基于DNA条形码技术及其在物种检测中的应用

２０１８年　第１３卷

第５期ꎬ７６￣８６生态毒理学报

AsianJournalofEcotoxicologyVol.13,2018No.576￣86

基金项目:国家重大“水专项”课题(2017ZX07602￣002,2018ZX07208￣002) 作者简介:孙晶莹(1992￣)ꎬ女ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向为分子生态学ꎬE￣mail:sunjingying2015@ꎻ *通讯作者(Correspondingauthor)ꎬE￣mail:zhangxw@DOI:10.7524/AJE.1673￣5897.20180108001孙晶莹,杨江华,张效伟.环境DNA(eDNA)宏条形码技术对枝角类浮游动物物种鉴定及其生物量监测研究[J].生态毒理学报ꎬ2018,13(5):76￣86SunJY,YangJH,ZhangXW.IdentificationandbiomassmonitoringofzooplanktonCladoceraspecieswitheDNAMetabarcodingTechnology[J].Asi￣anJournalofEcotoxicology,2018,13(5):76￣86(inChinese)

环境ＤＮＡ(ｅＤＮＡ)宏条形码技术对枝角类浮游动物物

种鉴定及其生物量监测研究

孙晶莹ꎬ杨江华ꎬ张效伟*

污染控制与资源化研究国家重点实验室ꎬ南京大学环境学院ꎬ南京210023收稿日期:2018￣01￣08 录用日期:2018￣02￣28

摘要:环境DNA(eDNA)宏条形码(Metabarcoding)技术越来越多地被应用于环境中物种定性识别ꎬ但如何定量监测物种在环境中的丰度尚未得到解决ꎮ本研究以太湖流域常见的5种浮游动物拟同形溞、大型溞、蚤状溞、多刺裸腹溞、老年低额溞为研究对象ꎬ建立了一种基于eDNA宏条形码技术的物种定量方法ꎬ并与实时荧光定量PCR(qPCR)相比较ꎬ研究了eDNA宏条形码技术多物种定量的准确性ꎮ结果表明ꎬPCR引物对eDNA宏条形码的物种检测和定量影响显著ꎮ313bpCOI313引物对浮游动物物种覆盖度高ꎬ但是物种间DNA扩增的偏好性大ꎬ不适用于eDNA宏条形码定量检测ꎮ基于COI序列重新设计的短COI116引物能够同时检测出所有5个物种ꎮ荧光定量PCR(qPCR)物种拷贝数与物种相对占比呈正相关ꎮeDNA宏条形码所检出每个物种的序列数与qPCR定量拷贝数高度一致ꎮ综上ꎬeDNA宏条形码技术可实现对浮游动物物种的半定量检测ꎬ在生物多样性监测和生物完整性评价有显著的应用价值ꎮ关键词:eDNA宏条形码ꎻ生物多样性ꎻqPCRꎻ引物偏好ꎻ生物完整性ꎻ物种丰度ꎻ相对丰度文章编号:1673￣5897(2018)5￣076￣11 中图分类号:X171.5 文献标识码:A

利用DNA条形码研究海洋生物的物种鉴定和遗传多样性

DNA条形码（DNA barcoding）是一种通过分析物种特定的DNA序列来进行物种鉴定和遗传多样性研究的方法。它基于物种间的DNA序列差异，可以准确、快速地鉴定物种和评估遗传多样性。在海洋生物的研究中，DNA条形码已经广泛应用，并取得了重要的研究成果。本文将讨论DNA条形码在海洋生物物种鉴定和遗传多样性研究中的应用，并从实战角度分析其优势和局限性。

首先，DNA条形码在海洋生物物种鉴定方面具有独特优势。在海洋环境中，许多物种的形态特征相对较为相似，很难通过传统的形态学特征来区分它们。而DNA条形码利用特定的DNA序列，可以在比较大的范围内区分不同的物种。例如，在鱼类物种鉴定中，传统的形态学特征往往无法有效地鉴定纷繁复杂的鱼类物种，但是利用线粒体DNA的COI基因进行DNA条形码分析，就可以准确地鉴定不同的鱼类物种。同样地，在海洋动物和植物的鉴定中，DNA条形码也能够提供高度准确的物种鉴定结果。

其次，DNA条形码在海洋生物遗传多样性研究中具有重要意义。海洋生物的遗传多样性是生物多样性的重要组成部分，对于了解海洋生态系统的结构和功能具有重要意义。DNA条形码可以通过分析不同物种之间的遗传差异来评估海洋生物的遗传多样性。例如，可以利用DNA条形码来研究不同物种的遗传结构、基因流动性以及遗传变异的程度。这些信息对于制定保护策略、评估生态系统的健康状态以及维护海洋生物多样性具有重要指导意义。

然而，DNA条形码在海洋生物研究中也存在一些局限性。首先，物种鉴定所依赖的DNA条形码序列必须是高度保守的序列，以确保在不同物种之间有足够的差异。然而，在某些物种中，在COI基因上显示出的差异不足以进行物种鉴定。因此，在选择适合的DNA条形码序列时，需要对目标物种的遗传变异进行充分的研究。其次，海洋生物在不同地理区域的遗传结构可能存在明显的差异，这对海洋生物物种鉴定和遗传多样性研究提出了挑战。由于海洋环境的广袤性和复杂性，不同地理区域中海洋生物的遗传差异可能很大，因此需要对不同地区的遗传差异进行深入研究和分析。

基于DNA条形码技术的野生种群遗传多样性研究

DNA条形码技术是一种新兴的遗传分析技术，可以从微量的组织样本中提取物种特异性基因序列并进行快速鉴定及分析。利用这一技术，科学家们可以研究野生种群的遗传多样性，从而为野生动植物保护及管理提供帮助。本文将深入探讨基于DNA条形码技术的野生种群遗传多样性研究。

一、 DNA条形码技术的原理及优势

DNA条形码技术是基于物种特异性基因的多态性进行鉴定的，常用基因包括COI（线粒体细胞色素c氧化酶亚基I）、rbcL（叶绿体核糖体大亚基）等。其原理在于，对于同一物种的不同个体，这些基因的序列存在较高的一致性，而不同物种的基因序列则存在较大的差异性，因此可以通过对这些基因进行PCR扩增及序列测定来进行物种鉴定和分类。

与传统的遗传分析方法相比，DNA条形码技术具有以下优势。首先，它可以从微量的组织样本中提取DNA进行分析，不需要有大量的样本，非常适合野生动植物的遗传分析。其次，鉴定速度快，可以在短时间内进行大量的样本鉴定。最后，由于DNA条形码技术是基于基因序列的分析，因此结果更加准确可靠。

二、野生种群遗传多样性的研究方法

野生种群的遗传多样性是指该种群内不同个体间的遗传差异，是对该物种适应环境及对抗外界压力的有效保护。因此，通过研究野生种群的遗传多样性可以了解其遗传结构、遗传变异情况及基因流动态等信息，从而为物种保护及管理提供科学依据。

在野生种群遗传多样性的研究中，选择合适的基因序列进行分析是关键。目前常用的基因包括COI、rbcL、ITS（核糖体内转录间隔区）等。然后，利用PCR技术进行扩增，并对扩增的产物进行测序。将所得到的序列进行比对、物种鉴定和分类，从而研究不同种群间的遗传差异及多样性情况。此外，也可以利用分子标记技术如AFLP（扩增片段长度多态性）等进行遗传多样性分析。

三、野生种群遗传多样性研究的应用

野生种群遗传多样性的研究可以为物种保护及管理提供帮助。首先，通过研究不同种群间的遗传差异及多样性情况，可以为生态恢复及保护区规划提供科学依据。其次，对于处于濒危状态的物种，通过研究其遗传多样性情况可以了解其濒危原因以及可能的生态适应策略。最后，对于外来物种入侵及控制，野生种群遗传多样性研究也具有重要的应用价值。

DNA条形码技术研究进展

摘要：

DNA条形码（DNA barcoding）是近几年国际生物学研究的重点，即通过使用短标准核酸片段，对物种进行快速、准确的识别和鉴定。该技术在动物研究中采用线粒体COI基因中650bp片段，在植物中条形码主要在叶绿体基因组上进行选择，此外还有核基因ITS等。虽然DNA条形码研究还处于起步阶段，面临巨大的挑战，但是越来越多的研究表明DNA条形码可以广泛应用于生物的分类和鉴定，是一种简便、高效、准确的物种鉴定技术。本文简略的概述了DNA条形码的主要研究方法，开发应用以及面对的困难和争议，并展望该技术在生命科学领域的发展前景。

关键词：DNA条形码，物种鉴定，分类

引言

科学准确的鉴别区分物种是进一步开展深入研究的和利用的前提和基础。自瑞典植物学分类家Carolus Linnaeus建立双名法命名体系以来，虽然已经鉴定出大约一百七十万种生物，但是地球生物种类繁多，已鉴定分类的物种斤占生物总数约15%，人类仍然没有认识鉴定的物种占大多数，尤其是深海，原始丛林中的物种。

传统生物分类法主要依据形态学特征，比较解剖学等，在形态特征显著的脊椎动物，高等植物，昆虫等生物类群中应用效果较好，对形态差异较小的微小生物则差强人意，此外许多生物的形态容易受环境及生理时期影响，会导致分类产生误差。

自上世纪五十年代DNA双螺旋结构提出以来，人类对遗传物质的认识与日俱增，特别是PCR技术、测序技术和生物信息学技术的飞速发展，推动了利用DNA蕴藏的信息对系统发育学的快速发展，并应用至生物分类学研究。

条形码技术是现代零售业发展的需求而产生的，在零售业的商品管理与销售中发挥了无法替代的关键作用。生物分类学家从中得到启示，DNA分子一级结构上的线性核苷酸序列可以建立类似的生物条形码，应用于快速鉴别生物。基于此，加拿大Guelph大学教授Hebert等（2003a）首次提出DNA条形码（DNA barcoding）概念：利用足够变异且容易扩增的相对相对较短的标准DNA片段，在种内的特异性和种间的多样性中建立的一种新的生物身份识别系统从而实现对物种进行快速、准确的识别和鉴定。