摘要:DNA条形编码(DNAbarcoding)是一种快速、准确的生物分类技术,它是分子生物学和生物信息学相结合的产物。昆虫种类繁多,近似物种鉴定困难使该技术在昆虫分类工作中得到了广泛应用。文章简要综述了DNA条形码技术的概念、原理与操作步骤,详细阐述了DNA条形码技术在昆虫分类研究中的具体应用情况,对其在应用过程中相比传统形态分类方法的优势和存在问题予以论述,并探讨了DNA条形码技术今后在昆虫分类中应用的可行性与发展前景。
关键词:DNA条形码;昆虫分类学;研究进展
中图分类号:Q969 文献标志码:A 论文编号:cjas18050009
0引言
DNA条形码技术(DNA Barcoding)由分类学家Paul Hebert在21世纪初首次提出[1-2],作为分类学中一项辅助技术,它代表了一个新的发展方向[3],该技术的提出引起了越来越多生物学家的关注。在昆虫分类学发展史中,DNA条形码是自林奈双名法以来最为突出的变革,不仅促进了昆虫分类学和物种多样性研究进程的发展,而且对种群生态学、物种遗传学和个体分子系统发育等交叉学科的研究也起到积极的助推作用[4-5]。
1 DNA条形码概念
生命DNA条形码协会将DNA条形码定义为可以实现精准鉴定物种的一小段DNA标准序列。该技术通过对一个标准目的基因的DNA序列进行分析,利用线粒体细胞色素C氧化酶亚单位I(CO I)的特定标准区域做模板进行物种鉴定。概括地讲,DNA条形码核心技术是对已知的目标基因片段进行大范围的扫描验证,进而最终确定某个未知的物种或者发现新种[1-2,6]。
2 DNA条形码技术原理及操作过程
2.1 DNA条形码技术应用原理
应用DNA条形码的3个基本条件:(1)能够得到待定物种的DNA特定序列,即被鉴定物种的DNA标准区域;(2)目标DNA序列信息容易进行鉴别分析;(3)目标DNA序列位点信息可以成功鉴定分析相似物种[7-10]。如同商品零售业使用的条形编码,各物种的DNA序列都具备唯一性。在DNA序列的组成上,每个位点都有4种碱基可供选择,尽管由于自然选择的因素,个别位点上的碱基是固定的,会导致编码组合数减少,此现象可通过针对相关蛋白编码基因予以解决。由于在蛋白编码基因里密码子的简并性,其中第3位碱基通常不受自然选择的影响,而且物种间的遗传差异远远超过种内变异[1-2],可采用基于CO I基因序列的DNA条形码作为疑似昆虫物种鉴定的有效手段。
2.2 DNA条形码技术操作过程
通过PCR扩增和测序技术,对源自不同生物个体的同源DNA特定片段序列进行测序,然后对得到的DNA序列进行多重序列比对和聚类分析,从而将待定物种准确定位到一个己描述过的分类种群中。对某些物种来说,甚至可将其分布准确到特定的地理种群[11],具体包括以下几个操作步骤[12-13]:(1)样品的采集与预处理,(2)提取样本DNA,(3)DNA条形码标准目的基因的扩增,(4)PCR产物的纯化、序列测定以及分析。通过序列分析将所有序列进行双重比对并计算其差异值,根据差异值即可确定物种之间的近源关系。
3 DNA条形码技术在昆虫分类学中的应用
DNA条形码在昆虫分类中的应用技术是建立在传统形态分类学和现代分子技术基础上的交叉学科应用范畴,体现在先通过传统分类手段对物种个体有效特征进行形态上的识别和描述,而后随着分子技术的应用,个体特征识别又得以补充和完善[14]。Tautz等[15]最先提出把DNA序列作为主要平台应用于生物物种分类系统中,即DNA分类学(DNA Taxonomy)建立的雏形。Hebert等[1-2]最先提出利用线粒体细胞色素C氧化酶I亚基(mtCO I)这一特定基因区段作为DNA条形编码的基础,对除刺胞动物门以外所有的动物界门,包括11个门13320个物种的CO I基因序列进行分析,发现此特定基因区段差异能够很好地对被研究物种加以区分识别,故认为mtCO I是动物界中较为合适的DNA条形码标准基因。昆虫种类繁多,近似物种鉴定困难,DNA条形码技术在昆虫分类中已得到广泛应用,截至2018年5月,BOLD数据库已经有超过400万涉及昆虫的条形码记录,超过整个动物界的70%以上,包括了183513个具体物种,其中已公开的有137048种(http://www.barcodinglife.org)。DNA条形码技术在分类研究中,最先在鳞翅目昆虫中得到应用,Hebert等[1]选取CO I基因的一段序列对200多个鳞翅目昆虫种类进行识别,鉴定结果认为CO I基因的特定序列可以成功鉴定每个昆虫個体。随后,Hebert等[16]又对2500多只哥斯达黎加普通蝴蝶(Astraptes fulgerator)进行研究,结果发现这些蝴蝶的DNA条形编码清楚地进入10个不同的组中,表明该复合体至少有10个隐存种,而在此之前这些蝴蝶被简单地归为一种,所以说单靠形态学特征不能对这些蝴蝶进行区分,也进一步证明DNA条形码对发现隐存分类单元有极大帮助。Brown等[17]结合形态分类学和DNA条形编码技术,报道了巴布亚新几内亚的鱗翅目新种Xenothictis gnetivora。Hajibabaei等[13]应用DNA条形码技术对源自热带区域的多种鳞翅目昆虫进行了识别。半翅目昆虫中蚜虫类应用较多,蚜虫类昆虫有超过4400种,而且转主危害也增加了分类工作的难度。Favret和Voegtlin[18]用小片段CO I基因序列鉴定形态学上难以鉴别的五节根蚜族蚜虫的次生寄主型,结果表明这些不同寄主型也能被准确识别鉴定。Foottit等[19]研究认为DNA条形编码可以对寄居在不同宿主、不同生活周期的蚜虫进行有效的物种鉴定,并且还揭示了蚜虫的多样性与蚜虫生命周期具有一定相关性。烟粉虱是一种世界范围灾害性害虫,各国纷纷对烟粉虱的生物型以及系统发育进行深入研究,研究证实,基于线粒体细胞色素氧化酶I(mtCO I)基因的差异能有效反映烟粉虱生物型的地理模式[20-22]。另外,DNA条形码技术在等翅目、弹尾目等昆虫分类中均有应用[23-24]。Ball和Hebert[25]应用630 bp CO I基因序列对蜉蝣目昆虫进行研究,结果显示种内和种间序列平均差异分别为1%和18%,证明DNA条形码可以有效区分蜉蝣目昆虫。在鞘翅目方面,Monaghan等[26]在对马达加斯加热带水生甲虫的研究中,应用DNA序列在鉴定已记述种的同时发现了几个隐存种。