DNA条形码

DNA条形码

条形码技术(Barcode techniques)是为实现对信息的自动扫描而设计的，它在零售业的发展过程中起到了重要作用，节省了交易时间，提高了销售效率。随着分子生物学技术和生物信息学的发展，基于DNA bar．coding技术进行鉴定和分类的研究已成为生物分类学研究中引人注目的新方向和研究热点。关于DNAbarcoding的大量报道见诸于相关学术刊物和其他媒体上，如Science_1I2]，Nature ]，PNAS_5I6]，The NewYork Times¨， National Geographic News 等。生物条形码协会(Consortium for the Barcode of Life)已有40个国家的130多个研究单位参与其中 。生物条形码网站http：／／www、barcodinglife．con，真菌编码网站ht．tp：／／www．allfungi．org／，鳞翅目编码网站http：／／www．lepbarcoding．org／，鱼类编码网站http：／／www．fishbo1．org／等网站相继建立，2007年5月10日，世界上第一个DNA barcoding鉴定中心在加拿大University ofGuelph成立 。本文综述了DNA barcoding技术的研究现状，并就该技术在中药材鉴定中应用的技术方法、技术路线、关键问题以及应用范围等方面开展研究进行了论述，为建立中药材DNA barcoding鉴定技术奠定基础 1．DNA条形码的定义

在DNA分类学(DNA Taxonomy，即以DNA序列作为生物分类系统平台)的基础上 剐，加拿大动物学家Paul Hebert等对动物界，包括脊椎动物和无脊椎动

物共11门13 320个物种的线粒体细胞色素C氧化酶亚基1(Cytochrome C oxidase I，CO I)基因序列比较分 析，除腔肠动物Cnidaria外，98％ 的物种遗传距离差异在种内0％ ～2％ ，种间平均可达到11．3％ ，据此提出可以用单一的小片段基因来代表物种，作为物种的条形编码，为全球生物编码 ’ ，即DNA barcoding(DNA条形码)是利用一段标准DNA 序列作为标记来实现快速、准确和自动化的物种鉴定，类似于超市利用条形码扫描区分成千上万种不同的商品。由于Paul Hebert

首先倡导将条形码编码技术应用到生物物种鉴定中，因此他被称为DNA条形编码之父。

2．作为DNA条形码序列的特点及与基因组序列

理想的DNA barcdoing应当符合下列标准：(1)具有足够的变异性以区分不同的物种，同时具有相对的保守性；(2)必须是一段标准的DNA区来尽可能鉴别不同的分类群；(3)目标DNA区应当包含足够的系统进化信息以定位物种在分类系统(科、属等)中的位置；(4)应该是高度保守的引物设计区以便于通用引物的设计；(5)目标DNA区应该足够的短以便于有部分降解的DNA的扩增? 。DNA barcoding作为生物“种水平species—level”鉴定的工具引人注目。Genbank数据库中CO I序列正在快速增加。Min等分析了CO I序列及其来源基因组核苷酸含量之间的关系，结果表明849个CO I基

因的5 端的DNA barcoding序列令人惊奇地准确地代表了其来源完整线粒体基因mtDNA的重要信息，也就是说对于未测序的基因组，从DNA barcoding能快速预知完整基因组的组成 。 3．DNA条形码的发展及研究进展

2003年3月，20多位分类专家、分子生物学家和生物信息学家会聚美国冷泉港，召开了题为“Taxonomyand DNA”的会议。提出对全球所有生物种的某个特定基因进行大规模测序，以期实现物种鉴定的目标，进而推进生物进化历史的研究。9月，在冷泉港再次召开题为“Taxonomy，DNA and the Barcode of Life”的会议，对DNA条形编码所有真核生物的科学性、社会利益有了更深入的讨论和确定，并且还提出了组织策略及国际生物条形编码计划(International Barcode of Life Pro—iect)的发展蓝图 。利用DNA barcoding可以进行物种的鉴定、发现新种和隐存种，如巨藻 、马达加斯加蚂蚁 、蝴蝶 、热带鳞翅类 引、澳大利亚鱼 、显花植物 等。Hebert等对鳞翅目(Lepidopterans)昆虫200个密切相关的种进行CO I基因特定片段分析的结果表明该特定片段可以100％成功地鉴定每一个个体 。Yoo等

运用CO I作为条形码对韩国92种鸟类物种进行了有效鉴定。同时，CO I基因特定片段作为DNA barcoding在真菌的鉴定研究中也取得了有价值的结果 。Min等对Aseomyeota、Basidiomyeota、Chytridiomycota的3 1个真菌物种CO I进行了研究，结果显示约600 bp的CO I基因片段长度可以准确进行鉴定 。由于CO I基因在植物中的进化速率远慢于在动物中的进化速率，不适合作为大多数植物的编码基因，许多学者对植物中适合作为DNA barcoding的基因进行了积极的探索。Kress等应用rDNA ITS序列和质体trnH—psbA基因间序列对53个科88个属99个物种的进行研究，结果表明rDNA ITS序列和质体trnH—ps—基因间序列可以对植物物种进行DNA条形编码 。Chase等评价了叶绿体rbcL序列和rDNA ITS序列，并提出在陆地植物长期的DNA条形编码目标研究中，需要进行更为精确的多标记序列条形码研

究 。Taberlet等研究认为叶绿体trnL(UAA)内含子全序列(254—767 bp)及其P6环(10—143 bp)在作为DNA条形编码中虽有不足，但仍具有许多优势，如引物高度保守，扩增体系稳定，P6环在高度降解的DNA样本中仍然可以扩增出来，在食品行业，法医鉴定和永冻层中的样品的鉴定研究中优势明显? 。

由此可见，DNA．~arcoding技术可以利用一段或几段标准DNA序列实现动物、植物和真菌物种的快速鉴定，该技术将是今后生物物种鉴定发展的必然趋势。

什么是条形码技术

DNA条形码扫描技术

开放分类： 科学、分子生物学、生物分类学、前沿科技

就像超市通过条形码识别商品一样，有一天，你可以手持DNA条形码扫描仪，到森林里去认识每种动植物。

设想在一个闷热的夏日夜晚，突然你的手臂被蚊子叮了一下。你立刻挥起另一只手，把这只蚊子拍死在手臂上。然而，手臂已经肿起了一个小包。你有没有产生这样的后怕：这只蚊子是否携带西尼罗河病毒？

如果科学家保罗·赫伯特的构思能够实现，那么10年内，你就可以轻而易举地解决这种疑问。只需把被你打扁的蚊子身上的一部分放到掌上型扫描仪中，几分钟之内，这个小机器就能显示出有关这个蚊子种类的信息，告诉你刚才有没有接触到西尼罗河病毒。

尖端技术，平凡应用

赫伯特是加拿大圭尔夫大学的动物学家，他被称为DNA条形码技术之父。这一概念认为，就像在商店里扫描仪读取条形码那样，地球上每种植物和动物也都能通过快速地分析DNA中的一小段加以识别。

“这种技术的使用将十分简单，每个人都能识别遇到的任何一种生物。”他说。只要把生物体的一小部分——皮、毛发、叶子等放到DNA条形码扫描仪里，它就能识别出任何一种生物。赫伯特设想了这种装置的许多用途：帮助航空公司识别与飞行器相撞的鸟类；协助生物学家确定被解剖的青蛙最后吃的是什么东西；让卫生监督人员在加工食品中发现不符合规格的动植物成分；让每个人都能随时学习周围的动植物知识。

生命条形码协会的执行秘书戴维·欣德尔指出，DNA条形码还可以加速发现新的物种。目前，分类学者已经识别了大约200多万种的动植物，而据估计，地球上共生存着1000多万种动植物。欣德尔认为，使用DNA条形码技术，科学家能够找出那些在条形码数据库中没有的种类，让分类学家解放出来去关注那些“全新的和激动人心的事物”。

本月，科学家将在伦敦召开生命条形码协会的第一次国际会议。届时，他们将讨论DNA条形码科学的进展，以及为1000万个物种建立条形码库打开国际合作的局面。这个数据库将设置在美国国立卫生研究院，向公众开放的DNA序列数据库GenBank中。

此外，赫伯特和同事已经在圭尔夫大学汇编了一个条形码数据库。双方正在进行讨论以确定这两个数据库是否互补。

什么是DNA条形码

为了让条形码数据库成为一种经济有效的工具，生命条形码协会正集中研究在所有生物当中都存在的一个基因——细胞色素氧化酶1（CO1，cytochrome coxidase 1）的一部分。这部分DNA序列能够区分出物种差异，其方式与超市利用条形码区分不同品牌的同种商品几乎一

样。

“对于大部分动物群体而言，利用CO1基因的方法十分有效。因此，如果要使用条形码技术的话，应该从那里开始。”赫伯特说。

CO1基因位于细胞线粒体中，只能从母体中遗传（大部分在细胞核中找到的基因是从母体和父体共同遗传下来的）。赫伯特指出，线粒体DNA积聚突变的速度比核DNA快10倍。因此，关系密切的物种之间，线粒体DNA的差别要大于核DNA的差别，因而也更容易区分不同的物种。

赫伯特说，CO1基因很容易从许多动物中分离出来，有很大一部分的动物生命已显示出有截然不同的CO1序列。然而，CO1对于维管束植物（用导管输送液汁的植物，如蕨类和开花植物等）优势不十分明显。

在本月的会议上，科学家将讨论能快速确定物种的植物基因。

被隐藏的新种群

2004年10月发表的两项研究阐明了DNA条形码的功能。发表在《大众科学图书馆生物卷》（PLoS Biology）的一篇论文当中，由赫伯特带领的研究人员为260种北美鸟类排出了DNA条形码序列。结果发现，每只鸟都有单独的条形码，而种类间的差别，平均比同一种类不同个体之间的差别高出18倍。

在研究过程中，赫伯特和同事还在4个种类当中发现各存在两种不同的CO1条形码的组。这表明，原来认为的1个种类，实际上由2个种类组成。DNA条形码显示出了北美鸟类的4个新品种。

另一项研究中，由宾夕法尼亚大学的生物学家丹尼尔·詹曾带领的研究人员运用DNA条形码证实了1种在哥斯达黎加常见的蝴蝶——Astraptes fulgerator，实际上是10种蝴蝶。这项研究发表在美国科学院院刊上。

当研究人员意识到，捕捉到的2500只野生Astraptes fulgerator幼虫能根据其不同的颜色和对食物的喜好分成几个不同组时，他们想到了存在许多不同种类的可能性。然而，成年的蝴蝶是不能区分的。詹曾指出，“如果给Astraptes fulgerator种群范围界定很广的话，不难想象其中可能包含了许多被隐藏的种群。”

最响亮的批评声

加州大学伯克利分校的脊椎动物学家克雷格·莫里茨和卡拉·西塞罗在《大众科学图书馆生物卷》发表了对赫伯特北美鸟类研究的评论。他们质疑这项技术能否可靠地区分近缘种的差异——这是对DNA条形码的批评中最响亮的声音。

他们指出，DNA条形码技术与其它分类学方法结合使用，能够帮助区别个体以及加快发现新种类的速度，但他们对该技术在何时何地使用持怀疑态度，指出“最大的挑战存在于热带