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假如给物种贴上条形码
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假如给物种贴上条形码
当我们踏入一家超市，面对琳琅满目的商品的，我们不禁要感叹现代社会商品种类的丰富程度已经如此之高，生产运输以及管理的高效也让人赞叹不已。在这种惊叹和好奇之于，我们不由得发问，是什么让这一切运转的如此高效和顺利呢？其实最关键的是信息化的引入，是电脑和数据库的使用整个过程和流畅，其中最典型的例子就是条形码的应用。当我们付款的时候，收银员只需将条码对着识别器扫一下就会出现商品的价格，这是因为条码的本质上一套“语言”系统，只不过不是人可以阅读的，而是计算机识别的，这些间隔和粗细不同的条带构成了基本语句，里面包含了商品的生产信息，运输信息，价格信息等等。
所以条形码的核心就是用一套编码的规则将独一无二的信息编码成一个唯一的识别码。听起来是很朴素的一个道理，往往也是简单的规则就有更大的使用场景。这不，生物学家就在想，自然界这么多物种类别如何按照相同的思路构建出一套鉴定系统呢？传统的分类工作是通过分类学家根据自己的经验，通过肉眼观察将物种分门别类，划分到不同的分类单元（界门纲目科属种）。例如我们人就属于哺乳纲灵长目人科人属人种，和我们形态相近的猿类也属于灵长类。如果是大型的动物还好观察，但如果是非常小的昆虫，就不得不借助放大镜或者显微镜观察了，有时候甚至没有成虫，只有非常小的卵，这种情况下是很难鉴定出来是什么物种的。而很多昆虫都是全变态昆虫，他们的幼虫和成虫的形态相去甚远，真是让人傻傻分不清 （图1）。但往往现实中这种工作是必须的，比如在海关检验检疫过程中，水果和蔬菜里面残存的卵或者部分组织是需要快速准确的被鉴定出来的。以防物种入侵的危害。所以这种通过传统观察的方式似乎在某些情况下就显得无能为力了，换句话说这种由生物学特征组成的信息不适合作为快速分类的基础。另外这种通过观察的工作十分依赖分类学家，在我们的印象中往往是头发花白上了年纪的老头，现在学习和研究分类学的人越来越少。那我们可以用什么呢？答案是分子，准确来讲就是DNA序列，因为DNA遗传物种是目前发现所有的生物（真核和原核，除一些病毒的遗传物质可能是RNA）都具有的相同属性。DNA测序技术的发展使得我们研究生物的手段发生了根本性的转变。通过测序技术我们可以读到每个物种特有的一套基因组信息。我们是不是可以考虑从这些基因组上寻找一个基因，或者一段序列来代表这个物种呢？
图1， 帝王蝶的生活史
2003年加拿大圭尔夫大学的Paul Hebert等人提出了DNA条形码的概念，他们通过对动物界中11门13320个物种分析后，正式提出将一段长648bp的线粒体细胞色素C氧化酶亚基I(cytochromecoxidaseI,COI)基因作为动物鉴定的通用条形码序列。由于传统分类学不能满足现代物种鉴定的需求，DNA条形码技术利用较短的基因保守序列进行种的鉴定，可以在更大范围应用于生态保护研究。DNA条形码自提出以来，受到了世界各国分类和鉴定学家的高度重视，Nature发表了题为“DNA barcoding, a useful tool for taxonomists”的文章，文中指出DNA条形码是国际上近年来发展起来的物种鉴定新技术。Miller在PNAS上发表的文章中提出DNA条形码技术正在推动分类学的“文艺复兴”。DNA条形码技术摆脱了传统形态鉴定方法依赖长期经验的障碍，通过建立标准数据库，可实现快速准确的鉴定，是分子鉴定方法学上的创新。
如图2所示，是DNA条形码用来做物种鉴定的标准流程。第一步是从组织提取DNA；第二步通过PCR扩增出我们的目的片段；第三步是对PCR产物进行测序；第四步是将测序得到的结果和数据库比对已得到相匹配的物种记录。举个例子，如果你去野外露营时，被不知名的虫子咬了一口，担心是否有毒？你可以将这个虫子用酒精保存带回来进行DNA条形码测序。就可以准确知道物种的信息。DNA条形码技术应用于生物资源具有重大意义，可以有效监控珍稀濒危物种进、出口贸易，有利于发现新种和保护生物多样性，可实现有害生物及入侵种的快速查验等。目前DNA条形码技术在生物资源中的重要实践，比如应用于生物物种鉴定与分类，成为传统分类方法的有力补充，在珍稀濒危和贵重生物资源、海关贸易以及生物多样性保护的应用方面提供新思路。
图2，DNA条形码用来做物种鉴定的标准流程，图片来源（https://ibol.org/about/dna-barcoding/）
目前通过科学家的研究已经在几个基本的类群中找到了合适的marker基因用来做DNA条形码，比如COI作为动物的通用条形码序列，叶绿体上的rbcL和matK构成的复合序列作为植物的鉴定条形码；在细菌中使用核糖体中编码16SRNA的基因作为条形码，而在真菌鉴定中使用ITS序列（图3）。然而在真实的况中，这些marker基因并不是完美的解决所有问题，也会出现失效的时候，比如在一些属的物种中，物种之间的差别非常小，反倒同一个物种的不同个体间差异很大，这样就会造成鉴定的错误。因此这时候就需要寻找其他的条形码序列代替或者补充。在筛选DNA条形码的时候，需要考虑其满足这样几个条件：1）必须要在大部分物种中都存在这个基因或者片段；2）这个片段的长度不能太长也不能太短，太长会影响PCR过程，太短可能包含的信息就会太少，能够编码的信息就会越少；3）因为是需要PCR扩增，所以在这个片段的两端需要有比较保守的序列特点，从而可以设计出通用的引物。
图3， 不同类群的DNA条形码序列
目前，由国际生命条形码联盟建立的第一个国际DNA条形码数据库BOLD已收录了30.6万个物种的776.3万条DNA条形码序列（截止到2019年12月）。研究者可以登录系统通过物种名称来搜索相关物种的DNA条形码数据，或者提交序列来鉴定该物种的分类信息 （图4）。随着研究的不断深入，DNA条形码数据库将得到不断地补充和扩展，结合计算机信息系统，可实现物种鉴定的标准化和自动化，将在生物分类学方面发挥巨大作用。
图4，人的COI序列和条形码效果图，图片来源（http://v4.boldsystems.org/index.php/Public_RecordView?processid=CYTC005-12）
参考文献：
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.
陈士林 [1, et al. 生物资源的 DNA 条形码技术. Diss. 2013.
当我们踏入一家超市，面对琳琅满目的商品的，我们不禁要感叹现代社会商品种类的丰富程度已经如此之高，生产运输以及管理的高效也让人赞叹不已。在这种惊叹和好奇之于，我们不由得发问，是什么让这一切运转的如此高效和顺利呢？其实最关键的是信息化的引入，是电脑和数据库的使用整个过程和流畅，其中最典型的例子就是条形码的应用。当我们付款的时候，收银员只需将条码对着识别器扫一下就会出现商品的价格，这是因为条码的本质上一套“语言”系统，只不过不是人可以阅读的，而是计算机识别的，这些间隔和粗细不同的条带构成了基本语句，里面包含了商品的生产信息，运输信息，价格信息等等。
所以条形码的核心就是用一套编码的规则将独一无二的信息编码成一个唯一的识别码。听起来是很朴素的一个道理，往往也是简单的规则就有更大的使用场景。这不，生物学家就在想，自然界这么多物种类别如何按照相同的思路构建出一套鉴定系统呢？传统的分类工作是通过分类学家根据自己的经验，通过肉眼观察将物种分门别类，划分到不同的分类单元（界门纲目科属种）。例如我们人就属于哺乳纲灵长目人科人属人种，和我们形态相近的猿类也属于灵长类。如果是大型的动物还好观察，但如果是非常小的昆虫，就不得不借助放大镜或者显微镜观察了，有时候甚至没有成虫，只有非常小的卵，这种情况下是很难鉴定出来是什么物种的。而很多昆虫都是全变态昆虫，他们的幼虫和成虫的形态相去甚远，真是让人傻傻分不清 （图1）。但往往现实中这种工作是必须的，比如在海关检验检疫过程中，水果和蔬菜里面残存的卵或者部分组织是需要快速准确的被鉴定出来的。以防物种入侵的危害。所以这种通过传统观察的方式似乎在某些情况下就显得无能为力了，换句话说这种由生物学特征组成的信息不适合作为快速分类的基础。另外这种通过观察的工作十分依赖分类学家，在我们的印象中往往是头发花白上了年纪的老头，现在学习和研究分类学的人越来越少。那我们可以用什么呢？答案是分子，准确来讲就是DNA序列，因为DNA遗传物种是目前发现所有的生物（真核和原核，除一些病毒的遗传物质可能是RNA）都具有的相同属性。DNA测序技术的发展使得我们研究生物的手段发生了根本性的转变。通过测序技术我们可以读到每个物种特有的一套基因组信息。我们是不是可以考虑从这些基因组上寻找一个基因，或者一段序列来代表这个物种呢？
图1， 帝王蝶的生活史
2003年加拿大圭尔夫大学的Paul Hebert等人提出了DNA条形码的概念，他们通过对动物界中11门13320个物种分析后，正式提出将一段长648bp的线粒体细胞色素C氧化酶亚基I(cytochromecoxidaseI,COI)基因作为动物鉴定的通用条形码序列。由于传统分类学不能满足现代物种鉴定的需求，DNA条形码技术利用较短的基因保守序列进行种的鉴定，可以在更大范围应用于生态保护研究。DNA条形码自提出以来，受到了世界各国分类和鉴定学家的高度重视，Nature发表了题为“DNA barcoding, a useful tool for taxonomists”的文章，文中指出DNA条形码是国际上近年来发展起来的物种鉴定新技术。Miller在PNAS上发表的文章中提出DNA条形码技术正在推动分类学的“文艺复兴”。DNA条形码技术摆脱了传统形态鉴定方法依赖长期经验的障碍，通过建立标准数据库，可实现快速准确的鉴定，是分子鉴定方法学上的创新。
如图2所示，是DNA条形码用来做物种鉴定的标准流程。第一步是从组织提取DNA；第二步通过PCR扩增出我们的目的片段；第三步是对PCR产物进行测序；第四步是将测序得到的结果和数据库比对已得到相匹配的物种记录。举个例子，如果你去野外露营时，被不知名的虫子咬了一口，担心是否有毒？你可以将这个虫子用酒精保存带回来进行DNA条形码测序。就可以准确知道物种的信息。DNA条形码技术应用于生物资源具有重大意义，可以有效监控珍稀濒危物种进、出口贸易，有利于发现新种和保护生物多样性，可实现有害生物及入侵种的快速查验等。目前DNA条形码技术在生物资源中的重要实践，比如应用于生物物种鉴定与分类，成为传统分类方法的有力补充，在珍稀濒危和贵重生物资源、海关贸易以及生物多样性保护的应用方面提供新思路。
图2，DNA条形码用来做物种鉴定的标准流程，图片来源（https://ibol.org/about/dna-barcoding/）
目前通过科学家的研究已经在几个基本的类群中找到了合适的marker基因用来做DNA条形码，比如COI作为动物的通用条形码序列，叶绿体上的rbcL和matK构成的复合序列作为植物的鉴定条形码；在细菌中使用核糖体中编码16SRNA的基因作为条形码，而在真菌鉴定中使用ITS序列（图3）。然而在真实的况中，这些marker基因并不是完美的解决所有问题，也会出现失效的时候，比如在一些属的物种中，物种之间的差别非常小，反倒同一个物种的不同个体间差异很大，这样就会造成鉴定的错误。因此这时候就需要寻找其他的条形码序列代替或者补充。在筛选DNA条形码的时候，需要考虑其满足这样几个条件：1）必须要在大部分物种中都存在这个基因或者片段；2）这个片段的长度不能太长也不能太短，太长会影响PCR过程，太短可能包含的信息就会太少，能够编码的信息就会越少；3）因为是需要PCR扩增，所以在这个片段的两端需要有比较保守的序列特点，从而可以设计出通用的引物。
图3， 不同类群的DNA条形码序列
目前，由国际生命条形码联盟建立的第一个国际DNA条形码数据库BOLD已收录了30.6万个物种的776.3万条DNA条形码序列（截止到2019年12月）。研究者可以登录系统通过物种名称来搜索相关物种的DNA条形码数据，或者提交序列来鉴定该物种的分类信息 （图4）。随着研究的不断深入，DNA条形码数据库将得到不断地补充和扩展，结合计算机信息系统，可实现物种鉴定的标准化和自动化，将在生物分类学方面发挥巨大作用。
图4，人的COI序列和条形码效果图，图片来源（http://v4.boldsystems.org/index.php/Public_RecordView?processid=CYTC005-12）
参考文献：
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.
陈士林 [1, et al. 生物资源的 DNA 条形码技术. Diss. 2013.
听说，打赏我的人最后都找到了真爱。
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