DNA條形碼技術(shù)在漁業(yè)資源研究中的應(yīng)用展望

李樂康，張頌，王先勇，方磊

摘要：從DNA條形碼技術(shù)的研究現(xiàn)狀、篩選要求、鑒定優(yōu)勢(shì)等方面進(jìn)行了介紹，并歸納總結(jié)了DNA條形碼技術(shù)在漁業(yè)資源研究中的優(yōu)勢(shì)、應(yīng)用方向，以及可能遇到的問題，以期對(duì)漁業(yè)資源研究中的DNA條形碼應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：DNA 條形碼;漁業(yè)資源;物種鑒定

中圖分類號(hào)：R282.5 ?S932 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DNA條形碼技術(shù)是一種物種鑒定新技術(shù)，2003年，由加拿大生物分類學(xué)家Paul Hebert等受到條形碼技術(shù)的啟發(fā)，首次正式提出DNA條形碼的概念[1]，即利用DNA的線性核苷酸排列建立類似的條形碼，得到了生物學(xué)界的普遍認(rèn)可并迅速發(fā)展。2004年生物條形碼聯(lián)盟成立，2007年加拿大Guelph大學(xué)組建了第一個(gè)DNA barcoding鑒定中心，2009年“國(guó)際生命條形碼計(jì)劃”正式啟動(dòng)。DNA條形碼技術(shù)是指通過基因組內(nèi)一段足夠變異的、較短的標(biāo)準(zhǔn)DNA片段來建立DNA標(biāo)記與物種信息之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而建立一種生物信息識(shí)別系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物種的快速、準(zhǔn)確鑒定[2-3]。

漁業(yè)資源又稱水產(chǎn)資源，是指水域中具有開發(fā)利用價(jià)值的魚、甲殼類、貝、藻和海獸類等經(jīng)濟(jì)動(dòng)植物的總體。漁業(yè)資源的儲(chǔ)備量和生物多樣性是漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。一直以來我國(guó)都是漁業(yè)大國(guó)，2016年全社會(huì)漁業(yè)經(jīng)濟(jì)總值達(dá)到了23662.29億元。但隨著社會(huì)發(fā)展和環(huán)境變化，一些種群退化、甚至遭到滅絕，維持最大程度的生物多樣性被認(rèn)為具有更大的迫切性。因此，正確的認(rèn)識(shí)和區(qū)分物種十分重要，DNA條形碼技術(shù)作為分類學(xué)中新興的方便、快捷、準(zhǔn)確的鑒定手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)物種的快速識(shí)別。

1 ?DNA條形碼技術(shù)的研究現(xiàn)狀

目前，動(dòng)物、植物、微生物物種的DNA條形碼都得到了各方學(xué)者的普遍關(guān)注和廣泛研究，其中動(dòng)物DNA條形碼研究進(jìn)行的最早。2003年Hebert等比較了11門13320個(gè)擁有相近親緣關(guān)系的同屬物種COI序列，發(fā)現(xiàn)種間差異約11.3%，而種內(nèi)差異僅約為1%。另外通過研究線粒體基因色素細(xì)胞C氧化酶亞單位I（COI）的結(jié)構(gòu)、突變特點(diǎn)、攜帶的進(jìn)化信息及引物通用性設(shè)計(jì)等方面的特點(diǎn)，綜合考慮，提出使用該基因片段（約650bp）作為動(dòng)物的DNA條形碼[4]。目前該基因片段所為DNA條形碼已經(jīng)在魚類[5-6]、鳥類[7-9]、節(jié)肢動(dòng)物[10]、軟體動(dòng)物[11]、哺乳類[12]、兩棲類[13]等動(dòng)物的研究上獲得了成功，對(duì)動(dòng)物物種的分辨率達(dá)到了95%[14]，COI已被國(guó)際生命條形碼聯(lián)盟確定為動(dòng)物物種鑒定的標(biāo)準(zhǔn)條形碼[15]。植物的線粒體遺傳分化小、進(jìn)化速度慢，因此COI基因片段并不適合植物條形碼的研究[16-17]。2009年墨西哥召開的第三屆國(guó)際DNA條形碼會(huì)議上，國(guó)際生命條形碼聯(lián)盟植物工作組初步確定了葉綠體基因片段rbcL和matK聯(lián)合使用作為植物DNA條形碼的標(biāo)準(zhǔn)片段[18]。微生物DNA條形碼的研究工作主要集中在真菌類群，ITS已經(jīng)廣泛應(yīng)用與真菌的分類鑒定中，對(duì)真菌物種的分辨率達(dá)到72%[19-21]。

2 ?DNA條形碼的篩選要求

理想的DNA條形碼應(yīng)滿足的標(biāo)準(zhǔn)為[22-23]：

2.1 ?合適的進(jìn)化速率

在生物進(jìn)化的過程中，DNA進(jìn)化的速率不同，候選條形碼的序列需要具備合適的進(jìn)化速率，種間差異大，種內(nèi)差異小，存在條形碼間隙;

2.2 ?足夠的遺傳信息

候選條形碼的DNA序列需具備足夠多的遺傳信息，便于區(qū)分不同等級(jí)的生物物種;

2.3 ?實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化

對(duì)不同物種、不同類群實(shí)現(xiàn)DNA標(biāo)準(zhǔn)化操作，使用同一位點(diǎn);

2.4 ?序列保守

候選序列兩端具有高度保守性，便于設(shè)計(jì)物種間的通用引物，易于擴(kuò)增，且序列長(zhǎng)度應(yīng)便于擴(kuò)增，且能夠完成破損樣本的DNA分析。

3 ?DNA條形碼的鑒定優(yōu)勢(shì)

地球上生物種類豐富，達(dá)到一百五十多萬種[24]，傳統(tǒng)的分類學(xué)鑒定是依照形態(tài)學(xué)及解剖學(xué)特征，并按照林奈雙名法命名分類。然而，能夠分類鑒定的物種僅占15%[25]，人類的識(shí)別能力有限，傳統(tǒng)的分類學(xué)專家也越來越少，分類學(xué)科發(fā)展滯后。相比于傳統(tǒng)的分類學(xué)鑒定，DNA條形碼具有明顯的優(yōu)勢(shì)[23、26-29]，具體包括：

⑴操作簡(jiǎn)單、方便、快捷，借助標(biāo)準(zhǔn)化操作和數(shù)據(jù)庫，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模樣本的鑒定，并且對(duì)操作人員的專業(yè)技能并沒有過高的要求，非專業(yè)人員經(jīng)過培訓(xùn)也可操作;

⑵準(zhǔn)確性高，被確定為DNA條形碼的序列具有特異性且非常穩(wěn)定，會(huì)避免傳統(tǒng)分類學(xué)出現(xiàn)的因性別、分類階段或環(huán)境條件造成的表型變化和工作人員的主觀經(jīng)驗(yàn)引起鑒定錯(cuò)誤，可以發(fā)現(xiàn)新種;

⑶樣本要求低，樣本個(gè)體非常小或非常大不易獵殺以及降解的樣本均能進(jìn)行鑒定，例如真菌、胃里面的食物碎片、排泄物和腐蝕樣本;

⑷信息共享方便，有專門的數(shù)據(jù)庫，信息進(jìn)行不斷的補(bǔ)充和更新，數(shù)據(jù)庫不斷完善。

4 ?DNA條形碼在漁業(yè)資源研究中的應(yīng)用方向

4.1 ?漁業(yè)資源生物多樣性的保護(hù)和系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化研究

我國(guó)漁業(yè)資源種類豐富，按水域分為內(nèi)陸水域漁業(yè)資源和海洋漁業(yè)資源，生物多樣性位居世界前列，如今，隨著人類活動(dòng)的過多干預(yù)，一些水生生物種群退化，還有很多種類遭受到了嚴(yán)重的威脅，比如江豚，更有的物種如白鱀豚走向滅絕。如何科學(xué)有效的保護(hù)生物多樣性已經(jīng)成為保護(hù)漁業(yè)資源最重要的任務(wù)，DNA條形碼技術(shù)除了快速、高效的鑒定物種外，更能準(zhǔn)確的計(jì)算出多樣性指數(shù)，預(yù)測(cè)生物多樣性格局，促進(jìn)生物多樣性的研究[30-31]。之前的研究表明，群落結(jié)構(gòu)定位是否準(zhǔn)確由系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系正確與否決定，DNA條形碼通過對(duì)基因序列的分析及數(shù)據(jù)處理，構(gòu)建生物系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系圖譜，完善人類對(duì)生物進(jìn)化關(guān)系的認(rèn)識(shí)，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)分類和研究的不足。Zemlak等利用DNA條形碼技術(shù)，成功重建了印度洋近海和遠(yuǎn)海的35種代表魚類系統(tǒng)分類關(guān)系[32]，Wong等利用DNA條形碼技術(shù)更好的研究了鯊魚種內(nèi)變異情況[33]。

4.2 ?珍稀水生野生動(dòng)物的科學(xué)保護(hù)和有效監(jiān)管

我國(guó)有很多珍稀水生動(dòng)物資源，在我國(guó)重點(diǎn)保護(hù)野生動(dòng)物名錄中，列入世界自然保護(hù)聯(lián)盟IUCN瀕危、極危級(jí)別的就約有35種，保護(hù)珍貴、瀕危水生野生動(dòng)植物及其棲息地對(duì)維護(hù)生態(tài)平衡，維持生態(tài)資源可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。此外，我國(guó)大量的珍稀物種包括水生生物被國(guó)外研究人員或商業(yè)機(jī)構(gòu)通過多種途徑帶出國(guó)門，對(duì)我國(guó)的生物資源造成了極大損失[34]，非法交易也是目前國(guó)際上難以有效避免的難題，傳統(tǒng)的技術(shù)手段很難對(duì)珍稀的生物資源進(jìn)行有效鑒定，DNA條形碼技術(shù)不但可以快速鑒別物種，還不受物種形態(tài)的影響，局部組織或經(jīng)過處理的樣本也能有效區(qū)分，從而提升海關(guān)等政府部門對(duì)生物資源有效監(jiān)管和保護(hù)的能力。DNA條形碼建立的大規(guī)模數(shù)據(jù)庫也為如何科學(xué)保護(hù)水生野生動(dòng)物提供有利參考。Armstrong等對(duì)10年內(nèi)新西蘭邊境截獲的石蠅標(biāo)本COI序列進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，鑒定結(jié)果與傳統(tǒng)手段的結(jié)果高度一致，但卻大大縮短了鑒定時(shí)間[35]。

4.3進(jìn)行有害水生生物和入侵水生生物的研究

社會(huì)發(fā)展的不斷進(jìn)步加速了國(guó)球一體化進(jìn)程，國(guó)內(nèi)、國(guó)際貿(mào)易往來和旅游業(yè)的快速發(fā)展也增加了外來物種入侵和有害生物傳播的幾率，檢驗(yàn)檢疫機(jī)構(gòu)是我國(guó)生態(tài)安全的重要屏障，然而樣品數(shù)量的激增和通過形態(tài)特征鑒定的效率低下已經(jīng)不能滿足相關(guān)業(yè)務(wù)的需要，遇到形態(tài)特征模糊不清的樣本，如殘片、糞便、卵等，更加難以用傳統(tǒng)的手段進(jìn)行鑒別，DNA條形碼進(jìn)行有害生物和入侵物種鑒定具有相當(dāng)顯著的優(yōu)勢(shì)，可以輔助傳統(tǒng)手段對(duì)檢驗(yàn)檢疫工作嚴(yán)格把關(guān)，維護(hù)我國(guó)生態(tài)安全不受侵害。

5 ?展望

DNA條形碼技術(shù)研究還有很多制約因素，完整的數(shù)據(jù)化平臺(tái)建立需要采集大量的樣本，整合大數(shù)據(jù)進(jìn)行DNA條形碼資源的共享，現(xiàn)在的研究水平，數(shù)據(jù)庫生物多樣性信息還不完善，DNA條形碼技術(shù)的應(yīng)用還具有局限性。此外，地理隔離對(duì)物種的影響讓鑒定結(jié)果存在不確定性，Sperling研究了大量昆蟲的COI序列發(fā)現(xiàn)，至少四分之一的物種不容易根據(jù)序列來區(qū)分[36]，因此，作為DNA條形碼的基因需要進(jìn)一步研究。DNA條形碼技術(shù)建立以來，取得了豐碩的研究成果，雖然這一技術(shù)還存在質(zhì)疑，但是其對(duì)分類學(xué)研究的推動(dòng)和應(yīng)用意義毋庸置疑，前景十分光明，其與傳統(tǒng)分類學(xué)相結(jié)合，必定會(huì)成為生物學(xué)研究的一種重要工具。在漁業(yè)資源的研究中，DNA條形碼技術(shù)也會(huì)發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)我國(guó)漁業(yè)資源的研究與保護(hù)，推動(dòng)水產(chǎn)科研事業(yè)的更好發(fā)展。

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