科学家在种子植物DNA条形码研究方面取得重要进展

2011-11-25 15:32 来源: 中国科学院
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  DNA条形码(DNA Barcoding)是利用标准基因片段对物种进行快速和准确鉴定的新技术。加拿大科学家Paul Hebert等于2003年提出这一概念后,DNA条形码已成为生物学领域发展最迅速的学科前沿之一。线粒体细胞色素C氧化酶基因CO1由于其引物通用性高、长度合适、进化速率较快、可以区分近缘物种等优点,已成为较为理想的动物DNA条形码。随后,Hebert等人发起了“国际生命条形码计划”,并提出了实施方案框架。

  由于植物线粒体基因进化速率较慢,CO1基因不能用做植物DNA条形码。筛选有效的植物DNA条形码已成为国际生命条形码研究的首要任务之一。从2005年至今,美、英、韩等国多个研究组提出了若干个植物DNA条形码或条形码组合的动议。2009年8月,国际生命条形码联盟(CBOL)植物工作组推荐rbcL+matK组合作为陆生植物的DNA条形码,在同年11月被第三届国际生命条形码大会确定为核心条形码。由于该组合条形码尚存在研究样本量偏小和物种分辨率低等问题,大会建议trnH-psbA和ITS作为辅助条形码,并在2011年下半年前对相关条码进行进一步评价,以最终确定通用的植物DNA条形码。

  作为对国际生命条形码联盟这一建议的回应,2009年8月起,在中国科学院大科学装置开放研究项目“依托种质资源库的植物DNA条形码研究”的支持下,中国科学院昆明植物研究所李德铢研究员联合全国19个科研院所和高校62名研究人员组成的“中国植物条形码研究团队(China Plant BOL Group)” (名单见http://english.kib.cas.cn/images/2011-10-28.pdf),深入开展了种子植物DNA条形码的研究。研究团队根据对主要来自中国的种子植物75科141属1757种共约6286个样本(每个种至少2个样本)的四个DNA候选条形码片段(rbcL, matK, trnH-psbA和ITS)引物通用性、序列质量和物种分辩率等的综合分析,发现三个质体DNA候选条形码片段具有较高的通用性;核糖体核DNA候选条形码ITS在被子植物中的通用性较高,而在裸子植物中稍低。研究还发现,ITS具有最高的物种分辩率,与三个质体DNA条形码片段的任何一个组合均可分辨69.9-79.1%的物种,显著高于rbcL +matK条形码组合49.7%的分辨率。此外,ITS的部分序列ITS2也表现出较高的物种分辨率。因此,研究团队建议将ITS作为种子植物的核心DNA条形码(rbcL+matK +ITS),同时强调了利用多个样本取样和不同遗传方式的DNA片段开展植物DNA条形码研究的重要性。

  该文于11月18日在线发表于《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences USA)(China Plant BOL Group 2011, PNAS, 108: 19641–19646. doi: 10.1073/pnas.1104551108)。

  继2009年由10个国家24个研究单位52名研究人员组成的CBOL植物工作组对7个植物DNA候选条形码片段评价后,“中国植物条形码研究团队”的此项研究是组织规模最大、获得数据量最丰富和参加人员最多的一项。该文也是该研究团队2011年5月在Journal of Systematics and Evolution组织发表“中国植物DNA条形码研究”专辑后又一重要研究成果。国际生命条形码联盟植物工作组主席Pete Hollingsworth教授应邀发表专题评论(PNAS, doi: 10.1073/pnas.1116812108),对中国研究团队的工作给予了高度评价。他指出,研究团队通过大样本取样的比较分析,对ITS序列的优缺点进行了综合评估,对将ITS纳入植物条形码的常规运用提供了有说服力的研究案例。他强调,该文的发表代表将DNA序列数据纳入植物物种水平分类和鉴定常规应用迈出了重要一步。

图1、不同条形码和条形码组合的物种分辨率比较

图2、不同条形码和条形码组合基于四种分析方法的物种分辨率比较