会“说话”的DNA条形码

杨俊波 曾春霞 杨静

如果你是一个花卉爱好者，面对一盆不在花期的兰花，是否想知道它究竟是价值连城亦或只是普通品种？如果你是一名司法工作者，面对整车树皮粉末，是否想确认这究竟是一般木材加工剩余物，还是盗伐的国家重点保护植物？如果你是一位植物研究者，面对两株长相类似的植物，它们究竟是同种还是不同物种？大千世界无奇不有，人类还有面孔雷同，那不会说话的植物怎么去区分呢？

物种分类鉴定难题由来已久

如上所述现实生活中的案例，其实都涉及对物种的准确鉴定，不论是对普通爱好者还是植物分类学研究者，甚至是为国执法的森林警察来说，都是一项犯难的课题。物种的准确鉴定是人类认识自然、合理使用生物资源、保护濒危物种、控制有害物种的首要前提，是人类社会可持续发展的重要基础。

从林奈提出科学的生物物种命名法规至今，历经250多年的传统分类学研究，科学家仅仅命名了170多万种生物。物种的发现和鉴定以及对生物多样性的认识和揭示依然任重道远。传统分类学研究主要依靠物种的形态学特征（如植物的花和果）来判别，而对这些特征的把握往往离不开对某一生物类群的长期观测积累。目前的现状是，由于需要较强的专业背景，物种鉴定往往是少数人的“专利”。另一方面，由于各种原因，分类学被冠以“传统”和“古老”的标签，分类学家的研究成果被低估，国家对分类学这一基础学科的投入逐渐减少，分类学成为冷门学科，传统分类鉴定本身的局限性和不断缩编的分类学家队伍，使传统的基于物种形态学的鉴定面临巨大挑战，已无法满足社会发展的巨大需求。

随着分子生物学技术特别是DNA测序技术的快速发展，早在20世纪80年代，就有研究者探索使用生物的一小段遗传信息（DNA序列）对病毒、细菌、原生生物、考古发现物等缺乏明显形态特征的生物体进行鉴定。但直到2003年，加拿大圭尔夫大学教授、加拿大皇家学会会员保罗·赫伯特（Paul Hebert）才正式提出“DNA条形码”概念，成立了生命条形码联盟，并随后发起了国际生命条形码计划（International Barcode of Life Project，iBOL）。

国际生命条形码计划（iBOL）

国际生命条形码计划是一个拥有加拿大、中国、欧盟和美国四个中心节点，以及10个区域节点（澳大利亚、阿根廷、巴西、印度、墨西哥、新西兰、挪威、俄罗斯、沙特阿拉伯和南非）和9个国家节点（哥伦比亚、哥斯达黎加、肯尼亚、韩国、马达加斯加、巴拿马、巴布亚新几内亚、秘鲁和巴基斯坦）的重大国际合作计划。

DNA条形码技术究竟有何神奇？

DNA条形码技术的研究和应用成为全球性生物学及其相关领域的研究热点。2008年6月，我国成立了国际生命条形码中国委员会，并启动了“国际生命条形码——中国项目预研”、“重要生物DNA条形码系统构建”、“依托种质资源库的植物DNA条形码研究”和“《中国植物志》的数字化和DNA条形码”等一系列有影响的重大项目。作为世界生物多样性热点国家，虽然我国DNA条形码的研究启动相对较晚，但起步较快，投入较多，仅仅是昆明植物研究所，在中国西南野生生物种质资源库等平台的支持下，短短5年内，就已完成了274科2300多属近万种植物的约10万个DNA条形码测序工作，并搭建了“中国珍稀濒危植物DNA条形码鉴定平台”等数据分析平台，初步建立了中国植物DNA条形码系统框架。

那么，DNA条形码究竟是何物，有何神奇之处，能引得众多研究者竞折腰？通俗讲，DNA条形码技术就是提取不同物种的一段或少数几段特定并有差异的遗传信息，建成标准DNA条形码信息数据库。当遇到需要鉴定的样品时，提取它的DNA条形码信息，并运用生物信息学技术，在数据库里进行比对，找到所属物种，即完成鉴定。DNA条形码技术首先要确定标准的条码片段。目前，动物的标准条码片段主要是线粒体基因上的某一段序列。而植物的标准条码片段比较复杂，由叶绿体基因组和核基因组分别提供部分片段作为核心片段。在不同植物类群中，有时还辅以其他1～2个片段。

与传统基于形态学的物种鉴定相比，DNA条形码序列的检测更稳定。同一物种如果生长在不同环境，处在不同的发育阶段（如幼叶、落叶等），或鉴定物是物种不同的组织器官（如毛发、碎片等），这些都不影响测定结果，只要待测物的DNA条形码序列与数据库比对完全一致，就能够快速准确鉴定出来。

动物鉴别也适用DNA条形码技术吗？

羚羊角为名贵药材，早在《神农本草经》中就有记载，原先正品羚羊角一般取自赛加羚羊（别名“高鼻羚羊”）。由于人类对赛加羚羊的过度捕杀及走私，该物种已经处在濒临灭绝的境地。我国民间也常常将山羊、绵羊、藏原羚、蒙原羚、鹅喉羚等的角作为赛加羚羊角的代用品使用。

在中药材市场上，羚羊角常被制成粉末、丝条和片块等形状销售，羚羊角种类难以识别，不利于监控赛加羚羊等濒危物种的走私。因此，科研人员用羚羊线粒体基因上的某段序列作为分子标记，研究鉴定赛加羚羊角与其代用品的DNA条形码。通过鉴定，能客观准确地区分赛加羚羊角和其易混代用品，为监管羚羊角贸易和控制赛加羚羊角走私提供了技术支持。

DNA条形码让待测物“自报家门”

一旦建立起完善的标准数据库，即使在植物分类学专家也很难给出鉴定结果的情况下，运用DNA条形码技术，也往往能起到意想不到的效果。下面是两个真实的案例：

橄榄油是西餐使用的主要油料，然而，橄榄油市场充斥着假冒和欺诈行为。在DNA条形码技术产生之前，食品质量监督机构如美国食品和药物管理局（FDA）等均没有有效途径鉴别出掺有菜籽油或葵花籽油等油品的橄榄油。自从印度和美国的科学家使用DNA条形码技术后，他们成功将正品橄榄油和其他油料区分开，并开发出了一套适用于橄榄油制品的快速检测方法，有效维护了橄榄油市场的健康秩序。

2011年5月的一天，云南省迪庆藏族自治州森林公安局的办案人员在例行巡查中查获一车，车上疑似是国家一级保护植物红豆杉的树皮粉末。面对办案人员的问询，嫌疑人拒不承认。“车上的树皮粉末究竟是何物种？可能来自哪里？”这些难题成为侦破案件的关键。但面对既没有传统植物鉴定特征（植物物种的鉴定往往依靠花或果的特征来判断）又残缺不全的碎片、粉末，如何才能准确鉴定它们？这时，办案人员找到了昆明植物研究所的甘副所长，将待测样品送到了中国西南野生生物种质资源库分子生物学实验中心，通过“DNA提取→纯化→特定片段PCR扩增（一种体外DNA扩增技术，基本原理类似于DNA的天然复制过程）→纯化→测序→序列拼接→序列比对”等DNA条形码技术鉴定，结果很快就呈现出来。经鉴定，被测样品确是国家一级保护植物红豆杉，并且样品采伐地为横断山区，这些检测结果为破获该红豆杉盗采案提供了准确证据，使犯罪分子受到了巨大震慑，并最终得到了应有的惩罚。

近年来，随着DNA条形码数据库的不断完善，这种快速可重复、准确又可靠的技术被应用得越来越广泛，国内外均有大量成功案例。中国西南野生生物种质资源库分子生物学实验中心通过使用DNA条形码技术，成功鉴定真假兰花、苦刺花树根皮、真假川贝母等使用传统分类方法难以鉴定的物种。

DNA条形码技术的困境与未来

尽管DNA条形码技术显示了巨大的价值，但随着研究和运用的扩大和深入，基于一代测序技术的DNA条形码仍面临着两方面的问题。

一是由于一些生物类群及其进化历史的极其复杂多样性，许多种类的核心DNA条形码及其补充条形码均很难达到鉴定要求，有的情况下鉴定率甚至很低，需要新的条码和技术的加入。近年来，由于测序技术的快速发展，特别是“新一代测序（NGS测序）技术”的出现和迅速发展，为更快速高效获取植物遗传信息提供了新的选择和可能，遗传信息的获取正变得越来越容易，用超级条形码或细胞器条形码对生物类群进行鉴定的方式已显示出强大的生命力。目前，它们已成为第一代条形码（DNA核心条形码）的重要补充和条形码研究新的生长点。

另一方面问题，由于建立物种遗传信息的标准数据库是DNA条形码和分子鉴定工作的前提，然而当下分类学科发展不平衡，从事传统分类学研究的人越来越少，加上生态环境的恶化，物种生存空间不断收缩，使得某些物种的采集和鉴定十分困难，这些已成为DNA条形码研究和运用的最大瓶颈。

世界上数以亿计的馆藏标本，不仅是植物名称、形态性状、采集鉴定等信息的承载者，也是遗传信息重要的潜在来源。植物标本馆有序收藏了大量经过准确鉴定的标本，蕴含着丰富的物种信息，特别是其中的模式标本，它们是每个物种名称的直接承载者。正是由于馆藏植物标本的丰富性、易得性和物种鉴定的准确性，因而，建立在新技术基础上的标本DNA信息提取技术体系，也是DNA条形码技术发展的另外一个方向。

iFlora计划与“移动版智能植物志”

中国植物DNA条形码研究项目团队带头人李德铢于2012年正式提出以DNA条形码技术为重要元件的智能植物志计划（iFlora计划），即整合现代植物学、DNA 条形码数据与信息技术，通过系列关键技术的集成和攻关，构建能便捷、准确识别植物和掌握相关数字化信息的集成装备和信息平台。iFlora计划第一阶段的目标就是在五年内，对中国植物80%的属和25%的物种建立iFlora框架。随着测序平台的进一步发展，特别是更快速和小型化的测序装备的发展，以DNA条形码技术为重要元件的移动版智能植物志，有望在不远的将来出现，将植物分类学引入新的发展高度。