(huì)商品種類的豐富程度已經(jīng)如此之高，生產(chǎn)運(yùn)輸以及管理的高效也讓人贊嘆不已。在這種驚嘆和好奇之于，我們不由得發(fā)問，是什么讓這一切運(yùn)轉(zhuǎn)的如此高效和順利呢？其實(shí)最關(guān)鍵的是信息化的引入，是電腦和數(shù)據(jù)庫的使用整個(gè)過程和流暢，其中最典型的例子就是條形碼的應(yīng)用。當(dāng)我們付款的時(shí)候，收銀員只需將條碼對(duì)著識(shí)別器掃一下就會(huì)出現(xiàn)商品的價(jià)格，這是因?yàn)闂l碼的本質(zhì)上一套“語言”系統(tǒng)，只不過不是人可以閱讀的，而是計(jì)算機(jī)識(shí)別的，這些間隔和粗細(xì)不同的條帶構(gòu)成了基本語句，里面包含了商品的生產(chǎn)信息，運(yùn)輸信息，價(jià)格信息等等。
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所以條形碼的核心就是用一套編碼的規(guī)則將獨(dú)一無二的信息編碼成一個(gè)唯一的識(shí)別碼。聽起來是很樸素的一個(gè)道理，往往也是簡單的規(guī)則就有更大的使用場景。這不，生物學(xué)家就在想，自然界這么多物種類別如何按照相同的思路構(gòu)建出一套鑒定系統(tǒng)呢？傳統(tǒng)的分類工作是通過分類學(xué)家根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)，通過肉眼觀察將物種分門別類，劃分到不同的分類單元（界門綱目科屬種）。例如我們?nèi)司蛯儆诓溉榫V靈長目人科人屬人種，和我們形態(tài)相近的猿類也屬于靈長類。如果是大型的動(dòng)物還好觀察，但如果是非常小的昆蟲，就不得不借助放大鏡或者顯微鏡觀察了，有時(shí)候甚至沒有成蟲，只有非常小的卵，這種情況下是很難鑒定出來是什么物種的。而很多昆蟲都是全變態(tài)昆蟲，他們的幼蟲和成蟲的形態(tài)相去甚遠(yuǎn)，真是讓人傻傻分不清 （圖1）。但往往現(xiàn)實(shí)中這種工作是必須的，比如在海關(guān)檢驗(yàn)檢疫過程中，水果和蔬菜里面殘存的卵或者部分組織是需要快速準(zhǔn)確的被鑒定出來的。以防物種入侵的危害。所以這種通過傳統(tǒng)觀察的方式似乎在某些情況下就顯得無能為力了，換句話說這種由生物學(xué)特征組成的信息不適合作為快速分類的基礎(chǔ)。另外這種通過觀察的工作十分依賴分類學(xué)家，在我們的印象中往往是頭發(fā)花白上了年紀(jì)的老頭，現(xiàn)在學(xué)習(xí)和研究分類學(xué)的人越來越少。那我們可以用什么呢？答案是分子，準(zhǔn)確來講就是DNA序列，因?yàn)?/span>DNA遺傳物種是目前發(fā)現(xiàn)所有的生物（真核和原核，除一些病毒的遺傳物質(zhì)可能是RNA）都具有的相同屬性。DNA測序技術(shù)的發(fā)展使得我們研究生物的手段發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)變。通過測序技術(shù)我們可以讀到每個(gè)物種特有的一套基因組信息。我們是不是可以考慮從這些基因組上尋找一個(gè)基因，或者一段序列來代表這個(gè)物種呢？
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2003年加拿大圭爾夫大學(xué)的Paul Hebert等人提出了DNA條形碼的概念，他們通過對(duì)動(dòng)物界中11門13320個(gè)物種分析后，正式提出將一段長648bp的線粒體細(xì)胞色素C氧化酶亞基I(cytochromecoxidaseI,COI)基因作為動(dòng)物鑒定的通用條形碼序列。由于傳統(tǒng)分類學(xué)不能滿足現(xiàn)代物種鑒定的需求，DNA條形碼技術(shù)利用較短的基因保守序列進(jìn)行種的鑒定，可以在更大范圍應(yīng)用于生態(tài)保護(hù)研究。DNA條形碼自提出以來，受到了世界各國分類和鑒定學(xué)家的高度重視，Nature發(fā)表了題為“DNA barcoding, a useful tool for taxonomists”的文章，文中指出DNA條形碼是國際上近年來發(fā)展起來的物種鑒定新技術(shù)。Miller在PNAS上發(fā)表的文章中提出DNA條形碼技術(shù)正在推動(dòng)分類學(xué)的“文藝復(fù)興”。DNA條形碼技術(shù)擺脫了傳統(tǒng)形態(tài)鑒定方法依賴長期經(jīng)驗(yàn)的障礙，通過建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，可實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的鑒定，是分子鑒定方法學(xué)上的創(chuàng)新。
如圖2所示，是DNA條形碼用來做物種鑒定的標(biāo)準(zhǔn)流程。第一步是從組織提取DNA；第二步通過PCR擴(kuò)增出我們的目的片段；第三步是對(duì)PCR產(chǎn)物進(jìn)行測序；第四步是將測序得到的結(jié)果和數(shù)據(jù)庫比對(duì)已得到相匹配的物種記錄。舉個(gè)例子，如果你去野外露營時(shí)，被不知名的蟲子咬了一口，擔(dān)心是否有毒？你可以將這個(gè)蟲子用酒精保存帶回來進(jìn)行DNA條形碼測序。就可以準(zhǔn)確知道物種的信息。DNA條形碼技術(shù)應(yīng)用于生物資源具有重大意義，可以有效監(jiān)控珍稀瀕危物種進(jìn)、出口貿(mào)易，有利于發(fā)現(xiàn)新種和保護(hù)生物多樣性，可實(shí)現(xiàn)有害生物及入侵種的快速查驗(yàn)等。目前DNA條形碼技術(shù)在生物資源中的重要實(shí)踐，比如應(yīng)用于生物物種鑒定與分類，成為傳統(tǒng)分類方法的有力補(bǔ)充，在珍稀瀕危和貴重生物資源、海關(guān)貿(mào)易以及生物多樣性保護(hù)的應(yīng)用方面提供新思路。
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目前通過科學(xué)家的研究已經(jīng)在幾個(gè)基本的類群中找到了合適的marker基因用來做DNA條形碼，比如COI作為動(dòng)物的通用條形碼序列，葉綠體上的rbcL和matK構(gòu)成的復(fù)合序列作為植物的鑒定條形碼；在細(xì)菌中使用核糖體中編碼16SRNA的基因作為條形碼，而在真菌鑒定中使用ITS序列（圖3）。然而在真實(shí)的況中，這些marker基因并不是完美的解決所有問題，也會(huì)出現(xiàn)失效的時(shí)候，比如在一些屬的物種中，物種之間的差別非常小，反倒同一個(gè)物種的不同個(gè)體間差異很大，這樣就會(huì)造成鑒定的錯(cuò)誤。因此這時(shí)候就需要尋找其他的條形碼序列代替或者補(bǔ)充。在篩選DNA條形碼的時(shí)候，需要考慮其滿足這樣幾個(gè)條件：1）必須要在大部分物種中都存在這個(gè)基因或者片段；2）這個(gè)片段的長度不能太長也不能太短，太長會(huì)影響PCR過程，太短可能包含的信息就會(huì)太少，能夠編碼的信息就會(huì)越少；3）因?yàn)槭切枰?/span>PCR擴(kuò)增，所以在這個(gè)片段的兩端需要有比較保守的序列特點(diǎn)，從而可以設(shè)計(jì)出通用的引物。
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目前，由國際生命條形碼聯(lián)盟建立的第一個(gè)國際DNA條形碼數(shù)據(jù)庫BOLD已收錄了30.6萬個(gè)物種的776.3萬條DNA條形碼序列（截止到2019年12月）。研究者可以登錄系統(tǒng)通過物種名稱來搜索相關(guān)物種的DNA條形碼數(shù)據(jù)，或者提交序列來鑒定該物種的分類信息 （圖4）。隨著研究的不斷深入，DNA條形碼數(shù)據(jù)庫將得到不斷地補(bǔ)充和擴(kuò)展，結(jié)合計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)物種鑒定的標(biāo)準(zhǔn)化和自動(dòng)化，將在生物分類學(xué)方面發(fā)揮巨大作用。
圖4，人的COI序列和條形碼效果圖，圖片來源（http://v4.boldsystems.org/index.php/Public_RecordView?processid=CYTC005-12）
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參考文獻(xiàn)：
Hebert, Paul DN, et al. "Biological identifications through DNA barcodes." Proceedings of the Royal Society of London. Series B: Biological Sciences 270.1512 (2003): 313-321.
Schindel, David E., and Scott E. Miller. "DNA barcoding a useful tool for taxonomists." Nature 435.7038 (2005): 17-18.
Miller, Scott E. "DNA barcoding and the renaissance of taxonomy." Proceedings of the National Academy of Sciences 104.12 (2007): 4775-4776.
陳士林 [1, et al. 生物資源的 DNA 條形碼技術(shù). Diss. 2013.
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聽說，打賞我的人最后都找到了真愛。
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