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DNA条码技术 使所有物种都有独特身份证

DNA条码技术 使所有物种都有独特身份证

摘要:包括指纹、照片等信息的个人DNA身份证中国青年报讯,10年前,用一种简便易行的方法把物种一一归类似乎是一项不可能的任务,但是感谢DNA条码技术,如今地球上所有的物种都可能拥有一份独特的“身份证”。扫描

包括指纹、照片等信息的个人DNA身份证

中国青年报讯,10年前,用一种简便易行的方法把物种一一归类似乎是一项不可能的任务,但是感谢DNA条码技术,如今地球上所有的物种都可能拥有一份独特的“身份证”。

扫描生命的条码

跑狗网在超级市场的收银台前排队等候结账是一件令人感到无聊的事情,但是如果没有条码,你可能会感到更加无聊——如今,几乎所有的超级市场的商品上都印有粗细、间隔不同的黑白条纹图案。利用光学识别系统,可以很容易地把保存在这种条纹图案上的信息阅读出来,从而加快顾客结账的速度。

多年以来,生物分类学家一直在寻找能够迅速区分不同物种的方法。传统的分类学鉴定依赖于针对物种外观或者解剖特征的识别,这种方法既费时费力,又可能出现错误。如果每一个物种都携带有表明自己身份的“条码”,那么物种分类和鉴定工作将得到很大简化。

但是这样一种条码存在吗?当然,把一种生物的全部DNA信息和已知的DNA数据库进行比较,也可以用于鉴别物种,但是没有人会这样做,因为这一方法实在过于昂贵和低效了。科学家希望找到一种特别的DNA标签,它既不算太长,又具有独特性。

2003年年初,加拿大圭尔夫大学的生物学家保罗·赫伯特(Paul Hebert)和他的同事在《英国皇家学会学报B辑》上发表了一篇论文,提出用一种基因的序列作为鉴别不同物种的“条码”。被赫伯特等人选中的这一基因是线粒体的细胞色素c氧化酶I基因(COI基因)。线粒体为细胞提供能源,它拥有一套独立于细胞核的DNA。在过去,科学家也曾把线粒体DNA当做一种走时准确的“分子钟”,从而绘制出生物的进化历史。

跑狗网“COI基因很有效,因为线粒体DNA进化的速度很快,因此可以把年轻的物种区分开来。”赫伯特告诉笔者。COI基因的约650个“字母”,构成了每一个物种的DNA条码。这是进化带来的遗产:在过去的某个时代,一个物种分化成了两个不同的物种,它们的COI基因也就走上了不同的进化道路。然而,对于同一物种,COI基因基本上是相同的。

测定COI基因也很简单,因为它只有几百个“字母”的长度。这对于现代测序仪器而言简直易如反掌。而且由于COI基因来自线粒体,它的拷贝数量更多(因为一个细胞只有一个细胞核,却有许多线粒体)。测定一次COI基因只需要数美元的费用。测出一份样本中的COI基因的序列之后,把它们与已经测定完成的序列相比较,就可以知道该样本是否属于某个已知物种,而不需要利用传统的分类学方法进行鉴定。

事实上,传统分类学可能在一些时候犯了错误。2004年,赫伯特的研究组分析了哥斯达黎加的一种蝴蝶。这并不是一种蝴蝶:这组科学家在分析了将近500只蝴蝶的条码之后,发现它们分别属于10个物种。他们的这项研究成果发表在《公共科学图书馆·生物学》杂志上。同年,赫伯特等人还测定了200多种北美鸟类标本的条码,用于验证DNA条码的效果,他们还发现了此前被划为同一物种的鸟类其实属于几个物种。

2007年年初,赫伯特等人又将北美鸟类的DNA条码数据扩展到了600多种,约占北美所有鸟类的90%以上。这表明了DNA条码技术在鉴定鸟类物种方面是可行的。

还有更大的DNA条码计划正在实施。例如,一个称为生命条码数据系统(BOLD)的网络数据库正在收集整理目前已经测序的DNA条码。

迄今为止,地球上大约170万个物种已经得到了正式分类和命名,但是科学家估计这不过是实际存在的物种数量的很小一部分——可能还有至少超过1亿种生物没有登记在案。而国际生命条码项目(iBOL)打算在5年内完成50万个物种的条码测定工作。

从赫伯特提出利用COI基因为动物建立DNA条码,到大规模测序的启动,其间不过几年时间。赫伯特说,他认为DNA条码领域迅速兴起是因为存在对物种鉴别的巨大需求,同时DNA条码已被证明可以提供有效的身份识别。“我还相信,自动化识别的前景存在着巨大的吸引力。”

赫伯特等人甚至设想了手持式的DNA条码扫描设备(就像超级市场的条码扫描枪)。有了这样的设备,可以改善诸如进出口检疫等领域的工作——随着全球交通运输的迅速发展,越来越多的外来物种搭乘飞机或者轮船来到其他的国家,对那里的生态造成了威胁。迅速的DNA条码识别可以有效阻止外来物种的入侵。

2001年,成都新生男婴龙威获得了一份特殊的身份证——全国首份DNA基因识别身份码

血渍的研究

DNA条码技术也可能用于避免航空事故。尽管鸟类的身体看上去脆弱无比,飞机与鸟类相撞的后果(尤其是高速飞行的飞机)可能是灾难性的。如今,美国联邦航空管理局和军方正在利用DNA条码技术分析与飞机相撞的鸟类种类。“知道了哪些鸟类经常与飞机相撞,以及时间、高度和迁徙路线,就可能避免每年数千起鸟类和军用、民航飞机相撞事故中的一部分。”美国史密森学会的卡拉·德弗(Carla Dove)说。

弄清物种的身份对于控制某些传染病也有重要的意义。“蚊子条码计划”是生命条码联盟(CBOL)发起的一个展示性质的项目。该计划打算测定全世界3000多种已知蚊子中的80%。迄今为止,已经有超过250种蚊子的条码被测定了出来。

蚊子的条码数据可以帮助控制通过蚊子传播的疾病,例如疟疾、西尼罗河病毒和登革热。全世界每年有5亿人感染疟疾。这种疾病的病原体是通过蚊子叮咬人类传播的。但是并非所有的蚊子都能传播疟疾,借助蚊子条码,人们就可以更有针对性地控制传播疟疾的蚊子,包括发现蚊子幼虫的栖息地并喷洒杀虫药。

尽管仍然是一项新兴技术,DNA条码已经给人们带来了一些意外的发现。今年早些时候,美国自然历史博物馆的马克·希德尔(Mark Siddall)领导的一个研究组报告说,他们发现在医学和科研领域使用的一种医用水蛭的身份存在问题。

数个世纪以来,水蛭这种能吸血的动物被用于某些医疗目的,包括治疗头疼、发热、肥胖等等,尽管事实上水蛭并不能治疗这些疾病。现代医学也使用水蛭,例如,水蛭可以用于清除断指再植患者的淤血。科学家也把水蛭当做实验动物,因为它能产生抗凝血的物质,而且它也可以用于神经科学和发育生物学的研究。如今,被美国食品与药品管理局批准临床使用的水蛭被称为欧洲医蛭。由于欧洲医蛭的栖息地不断减少,目前欧洲医蛭多数是人工养殖的。

但是,希德尔的研究组利用DNA条码技术发现了目前市场上的欧洲医蛭大多数是它的一种近亲。事实上,他们发现此前被认为是一个物种的“欧洲医蛭”其实是由至少三个物种组成的。这些水蛭的形态很相近,以至于此前几乎没有人注意到这种“鱼目混珠”的情况。这项研究的成果意味着过去几十年的科学文献中提到的欧洲医蛭至少有一部分是其他的水蛭。

植物的难题

跑狗网从一开始的时候,科学家就意识到了COI基因可能无法用于植物条码。“线粒体DNA在植物中的进化速度太慢了,以至于COI基因不能成为一个有效的身份系统。”赫伯特说。2003年,赫伯特在史密森学会的一次会议上呼吁植物学家寻找植物中类似于COI基因那样可以充当条码的基因。然而在4年之后,他们仍然没有就植物条码达成一致意见。

他们寻找植物条码的大方向是一致的。使用细胞核DNA可能面临拷贝过少的问题,线粒体在植物中的进化速度又太慢。看上去一个不错的选择是植物特有的叶绿体。叶绿体是植物的太阳能工厂,负责把太阳能转换成化学能,供植物使用。与线粒体类似,叶绿体也拥有自己的DNA。

跑狗网史密森学会下属的全国自然历史博物馆的约翰·克雷斯(John Kress)的研究组提出的方案是使用一个名为rbcL的叶绿体基因作为植物的DNA条码。克雷斯发现,这个基因可以用于有效地识别一些植物,但是对于另外一些植物,它就不太有效了。于是他提出增加另外一个基因从而提高条码的可靠性。其他的条码基因候选者包括英国皇家植物园的马克·蔡斯(Mark Chase)等人提出的三个基因的方案。韩国高丽大学的金基重等人也提出了用三个基因作为植物DNA条码的方案。

生命条码联盟的执行秘书大卫·辛德尔(David Schindel)说,目前有几个不同的研究组正在测试不同的候选基因区域在鉴别各种植物上的效果,有数个区域值得认真考虑,他们希望最终有两到三个区域就足以担任植物DNA条码的任务了。他对最终的解决方案持乐观的态度。

“我认为我们只要几个月时间就可以找到这个问题的实际解决方案了。”辛德尔说。

 

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