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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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當我們踏入一家超市，面對琳瑯滿目的商品的，我們不禁要感嘆現(xiàn)代社會商品種類的豐富程度已經(jīng)如此之高，生產(chǎn)運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，是什么讓這一切運轉(zhuǎn)的如此高效和順利呢？其實最關(guān)鍵的是信息化的引入，是電腦和數(shù)據(jù)庫的使用整個過程和流暢，其中最典型的例子就是條形碼的應(yīng)用。當我們付款的時候，收銀員只需將條碼對著識別器掃一下就會出現(xiàn)商品的價格，這是因為條碼的本質(zhì)上一套“語言”系統(tǒng)，只不過不是人可以閱讀的，而是計算機識別的，這些間隔和粗細不同的條帶構(gòu)成了基本語句，里面包含了商品的生產(chǎn)信息，運輸信息，價格信息等等。
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所以條形碼的核心就是用一套編碼的規(guī)則將獨一無二的信息編碼成一個唯一的識別碼。聽起來是很樸素的一個道理，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家根據(jù)自己的經(jīng)驗，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，真是讓人傻傻分不清 （圖1）。但往往現(xiàn)實中這種工作是必須的，比如在海關(guān)檢驗檢疫過程中，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家，在我們的印象中往往是頭發(fā)花白上了年紀的老頭，現(xiàn)在學習和研究分類學的人越來越少。那我們可以用什么呢？答案是分子，準確來講就是DNA序列，因為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基因，或者一段序列來代表這個物種呢？
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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖1， 帝王蝶的生活史
2003年加拿大圭爾夫大學的Paul Hebert等人提出了DNA條形碼的概念，他們通過對動物界中11門13320個物種分析后，正式提出將一段長648bp的線粒體細胞色素C氧化酶亞基I(cytochromecoxidaseI,COI)基因作為動物鑒定的通用條形碼序列。由于傳統(tǒng)分類學不能滿足現(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行種的鑒定，可以在更大范圍應(yīng)用于生態(tài)保護研究。DNA條形碼自提出以來，受到了世界各國分類和鑒定學家的高度重視，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)正在推動分類學的“文藝復興”。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)驗的障礙，通過建立標準數(shù)據(jù)庫，可實現(xiàn)快速準確的鑒定，是分子鑒定方法學上的創(chuàng)新。
如圖2所示，是DNA條形碼用來做物種鑒定的標準流程。第一步是從組織提取DNA；第二步通過PCR擴增出我們的目的片段；第三步是對PCR產(chǎn)物進行測序；第四步是將測序得到的結(jié)果和數(shù)據(jù)庫比對已得到相匹配的物種記錄。舉個例子，如果你去野外露營時，被不知名的蟲子咬了一口，擔心是否有毒？你可以將這個蟲子用酒精保存帶回來進行DNA條形碼測序。就可以準確知道物種的信息。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、出口貿(mào)易，有利于發(fā)現(xiàn)新種和保護生物多樣性，可實現(xiàn)有害生物及入侵種的快速查驗等。目前DNA條形碼技術(shù)在生物資源中的重要實踐，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準流程，圖片來源（https://ibol.org/about/dna-barcoding/）
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目前通過科學家的研究已經(jīng)在幾個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作為動物的通用條形碼序列，葉綠體上的rbcL和matK構(gòu)成的復合序列作為植物的鑒定條形碼；在細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）。然而在真實的況中，這些marker基因并不是完美的解決所有問題，也會出現(xiàn)失效的時候，比如在一些屬的物種中，物種之間的差別非常小，反倒同一個物種的不同個體間差異很大，這樣就會造成鑒定的錯誤。因此這時候就需要尋找其他的條形碼序列代替或者補充。在篩選DNA條形碼的時候，需要考慮其滿足這樣幾個條件：1）必須要在大部分物種中都存在這個基因或者片段；2）這個片段的長度不能太長也不能太短，太長會影響PCR過程，太短可能包含的信息就會太少，能夠編碼的信息就會越少；3）因為是需要PCR擴增，所以在這個片段的兩端需要有比較保守的序列特點，從而可以設(shè)計出通用的引物。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?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)盟建立的第一個國際DNA條形碼數(shù)據(jù)庫BOLD已收錄了30.6萬個物種的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)庫將得到不斷地補充和擴展，結(jié)合計算機信息系統(tǒng)，可實現(xiàn)物種鑒定的標準化和自動化，將在生物分類學方面發(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：
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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當我們踏入一家超市，面對琳瑯滿目的商品的，我們不禁要感嘆現(xiàn)代社會商品種類的豐富程度已經(jīng)如此之高，生產(chǎn)運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，是什么讓這一切運轉(zhuǎn)的如此高效和順利呢？其實最關(guān)鍵的是信息化的引入，是電腦和數(shù)據(jù)庫的使用整個過程和流暢，其中最典型的例子就是條形碼的應(yīng)用。當我們付款的時候，收銀員只需將條碼對著識別器掃一下就會出現(xiàn)商品的價格，這是因為條碼的本質(zhì)上一套“語言”系統(tǒng)，只不過不是人可以閱讀的，而是計算機識別的，這些間隔和粗細不同的條帶構(gòu)成了基本語句，里面包含了商品的生產(chǎn)信息，運輸信息，價格信息等等。
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所以條形碼的核心就是用一套編碼的規(guī)則將獨一無二的信息編碼成一個唯一的識別碼。聽起來是很樸素的一個道理，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家根據(jù)自己的經(jīng)驗，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，真是讓人傻傻分不清 （圖1）。但往往現(xiàn)實中這種工作是必須的，比如在海關(guān)檢驗檢疫過程中，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家，在我們的印象中往往是頭發(fā)花白上了年紀的老頭，現(xiàn)在學習和研究分類學的人越來越少。那我們可以用什么呢？答案是分子，準確來講就是DNA序列，因為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基因，或者一段序列來代表這個物種呢？
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2003年加拿大圭爾夫大學的Paul Hebert等人提出了DNA條形碼的概念，他們通過對動物界中11門13320個物種分析后，正式提出將一段長648bp的線粒體細胞色素C氧化酶亞基I(cytochromecoxidaseI,COI)基因作為動物鑒定的通用條形碼序列。由于傳統(tǒng)分類學不能滿足現(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行種的鑒定，可以在更大范圍應(yīng)用于生態(tài)保護研究。DNA條形碼自提出以來，受到了世界各國分類和鑒定學家的高度重視，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)正在推動分類學的“文藝復興”。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)驗的障礙，通過建立標準數(shù)據(jù)庫，可實現(xiàn)快速準確的鑒定，是分子鑒定方法學上的創(chuàng)新。
如圖2所示，是DNA條形碼用來做物種鑒定的標準流程。第一步是從組織提取DNA；第二步通過PCR擴增出我們的目的片段；第三步是對PCR產(chǎn)物進行測序；第四步是將測序得到的結(jié)果和數(shù)據(jù)庫比對已得到相匹配的物種記錄。舉個例子，如果你去野外露營時，被不知名的蟲子咬了一口，擔心是否有毒？你可以將這個蟲子用酒精保存帶回來進行DNA條形碼測序。就可以準確知道物種的信息。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、出口貿(mào)易，有利于發(fā)現(xiàn)新種和保護生物多樣性，可實現(xiàn)有害生物及入侵種的快速查驗等。目前DNA條形碼技術(shù)在生物資源中的重要實踐，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的應(yīng)用方面提供新思路。
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目前通過科學家的研究已經(jīng)在幾個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作為動物的通用條形碼序列，葉綠體上的rbcL和matK構(gòu)成的復合序列作為植物的鑒定條形碼；在細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）。然而在真實的況中，這些marker基因并不是完美的解決所有問題，也會出現(xiàn)失效的時候，比如在一些屬的物種中，物種之間的差別非常小，反倒同一個物種的不同個體間差異很大，這樣就會造成鑒定的錯誤。因此這時候就需要尋找其他的條形碼序列代替或者補充。在篩選DNA條形碼的時候，需要考慮其滿足這樣幾個條件：1）必須要在大部分物種中都存在這個基因或者片段；2）這個片段的長度不能太長也不能太短，太長會影響PCR過程，太短可能包含的信息就會太少，能夠編碼的信息就會越少；3）因為是需要PCR擴增，所以在這個片段的兩端需要有比較保守的序列特點，從而可以設(shè)計出通用的引物。
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目前，由國際生命條形碼聯(lián)盟建立的第一個國際DNA條形碼數(shù)據(jù)庫BOLD已收錄了30.6萬個物種的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)庫將得到不斷地補充和擴展，結(jié)合計算機信息系統(tǒng)，可實現(xiàn)物種鑒定的標準化和自動化，將在生物分類學方面發(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：
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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