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DNA条形码(DNA barcoding)之父和Digital biodiversity

更新:2010年11月11日 阅读次数: 【字体:

今天上午,听了一场精彩的学术报告,报告人是被称为“DNA条形码之父”的Paul Hebert,题目是“Digital biodiversity”。听Paul的报告不是第一次,但这次,对我的想法触动最大。他非常清楚的传达了他要讲解的主旨:如何更有效的揭示地球上的生物多样性。我在这儿介绍一下Paul今天的报告内容,中间夹杂着谈谈我的想法。

先来看看我们单位对他的介绍。Paul Hebert,加拿大University of Guelph大学教授、加拿大皇家学会会员。他于2003年提出了DNA条形码(DNA barcoding)的概念,并发起了国际生命条形码计划(International Barcode of Life Project),被尊称为DNA条形码之父。他在2003年关于DNA条形码的文章被ISI确定为2004年在生物学和生物化学领域引用最多的论文,并将DNA条形码视为进展最迅速的学科前沿之一。New Scientist在2004年6月将DNA barcoding作为封面文章,Science和Nature分别作了多篇评论。DNA条形码不仅是传统物种鉴定的强有力补充,更由于它采用数字化形式,使样品鉴定过程能够实现自动化和标准化,突破了对经验的过度依赖,并可利用有机体的残片进行快速有效的鉴定,能够在较短时间内建立形成易于利用的应用系统。

报告的开篇,Paul首先比较了对现今自然科学影响巨大的三方面研究,即life(Charles Darwin的研究)、cosmos(宇宙科学)和matter(物质科学),在19世纪50年代(1850s)和21世纪的今天在研究手段方面的差异。1850年代,宇宙科学研究使用很简单的望远镜观察太空,物质科学同样使用简单的研究工具;而今天,宇宙科学研究有了哈珀望远镜,物质科学研究也有了越来越强大的粒子加速器。对于生物多样性的发现呢,达尔文时代已经开始使用显微镜观察生物标本,而今天的分类学家,依然使用并没有提高多少的显微镜观察并发现新的物种。他是想告诉我们:揭示地球上的生物多样性,我们或许需要新的工具。

接着,Paul问了一个问题:地球上到底有多少生物物种?他展示了,我们从林奈时期开始经过250年所描述的生物物种数量,与科学家所预计的地球生物多样性的体量,依然很少,仍有大量的生物多样性需要发现。他接着详细讲解了传统的生物分类(specimen taxonomy)和物种记录(species documentation)方式是一种需要大量时间和精力的研究模式,这种研究模式使得生物多样性发现的速度太慢。

DNA条形码(DNA barcoding)之父和Digital biodiversity  DNA条形码(DNA barcoding)之父和Digital biodiversity

在传统的生物分类研究中,一般有三个步骤:标本采集(collecting),标本整理(curation),鉴定分类(taxonomy)。标本的采集相对容易,比如一晚上可以灯诱成千上万头昆虫;标本馆中对标本的整理归类则需要的时间则长很多;而标本的鉴定则最慢,有时候花很多的时间也不能鉴定出一批标本。为什么这么慢?因为基于形态特征的传统生物分类的原理是“物以类聚”,也即一个基于实物标本的“比较”过程,分类学者需要向世界各地的标本馆借阅(或者直接去看)更多的标本才能获得更确定的鉴定结果。对于部分难以鉴定的生物类群,这个过程往往需要花费很多的时间和金钱。对于传统生物分类,另外一个重要问题是:如何确定清晰的区分不同物种的形态特征的界限?达尔文对barnacles(藤壶)的分类研究,正体现了基于形态的分类有时候非常难。也正是如此,不同人对同样标本的分类也会有不同的结果,从而产生了同物异名(实际上为同一物种,但被不同分类学者命名为不同的物种)。当我们鉴定出一个新的物种时,还需要记录其生物学细节(地理分布,生物型,生活史等),并将其发表(documentation),而这个传统的过程,也需要大量的时间。

讲解了发现生物多样性的传统方式存在的问题之后,Paul给出了一张片子,写道:DNA——A digital future for biodiversity。之后重点讲解了DNA条形码的发展及相关国际项目的进展,他还提到就在2周前日本名古屋举行的联合国生物多样性条约第10届缔约国会议(CBD COP 10)上,国际生命条形码组织(iBOL)同CBD签订了正式的协议。

基于DNA barcoding揭示生物多样性的研究模式是这样的:1)从自然界采集或利用馆藏标本,收集相关信息包括图像和各种生物学信息;2)获取样品的COI Barcode,并进行分析,包括遗传距离分析、构建进化树等;3)树上的barcode clusters可以认为代表了不同的物种(BINs),可能是一个已经基于形态描述的物种,也可能是一个新的未描述的物种;4)所有的相关信息,被录入数据库并实现共享。当然,这过程当中也有一些重要的科学问题需要进一步精确,比如区别物种的遗传距离标准、新物种的描述和命名等。

对于DNA条形码,一直有不少的争论,尤其是很多分类学家认为DNA条形码是在否定传统分类学,所以总是不断的辩护传统分类学的重要性,今天报告的提问环节,也有一些专家提了这样的问题。发展到今天,DNA条形码可能从没有想过取代传统分类学的研究模式,而是提供了生物物种另一方面的证据,期望更高效的揭示生物多样性。

实际上,越来越多的分类学家认可了“综合的分类学(integrated taxonomy)”,即不仅仅只基于形态特征,而是利用更全面的信息(生物学信息、DNA序列等)来进行物种分类,这样确实能得到更可信的结果。在这样的思路下,谁说一定要以形态特征为核心进行物种分类呢?我说Paul今天的报告对我触动最大,因为听报告时我突然觉得:或许某一天,他所描述的物种分类研究模式会取代现在的传统模式,这确实是一个更高效的模式(当然,将来我们也可以同时用更多的DNA片段提供信息)。我不知道这一天什么时候到来,但技术发展如此迅速,就像韩健老师说的“把PCR仪做成家用电器”,我开始相信分类学研究模式的这种变化一定会发生;并且,如Paul们所构想的,我们用一个如手机般的手持机器,就可以鉴定身边所有的物种。
             
相关背景:DNA条形码,即一小段具有普适性的能够区分生物物种的DNA序列,我们可以基于这段DNA序列揭示生物多样性。动物中比较普适性的是线粒体COI基因5’端约650bp的一段序列,其优点是容易扩增并有效区分物种。 (科学网黄晓磊的博客)

关键词:DNA条形码
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