會(huì)“說(shuō)話”的DNA條形碼

楊俊波 曾春霞 楊靜

如果你是一個(gè)花卉愛(ài)好者，面對(duì)一盆不在花期的蘭花，是否想知道它究竟是價(jià)值連城亦或只是普通品種？如果你是一名司法工作者，面對(duì)整車(chē)樹(shù)皮粉末，是否想確認(rèn)這究竟是一般木材加工剩余物，還是盜伐的國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)植物？如果你是一位植物研究者，面對(duì)兩株長(zhǎng)相類(lèi)似的植物，它們究竟是同種還是不同物種？大千世界無(wú)奇不有，人類(lèi)還有面孔雷同，那不會(huì)說(shuō)話的植物怎么去區(qū)分呢？

物種分類(lèi)鑒定難題由來(lái)已久

如上所述現(xiàn)實(shí)生活中的案例，其實(shí)都涉及對(duì)物種的準(zhǔn)確鑒定，不論是對(duì)普通愛(ài)好者還是植物分類(lèi)學(xué)研究者，甚至是為國(guó)執(zhí)法的森林警察來(lái)說(shuō)，都是一項(xiàng)犯難的課題。物種的準(zhǔn)確鑒定是人類(lèi)認(rèn)識(shí)自然、合理使用生物資源、保護(hù)瀕危物種、控制有害物種的首要前提，是人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

從林奈提出科學(xué)的生物物種命名法規(guī)至今，歷經(jīng)250多年的傳統(tǒng)分類(lèi)學(xué)研究，科學(xué)家僅僅命名了170多萬(wàn)種生物。物種的發(fā)現(xiàn)和鑒定以及對(duì)生物多樣性的認(rèn)識(shí)和揭示依然任重道遠(yuǎn)。傳統(tǒng)分類(lèi)學(xué)研究主要依靠物種的形態(tài)學(xué)特征（如植物的花和果）來(lái)判別，而對(duì)這些特征的把握往往離不開(kāi)對(duì)某一生物類(lèi)群的長(zhǎng)期觀測(cè)積累。目前的現(xiàn)狀是，由于需要較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)背景，物種鑒定往往是少數(shù)人的“專(zhuān)利”。另一方面，由于各種原因，分類(lèi)學(xué)被冠以“傳統(tǒng)”和“古老”的標(biāo)簽，分類(lèi)學(xué)家的研究成果被低估，國(guó)家對(duì)分類(lèi)學(xué)這一基礎(chǔ)學(xué)科的投入逐漸減少，分類(lèi)學(xué)成為冷門(mén)學(xué)科，傳統(tǒng)分類(lèi)鑒定本身的局限性和不斷縮編的分類(lèi)學(xué)家隊(duì)伍，使傳統(tǒng)的基于物種形態(tài)學(xué)的鑒定面臨巨大挑戰(zhàn)，已無(wú)法滿足社會(huì)發(fā)展的巨大需求。

隨著分子生物學(xué)技術(shù)特別是DNA測(cè)序技術(shù)的快速發(fā)展，早在20世紀(jì)80年代，就有研究者探索使用生物的一小段遺傳信息（DNA序列）對(duì)病毒、細(xì)菌、原生生物、考古發(fā)現(xiàn)物等缺乏明顯形態(tài)特征的生物體進(jìn)行鑒定。但直到2003年，加拿大圭爾夫大學(xué)教授、加拿大皇家學(xué)會(huì)會(huì)員保羅·赫伯特（Paul Hebert）才正式提出“DNA條形碼”概念，成立了生命條形碼聯(lián)盟，并隨后發(fā)起了國(guó)際生命條形碼計(jì)劃（International Barcode of Life Project，iBOL）。

國(guó)際生命條形碼計(jì)劃（iBOL）

國(guó)際生命條形碼計(jì)劃是一個(gè)擁有加拿大、中國(guó)、歐盟和美國(guó)四個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，以及10個(gè)區(qū)域節(jié)點(diǎn)（澳大利亞、阿根廷、巴西、印度、墨西哥、新西蘭、挪威、俄羅斯、沙特阿拉伯和南非）和9個(gè)國(guó)家節(jié)點(diǎn)（哥倫比亞、哥斯達(dá)黎加、肯尼亞、韓國(guó)、馬達(dá)加斯加、巴拿馬、巴布亞新幾內(nèi)亞、秘魯和巴基斯坦）的重大國(guó)際合作計(jì)劃。

DNA條形碼技術(shù)究竟有何神奇？

DNA條形碼技術(shù)的研究和應(yīng)用成為全球性生物學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。2008年6月，我國(guó)成立了國(guó)際生命條形碼中國(guó)委員會(huì)，并啟動(dòng)了“國(guó)際生命條形碼——中國(guó)項(xiàng)目預(yù)研”、“重要生物DNA條形碼系統(tǒng)構(gòu)建”、“依托種質(zhì)資源庫(kù)的植物DNA條形碼研究”和“《中國(guó)植物志》的數(shù)字化和DNA條形碼”等一系列有影響的重大項(xiàng)目。作為世界生物多樣性熱點(diǎn)國(guó)家，雖然我國(guó)DNA條形碼的研究啟動(dòng)相對(duì)較晚，但起步較快，投入較多，僅僅是昆明植物研究所，在中國(guó)西南野生生物種質(zhì)資源庫(kù)等平臺(tái)的支持下，短短5年內(nèi)，就已完成了274科2300多屬近萬(wàn)種植物的約10萬(wàn)個(gè)DNA條形碼測(cè)序工作，并搭建了“中國(guó)珍稀瀕危植物DNA條形碼鑒定平臺(tái)”等數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，初步建立了中國(guó)植物DNA條形碼系統(tǒng)框架。

那么，DNA條形碼究竟是何物，有何神奇之處，能引得眾多研究者競(jìng)折腰？通俗講，DNA條形碼技術(shù)就是提取不同物種的一段或少數(shù)幾段特定并有差異的遺傳信息，建成標(biāo)準(zhǔn)DNA條形碼信息數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)遇到需要鑒定的樣品時(shí)，提取它的DNA條形碼信息，并運(yùn)用生物信息學(xué)技術(shù)，在數(shù)據(jù)庫(kù)里進(jìn)行比對(duì)，找到所屬物種，即完成鑒定。DNA條形碼技術(shù)首先要確定標(biāo)準(zhǔn)的條碼片段。目前，動(dòng)物的標(biāo)準(zhǔn)條碼片段主要是線粒體基因上的某一段序列。而植物的標(biāo)準(zhǔn)條碼片段比較復(fù)雜，由葉綠體基因組和核基因組分別提供部分片段作為核心片段。在不同植物類(lèi)群中，有時(shí)還輔以其他1～2個(gè)片段。

與傳統(tǒng)基于形態(tài)學(xué)的物種鑒定相比，DNA條形碼序列的檢測(cè)更穩(wěn)定。同一物種如果生長(zhǎng)在不同環(huán)境，處在不同的發(fā)育階段（如幼葉、落葉等），或鑒定物是物種不同的組織器官（如毛發(fā)、碎片等），這些都不影響測(cè)定結(jié)果，只要待測(cè)物的DNA條形碼序列與數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)完全一致，就能夠快速準(zhǔn)確鑒定出來(lái)。

動(dòng)物鑒別也適用DNA條形碼技術(shù)嗎？

羚羊角為名貴藥材，早在《神農(nóng)本草經(jīng)》中就有記載，原先正品羚羊角一般取自賽加羚羊（別名“高鼻羚羊”）。由于人類(lèi)對(duì)賽加羚羊的過(guò)度捕殺及走私，該物種已經(jīng)處在瀕臨滅絕的境地。我國(guó)民間也常常將山羊、綿羊、藏原羚、蒙原羚、鵝喉羚等的角作為賽加羚羊角的代用品使用。

在中藥材市場(chǎng)上，羚羊角常被制成粉末、絲條和片塊等形狀銷(xiāo)售，羚羊角種類(lèi)難以識(shí)別，不利于監(jiān)控賽加羚羊等瀕危物種的走私。因此，科研人員用羚羊線粒體基因上的某段序列作為分子標(biāo)記，研究鑒定賽加羚羊角與其代用品的DNA條形碼。通過(guò)鑒定，能客觀準(zhǔn)確地區(qū)分賽加羚羊角和其易混代用品，為監(jiān)管羚羊角貿(mào)易和控制賽加羚羊角走私提供了技術(shù)支持。

DNA條形碼讓待測(cè)物“自報(bào)家門(mén)”

一旦建立起完善的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，即使在植物分類(lèi)學(xué)專(zhuān)家也很難給出鑒定結(jié)果的情況下，運(yùn)用DNA條形碼技術(shù)，也往往能起到意想不到的效果。下面是兩個(gè)真實(shí)的案例：

橄欖油是西餐使用的主要油料，然而，橄欖油市場(chǎng)充斥著假冒和欺詐行為。在DNA條形碼技術(shù)產(chǎn)生之前，食品質(zhì)量監(jiān)督機(jī)構(gòu)如美國(guó)食品和藥物管理局（FDA）等均沒(méi)有有效途徑鑒別出摻有菜籽油或葵花籽油等油品的橄欖油。自從印度和美國(guó)的科學(xué)家使用DNA條形碼技術(shù)后，他們成功將正品橄欖油和其他油料區(qū)分開(kāi)，并開(kāi)發(fā)出了一套適用于橄欖油制品的快速檢測(cè)方法，有效維護(hù)了橄欖油市場(chǎng)的健康秩序。

2011年5月的一天，云南省迪慶藏族自治州森林公安局的辦案人員在例行巡查中查獲一車(chē)，車(chē)上疑似是國(guó)家一級(jí)保護(hù)植物紅豆杉的樹(shù)皮粉末。面對(duì)辦案人員的問(wèn)詢，嫌疑人拒不承認(rèn)?！败?chē)上的樹(shù)皮粉末究竟是何物種？可能來(lái)自哪里？”這些難題成為偵破案件的關(guān)鍵。但面對(duì)既沒(méi)有傳統(tǒng)植物鑒定特征（植物物種的鑒定往往依靠花或果的特征來(lái)判斷）又殘缺不全的碎片、粉末，如何才能準(zhǔn)確鑒定它們？這時(shí)，辦案人員找到了昆明植物研究所的甘副所長(zhǎng)，將待測(cè)樣品送到了中國(guó)西南野生生物種質(zhì)資源庫(kù)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，通過(guò)“DNA提取→純化→特定片段PCR擴(kuò)增（一種體外DNA擴(kuò)增技術(shù)，基本原理類(lèi)似于DNA的天然復(fù)制過(guò)程）→純化→測(cè)序→序列拼接→序列比對(duì)”等DNA條形碼技術(shù)鑒定，結(jié)果很快就呈現(xiàn)出來(lái)。經(jīng)鑒定，被測(cè)樣品確是國(guó)家一級(jí)保護(hù)植物紅豆杉，并且樣品采伐地為橫斷山區(qū)，這些檢測(cè)結(jié)果為破獲該紅豆杉盜采案提供了準(zhǔn)確證據(jù)，使犯罪分子受到了巨大震懾，并最終得到了應(yīng)有的懲罰。

近年來(lái)，隨著DNA條形碼數(shù)據(jù)庫(kù)的不斷完善，這種快速可重復(fù)、準(zhǔn)確又可靠的技術(shù)被應(yīng)用得越來(lái)越廣泛，國(guó)內(nèi)外均有大量成功案例。中國(guó)西南野生生物種質(zhì)資源庫(kù)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中心通過(guò)使用DNA條形碼技術(shù)，成功鑒定真假蘭花、苦刺花樹(shù)根皮、真假川貝母等使用傳統(tǒng)分類(lèi)方法難以鑒定的物種。

DNA條形碼技術(shù)的困境與未來(lái)

盡管DNA條形碼技術(shù)顯示了巨大的價(jià)值，但隨著研究和運(yùn)用的擴(kuò)大和深入，基于一代測(cè)序技術(shù)的DNA條形碼仍面臨著兩方面的問(wèn)題。

一是由于一些生物類(lèi)群及其進(jìn)化歷史的極其復(fù)雜多樣性，許多種類(lèi)的核心DNA條形碼及其補(bǔ)充條形碼均很難達(dá)到鑒定要求，有的情況下鑒定率甚至很低，需要新的條碼和技術(shù)的加入。近年來(lái)，由于測(cè)序技術(shù)的快速發(fā)展，特別是“新一代測(cè)序（NGS測(cè)序）技術(shù)”的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，為更快速高效獲取植物遺傳信息提供了新的選擇和可能，遺傳信息的獲取正變得越來(lái)越容易，用超級(jí)條形碼或細(xì)胞器條形碼對(duì)生物類(lèi)群進(jìn)行鑒定的方式已顯示出強(qiáng)大的生命力。目前，它們已成為第一代條形碼（DNA核心條形碼）的重要補(bǔ)充和條形碼研究新的生長(zhǎng)點(diǎn)。

另一方面問(wèn)題，由于建立物種遺傳信息的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)是DNA條形碼和分子鑒定工作的前提，然而當(dāng)下分類(lèi)學(xué)科發(fā)展不平衡，從事傳統(tǒng)分類(lèi)學(xué)研究的人越來(lái)越少，加上生態(tài)環(huán)境的惡化，物種生存空間不斷收縮，使得某些物種的采集和鑒定十分困難，這些已成為DNA條形碼研究和運(yùn)用的最大瓶頸。

世界上數(shù)以億計(jì)的館藏標(biāo)本，不僅是植物名稱(chēng)、形態(tài)性狀、采集鑒定等信息的承載者，也是遺傳信息重要的潛在來(lái)源。植物標(biāo)本館有序收藏了大量經(jīng)過(guò)準(zhǔn)確鑒定的標(biāo)本，蘊(yùn)含著豐富的物種信息，特別是其中的模式標(biāo)本，它們是每個(gè)物種名稱(chēng)的直接承載者。正是由于館藏植物標(biāo)本的豐富性、易得性和物種鑒定的準(zhǔn)確性，因而，建立在新技術(shù)基礎(chǔ)上的標(biāo)本DNA信息提取技術(shù)體系，也是DNA條形碼技術(shù)發(fā)展的另外一個(gè)方向。

iFlora計(jì)劃與“移動(dòng)版智能植物志”

中國(guó)植物DNA條形碼研究項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)帶頭人李德銖于2012年正式提出以DNA條形碼技術(shù)為重要元件的智能植物志計(jì)劃（iFlora計(jì)劃），即整合現(xiàn)代植物學(xué)、DNA 條形碼數(shù)據(jù)與信息技術(shù)，通過(guò)系列關(guān)鍵技術(shù)的集成和攻關(guān)，構(gòu)建能便捷、準(zhǔn)確識(shí)別植物和掌握相關(guān)數(shù)字化信息的集成裝備和信息平臺(tái)。iFlora計(jì)劃第一階段的目標(biāo)就是在五年內(nèi)，對(duì)中國(guó)植物80%的屬和25%的物種建立iFlora框架。隨著測(cè)序平臺(tái)的進(jìn)一步發(fā)展，特別是更快速和小型化的測(cè)序裝備的發(fā)展，以DNA條形碼技術(shù)為重要元件的移動(dòng)版智能植物志，有望在不遠(yuǎn)的將來(lái)出現(xiàn)，將植物分類(lèi)學(xué)引入新的發(fā)展高度。