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DNA“条形码”瞄准生物大发现

来源:不详?????? 更新时间:2019/6/15 8:51:17
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在婆罗洲,意大利维罗纳大学进化生物学家Marta Paterno正在为便携式DNA测序器准备样本。 图片来源:PIERRE ESCOUBAS

本报讯 几个世纪以来,生物学家一直在煞费苦心地以缓慢的步伐识别新物种,描述样本的生理特征,并经常试图在命名和发表物种之前将其纳入生命树。如今,他们已经开始尝试能否在几小时内便将一个标本确定为新物种,而且很快就会以极低的成本实现这一目标。这是一场由短链脱氧核糖核酸(DNA)驱动的革命——这段DNA被称为“条形码”,旨在向人们熟悉的产品标识符致敬。结合快速、廉价的DNA测序器,这些“条形码”的差异足以提供识别物种的标记。

“生物多样性科学正在进入一个黄金时代。”加拿大圭尔夫大学Paul Hebert说。6月16日,他领导的一个团队将发起一项耗资1.8亿美元的全球行动,旨在识别超过200万种新的多细胞生物。其他研究小组也采用了这种方法,在实验室里,甚至直接在野外对新物种的样本进行梳理。目前,全世界的物种消失速度比发现速度还要快,因此生物学家对这项技术表示欢迎。

“多年来,我一直梦想着改变这些规则,把一个便携式基因组实验室带到样本所在的地方。”意大利维罗纳大学遗传学家Massimo Delledonne说。他最近利用条形码技术在婆罗洲岛的森林中很快便发现了一个蜗牛新物种。“野外条形码技术现在已经为黄金时段做好了准备。”

生物多样性专家估计,地球上有870万到2000万种植物、动物和真菌,但迄今为止,只有180万种得到了正式描述。而昆虫是一个未被发现的物种领域。一直在用小型DNA测序器开发条形码技术的新加坡国立大学生物学家Rudolf Meier表示:“总体而言,它们在陆地栖息地的生物量可能超过所有野生脊椎动物的总和。”

2003年,Hebert提出了DNA条形码的概念——从一个样本中测序不到1000个线粒体DNA碱基,就可以区分生物物种。过了一段时间,这个想法流行起来,但此时Hebert和其他爱好者已开始从已知物种中编译条形码。例如,在2010年,他领导了一个名为“国际生命条形码”(iBOL)的团队。这一耗资8000万美元的项目以圭尔夫为中心,旨在建立一个已知物种及其识别序列的参考图书馆。它现在已有超过730万个条形码(每个物种都有不止一个),并且被证明是一种资源,不仅可以用来识别已知生物体,还可以用来记录它们与其他物种之间的相互作用,包括基于特定样本中的不同条形码判断是谁吃掉了谁。

如今,在30个国际合作伙伴的资金和实物服务的支持下,iBOL即将开始为期7年的后续工作。该项目名为BIOSCAN,将在全球2500个地点收集样本并研究物种间的相互作用,旨在将其参考图书馆扩大到1500万条条形码记录,其中90%来自未描述的物种。

Hebert说,这些数据将为监测污染、土地利用变化和全球变暖对生物多样性的影响奠定基础。最终,“我们将能够像追踪天气一样追踪地球上的生命”。

此外,Hebert表示,与iBOL之前专注于为已知物种提取条形码的做法不同,“这次的主要目标之一将是发现新物种”。如果软件无法将一个样本的条形码序列与现有物种匹配,它将立即标记该样本,从而进行更密切的遗传和视觉检查,并可能将其识别为新物种。

过去,科学家可能要花费数年甚至数十年的时间才能确认某些生物体是新物种。例如,某些苍蝇物种仅在雄性生殖器的形状上有明显差异。

Hebert预测,定制的生物信息和测序仪可以一次读取足够的碱基,从而获得完整的条形码,这将使成本保持在一个较低水平——包括收集、保存、DNA提取、测序和后续分析在内,每个样本大约1美元。他预计,测序部分的总成本最终将降至每个样本约0.02美元。(赵熙熙)

《中国科学报》 (2019-06-10 第2版 国际)
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