鱼类DNA条形码技术的应用进展
2017-12-18陈信忠郭书林龚艳清
陈信忠,郭书林,龚艳清
( 厦门出入境检验检疫局,福建 厦门 361026 )
鱼类DNA条形码技术的应用进展
陈信忠,郭书林,龚艳清
( 厦门出入境检验检疫局,福建 厦门 361026 )
鱼类;DNA条形码;物种鉴定;鱼类产品标识;进展
基于DNA序列进行物种鉴定的DNA条形码技术自2003年问世以来,经过十几年的快速发展,不仅在各种动植物的物种鉴定方面取得巨大成就,而且在动植物区系、生态和物种保护、生物安全、食品安全等方面得到越来越多的应用,并取得一系列成果。鱼类是最具多样性的脊椎动物,全球预计有多达40000种鱼类[1]。由于在发展过程中具有高度的多样性,传统的鱼类物种鉴定方法存在很多问题。DNA条形码在鱼类物种鉴定中最早获得应用。2005年开始实施的鱼类生命条形码计划(FISH-BOL)是一项国际合作计划,通过采用经过权威的分类鉴定的标本,研究鱼类线粒体细胞色素氧化酶Ⅰ亚基(COⅠ)基因,以电子数据库形式构建含有DNA条形码、图像和地理坐标的全球鱼类参考标准数据库,应用DNA条形码简化鱼类识别工作,重点解决传统形态学方法无法鉴别的难题。鱼类生命条形码计划还特别关注市场上物种替代和商业渔业管理等社会问题[2]。鱼类DNA条形码在濒危物种保护,防止外来物种入侵等方面也得到越来越多的应用。不过,该技术在鱼类近缘物种以及亚种水平的鉴定方面还有一定的局限性。我国的鱼类DNA条形码研究相对较少,目前主要在少数鱼类鉴别以及小流域鱼类区系方面取得一些进展,在其他领域的应用还很少,尚未建立系统、完善的数据库。但我国是水产养殖和渔业大国,也是观赏鱼主要生产国和出口国。我国每年引进大量的鱼类物种进行人工繁育和种质资源改良。另一方面,我国有众多不同的水域环境和鱼类区系。因此,应用最新的鱼类鉴别和分类技术,对我国水产养殖业的健康发展以及鱼类资源和生态环境的保护等方面均具有重要指导意义。
1 鱼类DNA条形码的应用
1.1 DNA条形码在鱼类分类中的应用
鱼类DNA条形码最重要的作用就是对鱼类进行准确鉴别,弥补传统形态学鉴定方法的不足,发现或纠正传统分类学中隐含的错误,明确全球主要水域的鱼类的种类、发展历史以及与生态环境的相互作用,为有效利用鱼类资源,保护鱼类多样性提供科学依据。DNA条形码技术与传统形态学分类方法相结合,不仅可以快速、准确的对物种进行鉴定和分类,还可能发现许多潜在的物种。以DNA条形码为主要技术的鱼类生命条形码系统为鱼类学学科理解各种鱼类的自然史和生态相互作用提供了一个有力的工具。
理想的DNA条形码首先要求具备适宜的序列变异水平,可以区分不同物种而且种内变异较小;其次,要求变异区域两端具有高度保守的序列,可以设计通用的扩增引物;第三,还要求较短的扩增序列。根据已有研究,COⅠ基因是鱼类分类与鉴别的理想DNA条形码[3]。鱼类生命条形码计划已对已知的31 000种鱼类中的8000种鱼类的COⅠ基因条形码进行了测定,这些鱼类涵盖了全球绝大多数重要的商业物种。现有的研究结果表明,应用COⅠ条形码可以有效区分约98%的海洋鱼类和93%的淡水鱼类[1]。除了COⅠ基因,其他可用于鱼类DNA条形码的基因包括细胞色素B(Cyt B)、NADH脱氢酶亚单位2(ND2)和兰尼定受体3(RYR3)等[4]。但由于COⅠ基因比其他基因更适合作为鱼类鉴别的基因条形码,可以鉴别绝大多数鱼类,因此至今针对其他基因条形码的研究还很少。
1.2 DNA条形码在鱼类区系研究中的应用
DNA条形码技术对构建不同国家和地区的江河湖海等流域的鱼类区系数据库具有重要价值。全球鱼类种群和数量最丰富的地区包括南美洲、非洲和亚洲等地区。近年来南美地区鱼类区系的研究报告相对较多。Decru等[5]比较了DNA条形码和传统形态学鉴定技术鉴定刚果东北流域的鱼类区系的差异。比较了206种通过形态学识别的物种及其821例COⅠ序列。结果发现有26.1%的样品种内遗传距离小于1,表明依据形态学分类可能存在错误,发现了4个可能的同物异名。有6科10属的物种,通过COⅠ序列确定的物种数量超过了使用形态特征推断的物种数量,提示存在潜在物种。巴西东南部新热带区估计存在约110种本土或非本土物种,其中有很多当地的特有种,需要优先开展保护。Pugedo等[6]综合利用DNA条码技术和传统的形态学分类方法,对该地区采集的260条鱼的DNA条码进行鉴别,结果显示这些鱼类属于35属52种,其中包括濒危物种如巴西雷氏鲇(Rhamdiajequitinhonha)和油鲇(Steindachneridionamblyurum)。有5种鱼类种内遗传变异大于 2%,最大的达到11.43%,提示存在潜在的新物种。Gomes等[7]应用DNA条形码鉴定了巴西穆库里河流域的37种鱼类,涵盖该地区75%的鱼类。在吉伯特驼背脂鲤(Cyphocharaxgilbert)和大头丽脂鲤(Astyanaxbimaculatus)中发现了两种潜在的物种。Díaz等[8]对南美洲巴拉那河79种淡水鱼进行鉴别,成功率为97.8%,部分鱼类种内距离达7.59%,可能存在潜在物种。Rosso等[9]发现阿根廷潘帕平原的黄金河虎(Salminusbrasiliensis)的种内差异高达6%,而且在形态上也存在明显差别,因此可能存在潜在的物种。该地区代表性的鱼类黄金河虎、克林雷氏鲇(R.quelen)等7种鱼类与其在南美洲其他地区采集的同种个体的遗传距离相差超过3%,表明这些鱼类的COⅠ序列组成具有显著的地域性。
虽然鱼类是研究最深入的海洋生物类群之一,但应用DNA条形码技术仍有新的物种被发现。Osterhage等[14]在澳大利亚北部,通过形态学调查发现了一种新的海蛾鱼(Pegasussp.)。新物种与已知的该海域的另一种海蛾鱼(P.volitans)的一些重要特征存在明显差异。进一步的COⅠ和16S基因条形码证据也证明两者为两个独立的物种。
1.3 DNA条形码在鱼类幼体和卵鉴定中的应用
由于很多鱼类的卵和幼体的形态十分相似,通过形态学很难准确鉴定物种,而DNA条形码技术在此发挥了独特的作用。Steinke等[19]在南非获得了2526例鱼类幼体和浮性卵的COⅠ基因序列,另外从946种鱼类的3215条成鱼中也获得了COⅠ序列。利用BOLD基于成鱼的COⅠ序列,89%的卵和幼体可准确鉴定到物种水平,涵盖450种鱼类。大多数不确定的序列也可以鉴定到属、科或目,只有92例无法鉴定。这些鱼类有1006种,占南非水域所有已知鱼类的43%。还发现了此前南非未被记录的189种鱼类。证明了FishBoL建立的DNA条形码数据库鉴定鱼类的能力和完整性。Frantine-Silva等[20]对巴西南部的293种鱼卵和243种幼鱼的COⅠ基因进行测序,并提交BOLD-IDS进行相似性比较,在设定阈值为1.3%时,可以鉴定出99.25%的物种,其中23.8%的鱼类为该地区的新记录。证明DNA条形码在鉴别鱼类幼体的有效性,可以为制订新热带地区内陆水域养护和管理计划提供有价值的信息。Becker等[21]使用传统形态分类学和DNA条形码两种方法鉴别来自两个新热带区的鱼类幼体。形态学方法鉴定正确率只有25%,而DNA条形码技术可以进行准确鉴定。
1.4 DNA条形码在渔业管理方面的应用
随着全球水产品需求量的快速增长,全球渔业年产值估计已达2000亿美元。由于捕捞技术的持续改进,鱼类自然资源面临着严峻的考验。尤其是人类对鱼类自然生境的影响和破坏,使得全球渔业资源受到严重影响。为了渔业资源的可持续发展,各国都在采取各种措施,加强渔业管理。渔业管理需要依赖坚实的分类基础。应用鱼类DNA条形码,可以明确本地区拥有的鱼类物种种类和分布,了解每种鱼类的多样性或濒危度,并发现一些新物种和外来物种,为制定有效的管理和保护措施提供科学依据。
目前这方面的研究报告还不多。非洲坦噶尼喀湖拥有全球最丰富的鱼类资源,尤其是慈鲷科鱼类十分丰富,而且每年都能发现新的慈鲷。但因缺乏有效的监管措施,该湖的鱼类资源因为无节制的捕捞而遭受严重破坏。Breman等[22]对该湖的96 种形态种慈鲷的398个COⅠ条形码进行分析,采用通用混合Yule溯祖模型(GMYC)分析提示可能有70个物种,而自动条码间隙发现方法(ABGD)发现了115种物种。显然,该湖拥有更多潜在的慈鲷物种。虽然自动条码间隙发现方法有划分过细的倾向,但在物种分类方面优于混合Yule溯祖模型。坦噶尼喀湖慈鲷有复杂的演化历史,包括地理变异、杂交、基因渗入和快速的物种形成等。因此,DNA条形码具有发现慈鲷新物种的潜力,可以为制定相关保护措施提供参考。
巽他古陆已报告的淡水鱼类有899种,近50%为当地特有种。但由于人类活动与生态的改变,导致鱼类种群数量显著下降。Dahruddin等[23]建立了爪哇和巴厘岛鱼类的DNA条码数据库,涵盖159种鱼类。与历史上的物种名录相比,根据DNA条形码得到的物种数量大幅减少,爪哇和巴厘岛分别只有77种和24种。主要原因可能是灭绝、同物异名,也有一些可能是之前形态学鉴定结果有误。这些数据可以为该区域的渔业资源管理提供指导。
1.5 DNA条形码在鱼类产品标识中的应用
近年来市场上鳕鱼、三文鱼、石斑鱼等高档鱼类产品被误贴或错贴标识,已成为公众关注的议题。为了获得经济利益,一些不法商人以低价值物种替代高价值物种,以次充好,严重损害了消费者的利益。更为严重的是,一些水产制品加工原料中混入有毒鱼种而导致食物中毒。还有一些鱼类含有对人体健康有危害的有毒物质。因此,水产品物种鉴别不仅关系到经济利益和商业诚信,而且关系到食品安全,也是对食品行业和监管机构的严峻挑战。对水产制品生产用原料,尤其是对失去形态学结构的鱼类,包括有毒鱼种进行准确鉴定是食品安全、国际贸易和商业零售业亟待解决的问题。DNA条形码技术,为水产品尤其是深度加工的水产品物种鉴定和甄别提供了先进手段。可以作为科学名称与市场名称、以及监管机构授权执行标签标准的桥梁。DNA条形码已经被美国食品药品管理局等政府机构用于水产品鉴定。
金枪鱼是一种高价值的食用鱼类,深受消费者的喜爱。但一些大眼金枪鱼(Thunnusobesus)和蓝鳍金枪鱼(T.maccoyii)体内的汞含量可能超过或接近加拿大、欧盟、日本、美国和世界卫生组织的允许水平。这些汞可能对人类的神经系统、感觉运动和心血管功能带来损害。Lowenstein等[24]应用DNA条形码对用于汞含量测定的金枪鱼寿司样本进行分析,确认样本的种类和来源,为监管机构更准确地评估消费者的食用风险,制定更好的健康保护政策提供依据。
很多国家都存在鱼类加工产品错贴标识的现象。Di Pinto等[25]采用DNA条形码检测了意大利市场上销售的鳕鱼和鲽鱼产品,结果120个样品中有6个不符合。标称为“面包鲽鱼”的样本含有岩鲽(Lepidopsettapolyxystra)和智利无须鳕(Merlucciusgayi)。Helyar等[26]使用DNA条码和实时PCR探针两种方法对英国大型连锁超市销售的386份大西洋鳕(Gadusmorhua)和黑线鳕(Melanogrammusaeglefinus)进行检测。尽管还有相当一部分产品被误贴标签,但总体的正确标记率达到94.34%。Cawthorn等[27]对南非的餐馆和零售商收集的149个鱼类进行鉴定,结果餐馆和零售商的样品标签误贴率分别为18%和19%。Hanner等[28]从加拿大大都市地区众多的零售机构采集了254份海鲜样品进行DNA条形码分析,并与加拿大食品检验署的“鱼类列表”进行对照,发现有41%的样品被误贴标签。
国际贸易中也常常发生鱼类贴错标签的问题。进口鱼类产品时常常不使用规范的学名,或者不同产品使用相似的名称。Yan等[29]对我国进口的标称为短体羽鳃鲐(Rastrelligerbrachysoma)的鱼类进行鉴定。根据形态学特征和COⅠ基因序列分析,该批鱼属于细尾副叶鲹(Alepesapercna)而非短体羽鳃鲐。DNA条形码提供了一种实用的防止国际贸易欺诈的方法。
在DNA条形码技术的改进方面也取得了一些进展。Tagliavia等[30]针对海鲜产品开发了一种快速DNA提取方法,可以对任何海鲜产品进行快速处理,并通过PCR方法进行海鲜成分的鉴定。Shokralla等[31]依据COⅠ基因片段设计了6对微型条形码引物,建立了一种微型DNA条形码系统,用于检测北美洲所有常见的鱼类加工产品。应用该微型条码引物对测试了44种有代表性的鱼产品,有41种可以在物种或属的水平进行鉴定。单个引物对微型条形码最大的鉴定成功率为88.6%,相比之下,全长DNA条形码引物对的鉴定成功率只有20.5%。
随着消费者对水产品需求的增加和对海洋健康的关注,已经越来越强调贸易措施以防止非法来源的鱼和鱼产品进入国际市场。欧盟要求在整个分销链上对捕获的鱼和鱼产品的物种名称进行明确标示,确保消费者能做出有意识的选择。
1.6 DNA条形码在濒危鱼类物种保护中的应用
生物保护规划首先需要明确当地的物种资源,而且必须对过去和现有的物种进行统计和分析,即需要有完整的生物多样性知识。通过建立DNA条形码数据库,可以了解物种的濒危程度,进而确定需要优先保护的候选物种。Geiger等[32]对地中海的淡水鱼区系DNA条码库(526种)进行了分析,覆盖498种,占现存种类的98%。为建立一个物种保护的识别系统,对3165例分类学家确定的物种的DNA条码进行了聚类分析。结果发现遗传形态的不连续性,表明可能有64个以前未确认的潜在物种。通过计算物种的濒危分值确定了需要优先保护的候选物种。
非法贸易极大地影响了鱼类种群,降低了世界范围内的鱼类多样性。尽管已经有许多水生物种被列入监管和保护名录,但仍然有一些干燥或加工的水产品,如鱼翅等因为缺乏关键的形态特征而通过国际贸易进行非法交易。还有一些观赏鱼类或鱼类幼体等,因为难以依据形态准确确认物种名称而被非法贸易。因此,DNA条形码的应用被认为是监管和惩处水生动物非法交易,保护濒危鱼种的重要手段。
随着鲨鱼产品消费量的增加,导致某些鲨鱼种群的减少。Chuang等[34]对台湾渔船捕获的231条鲨鱼、零售商店的316例鱼翅以及台湾海关扣留的113例鱼翅等产品进行物种鉴定,结果分别有23、24和14种鲨鱼。超过60%的零售鱼翅物种在渔获鲨鱼中也有发现,表明台湾市场上鱼翅产品大部分来自本土,但也有一定比例的国际贸易产品,有4种鱼翅产品在台湾水域从未发现。海关扣留的样品中也发现了一些本土的物种。除了物种鉴定,还发现了狐形长尾鲨(Alopiasvulpinus)等鲨鱼在COⅠ基因的地理分化。该结果可以让渔业当局更有效地跟踪鲨鱼的起源,加强这些鲨鱼的管理和保护。
由于目前很多观赏鱼都来自野外采集,尽管已出台许多针对濒危物种贸易的监管政策,还有很大一部分世界自然保护联盟名录中的物种未得到有效保护,主要原因是难以准确鉴定物种。因为观赏鱼交易时常常使用多个商品名称,而不是科学的学名。Dhar等[35]在对印度出口的观赏鱼品种进行研究时,发现51种观赏鱼中,有17种属于濒危物种,有14种有多个贸易名称。因此,发展物种的DNA分子标记刻不容缓,可以有效管理观赏鱼贸易,满足保护濒危物种的需求。
梅氏食蚊脂鲤(Lignobryconmyersi)是分布于巴西东北部的一种濒危淡水鱼。尽管巴西法律禁止捕捞,但因为当地人非常喜欢,偶尔可以在街头市场发现该鱼。Rodrigues等[36]通过准确测定不同地区的梅氏食蚊脂鲤COⅠ序列,并与市场上容易混淆的石斧脂鲤(Triportheussp.)和斑条丽脂鲤(Astyanaxfasciatus)等相关鱼类进行比较。可以确认市场上梅氏食蚊脂鲤的原产地,从而为查处非法交易和保护该濒危鱼类提供依据。
1.7 DNA条形码在防止外来鱼类物种入侵中的应用
对水生动物国际贸易管理不善,可能导致外来物种和外来病原体的入侵,对生物多样性和经济活动带来极大风险。跟踪和记录外来入侵物种,需要强大的鉴定工具来支持。DNA条形码技术提供了一种有效的识别入侵物种的方法,使得相关管理部门有能力识别高风险鱼类,并加强监管措施。但由于目前国际贸易中很多国家对鱼类的物种鉴定没有引起足够的重视,加上所使用的商品名称多而混乱,因此在国际贸易中开展鱼种鉴定的还很少。
鳢鱼俗称黑鱼,原产于亚洲和非洲,可能成为很多地区具有重大威胁的入侵物种。至少有乌鳢(Channaargus)、斑鳢(C.maculata)和眼鳢(C.marulius)等3种黑鱼被认为已进入北美并建立了种群,但其来源仍然不清楚。Serrao等[37]对25种黑鱼的121个组织样本的DNA条形码进行研究,并结合GenBank数据库的36种相关物种的序列进行聚类分析,结果出现49个分支,提示可能存在潜在的物种多样性。研究结果表明,DNA条形码技术可以为推断入侵途径提供有用的依据。Knebelsberger等[38]对涵盖德国列入濒危动物红皮书的近80%的鱼类的DNA条形码进行分析。结果将德国潜在的外来物种数量从14增至21,为进一步开展区系调查打下基础。
1.8 DNA条形码在鉴别观赏鱼类物种中的应用
随着生活水平的提高,全球观赏鱼爱好者也越来越多。观赏鱼产业和国际贸易飞速发展。由于观赏鱼种类繁多,经济价值相差巨大,因此对观赏鱼物种的快速鉴定,成为观赏鱼国际贸易中迫切需要解决的难题。虽然目前约80%的观赏鱼来自人工繁育,但绝大多数观赏鱼的原产地来自非洲、南美洲以及东南亚部分国家和地区。近年来观赏鱼类DNA条形码取得了一些进展,但还有很多观赏鱼尚未建立有效的DNA条形码。
印度的海洋观赏鱼种类十分丰富,被大量出口到世界各地。因这些鱼类在不同发育阶段变化很大,在现场很难准确识别,DNA条形码技术被用来识别物种。Bamaniya等[39]分析了印度31种具有重要商业价值的海洋观赏鱼类,其种内平均遗传距离为0.446,但来自不同地理位置的同一种观赏鱼的种内变异增加了15~20倍。因此,该地区可能存在异域品系或潜在的物种。Dhar等[35]对来自印度东北部不同出口商的128种出口观赏鱼样品进行DNA条形码和形态学研究。其中84个样品被直接鉴定为35种,有44个样品仅仅基于COⅠ条形码很难区分。但通过形态学和系统发育树分析,可以确认这些样品属于16种。Kowasupat等[40]基于COⅠ和ITS1序列,认为在泰国除了已发现的原种泰国斗鱼(Bettasplendens)等5种斗鱼以外,至少还有3种潜在的斗鱼。
铅笔鱼是观赏鱼市场上常见的观赏鱼。国际贸易中常见的铅笔鱼有20种,绝大部分来自亚马逊河流域,铅笔鱼的分类仍然存在很多问题。Benzaquem等[41]对14种铅笔鱼的COⅠ基因进行分析,标称为二线铅笔(Nannostomusdigrammus)、三线铅笔(N.trifasciatus)、单线铅笔(N.unifasciatus)和骑士铅笔(N.eques)的样品存在很大的聚类差异,提示可能存在潜在的铅笔鱼物种。尤其是二线铅笔和三线铅笔的分歧值很高,其同种地位值得怀疑。
DNA条码可以对形态学上有争议的物种进行准确分类。线纹脂鲤属(Nematocharax)是一个有争议的单种属,是一种雌雄异型的热带鱼,存在遗传和形态的多样性。Barreto等[42]通过对巴西7个种群的维纳斯线纹脂鲤(N.venustus)的COⅠ序列和形态分析,认为这些种群至少已经分化为5种独立的线纹脂鲤。这些遗传分化种存在显著的形态差异。表明线纹脂鲤属已经不是一个单种属。因此建议在巴西东北部受影响最多的沿海盆地应优先建立保护计划。
1.9 DNA条形码在其他方面的应用
生态监测有助于对复杂生态系统功能的理解。鱼类食谱反映了其周围环境和栖息地的状态,因此可以作为环境状况的有用的指标。但由于消化作用,通常难以在的物种水平视觉识别肠道内容物。Jo等[46]采用COⅠ DNA条形码技术对塔斯马尼亚湖褐鳟(Salmotrutta)的肠道内容物的物种身份进行鉴定,获得了44个独特的分类群(OTU)。与肉眼识别相比,DNA分析方法具有更高的精度,还可以分辨出比肉眼识别方法多1.4倍的分类群。研究结果表明,鱼类食谱的DNA条形码是发现潜在的生物多样性的一个有益的补充。
海洋鱼类在其发育过程中表现出显著的表型改变,其早期幼体因为缺乏明显的形态特征而很难在物种水平进行鉴别。但鱼类幼体的生态学特征,对珊瑚礁鱼类的保护计划十分重要。Hubert等[47]将DNA条形码应用于珊瑚礁鱼类的保护计划中,在莫雷阿岛10个站点开放水域收集仔鱼,测定了505条仔鱼的DNA条形码,其中373条被鉴定到物种水平。涵盖106种鱼类,有11种为远洋和深海物种,另外95种可以在邻近的珊瑚礁发现对应的成年鱼。
2 鱼类DNA条形码应用存在的主要问题
鱼类DNA条形码对一些近缘种的鉴定能力有待提高。目前鱼类DNA条形码主要依据COⅠ基因序列,对其他基因的研究还很少,但COⅠ基因对一些近缘种的鉴定方面显然存在很大的不足。Hanner等[28]对最近确认的10种旗鱼用DNA条形码进行鉴定,其中5种旗鱼很容易区分。但条纹马林鱼(Kajikiaaudax)等5种旗鱼因COⅠ序列高度相似而难以区分。Knebelsberger等[38]分析了来自德国各大水系的92种鱼类的COⅠ序列,依据DNA条形码只有78%的物种可以准确鉴定。针对这些近缘物种,需要研究进化更快的基因作为DNA条形码,也可以建立其他的分子生物学方法。Overdyk等[48]建立了实时PCR方法,可以特异性识别鲱形白鲑(Coregonusclupeaformis)的幼体,并可在现场应用。
鱼类DNA条形码对种以上阶元的鉴定存在局限性,即对亚种水平的鉴定能力十分有限。鱼类表型变异受环境等因素的影响很大,因此鱼类种群的形态识别有时会被证明非常困难。即使具备一些高度保守的表型变异,但由于其基因序列变异很小而难以选择合适的DNA标记。亚洲龙鱼(Scleropagesformosus)属于骨舌鱼科,是原产于东南亚的一种高价值观赏鱼,因体色和斑纹不同而被分为红龙、金龙和青龙等多个品种,其欣赏价值和经济价值差别巨大,但至今尚未阐明这些品种之间的系统关系。Mohd-Shamsudin等[49]利用Cyt B和COⅠ基因分析不同品种龙鱼的遗传关系,结果表明体色变化与COⅠ或Cyt B基因分化程度没有关系,因此无法根据这两个基因来确定龙鱼的品种。Mu等[50]发现3个品种的亚洲龙鱼的12S rRNA、16S rRNA和COX3基因序列变化范围分别达到1.66%、2.4%和3.2%,但分子变异主要发生在品种内。表明亚洲龙鱼出现了显著的遗传分化,但因为遗传距离较小,不适合品种之间鉴别的分子标记。
鱼类生命条形码计划等数据库的资料还有待补充和完善。虽然经过十多年的发展,BOLD在物种水平已经登录了259 990种动物的5 203 877条COⅠ DNA条形码序列,但相对于数量庞大的生物种类来说,该数据库资料还远未完善。尤其对观赏鱼以及很多外来的人工繁育的生产性鱼类,因为完整的DNA条形码需要提供地理分布等信息,这些鱼类的DNA条形码数据还很少,因而影响了条码的分辨率。Hanner等[28]在鉴别加拿大海鲜产品时发现,大多数样品很容易确定,但有部分样品因为条码的分辨率有限或不完善,结果无法确定。
3 展 望
鱼类DNA条形码解决了很多传统分类学无法解决的难题,推进了鱼类分类学和生态学的发展,在食品安全、生物安全以及鱼类资源保护等方面也取得很多应用成果。但该技术的应用时间还很短,还存在一些不足或需要解决的问题。虽然传统的形态学分类方法有很多局限性,但传统分类方法和新的分类方法相结合,对完整理解、评估和保护鱼类的多样性都是必要的。研究表明,生态学家、分类学家、分子生物学家和地球科学家等科学团队的技术和研究的结合,才能从空间、时间和形式等方面解决鱼类物种演化的复杂性[51]。当DNA条形码不能有效识别时,可以通过整合Genbank等相关数据库的补充信息,进行综合判定。对一些近缘种或分化很低的物种,可以采用其他进化速度更快的基因,如控制区基因等进行鉴定。此外,鱼类DNA条形码的应用还需要国际间的通力合作,全球规划,合理分工,共享科研成果,建立一个全球性的DNA条形码管理系统,才能解决DNA条形码面临的难题。我国的鱼类DNA条形码工作目前还仅限于物种分类以及小范围的鱼类物种和区系的研究,在其他领域的应用研究还很少。今后更需要借助国际合作,充分利用其他国家的先进经验,更好地服务于水产资源保护,确保食品安全和生物安全。
[1] Ward R D.FISH-BOL, a case study for DNA barcodes[J]. Methods Mol Biol, 2012(858):423-439.
[2] Ward R D, Hanner R, Hebert P D N. The campaign to DNA barcode all fishes[J]. J Fish Biology,2009,74(2):329-356.
[3] Savolainen V, Cowan R S, Vogler A P, et al. Towards writing the encyclopedia of life: an introduction to DNA barcoding[J]. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci,2005,360(1462):1805-1811.
[4] 林森杰,王路,郑连明,等.海洋生物DNA条形码研究现状与展望[J].海洋学报,2014,36(12):1-17.
[5] Decru E, Moelants T, De Gelas K, et al. Taxonomic challenges in freshwater fishes:a mismatch between morphology and DNA barcoding in fish of the north-eastern part of the Congo basin[J]. Mol Ecol Resour,2016,16(1):342-352.
[6] Pugedo M L, de Andrade Neto F R, Pessali T C,et al. Integrative taxonomy supports new candidate fish species in a poorly studied neotropical region:the Jequitinhonha River Basin[J]. Genetica, 2016, 144(3):341-349.
[7] Gomes L C, Pessali T C, Sales N G, et al. Integrative taxonomy detects cryptic and overlooked fish species in a neotropical river basin[J]. Genetica,2015,143(5):581-588.
[8] Díaz J, Villanova G V, Brancolini F, et al. First DNA barcode reference library for the identification of South American freshwater fish from the lower Paraná river[J]. PLoS One,2016,11(7):e0157419.
[9] Rosso J J, Mabragana E, Castro M G, et al. DNA barcoding neotropical fishes:recent advances from the Pampa Plain, Argentina[J]. Mol Ecol Resour,2012,12(6):999-1011.
[10] Khedkar G D, Jamdade R, Naik S, et al. DNA barcodes for the fishes of the Narmada, one of India's longest rivers[J]. PLoS One,2014,9(7):e101460.
[11] Lakra W S, Singh M, Goswami M, et al. DNA barcoding Indian freshwater fishes[J].Mitochondrial DNA,2015(24):1-8.
[12] Bineesh K K, Dr A G, Jena J K, et al. Molecular identification of bigeyes (Perciformes, Priacanthidae) from Indian waters[J]. Mitochondrial DNA. Part A, DNA Mapping, Sequencing, and Analysis,2016, 27(6):4638-4642.
[13] Sati J, Sah S, Pandey H,et al. Phylogenetic relationship and molecular identification of five Indian Mahseer species using COI sequence[J]. J Environ Biol,2013,34(5):933-939.
[14] Osterhage D, Pogonoski J J, Appleyard S A,et al. Integrated taxonomy reveals hidden diversity in northern Australian fishes:a new species of seamoth (GenusPegasus) [J]. PLoS One,2016,11(3):e0149415.
[15] Shen Y, Guan L, Wang D, et al. DNA barcoding and evaluation of genetic diversity in Cyprinidae fish in the midstream of the Yangtze River[J]. Ecol Evol,2016,6(9):2702-2713.
[16] Chen W, Ma X, Shen Y,et al. The fish diversity in the upper reaches of the Salween River, Nujiang River, revealed by DNA barcoding[J]. Sci Rep,2015(5):17437.
[17] Zhang J P, Liu Z, Zhang B, et al. Genetic diversity and taxonomic status ofGymnocyprischilianensisbased on the mitochondrial DNA cytochrome b gene[J]. Genet Mol Res,2015,14(3):9253-9260.
[18] Zhong B, Chen T T, Gong R Y,et al. Classification ofPelteobagrusfish in Poyang Lake based on mitochondrial COI gene sequence[J]. Mitochondrial DNA,2015(7):1-3.
[19] Steinke D, Connell A D, Hebert P D. Linking adults and immatures of South African marine fishes[J]. Genome,2016,59(11):959-967.
[20] Frantine-Silva W, Sofia S H, Orsi M L, et al. DNA barcoding of freshwater ichthyoplankton in the Neotropics as a tool for ecological monitoring[J]. Mol Ecol Resour, 2015,15(5):1226-1237.
[21] Becker R A, Sales N G, Santos G M, et al. DNA barcoding and morphological identification of neotropical ichthyoplankton from the Upper Paraná and São Francisco[J]. J Fish Biol,2015,87(1):159-168.
[22] Breman F C, Loix S, Jordaens K, et al. Testing the potential of DNA barcoding in vertebrate radiations:the case of the littoral cichlids (Pisces, Perciformes, Cichlidae) from Lake Tanganyika[J]. Mol Ecol Resour,2016,16(6):1455-1464.
[23] Dahruddin H, Hutama A, Busson F, et al. Revisiting the ichthyodiversity of Java and Bali through DNA barcodes:taxonomic coverage, identification accuracy, cryptic diversity and identification of exotic species[J]. Mol Ecol Resour, 2017,17(2):288-299.
[24] Lowenstein J H, Burger J, Jeitner C W, et al. DNA barcodes reveal species-specific mercury levels in tuna sushi that pose a health risk to consumers[J]. Biol Lett,2010,6(5):692-695.
[25] Di Pinto A, Mottola A, Marchetti P,et al. Packaged frozen fishery products:species identification, mislabeling occurrence and legislative implications[J]. Food Chem,2016,194(3):279-283.
[26] Helyar S J, Lloyd H A, de Bruyn M,et al. Fish product mislabelling:failings of traceability in the production chain and implications for illegal, unreported and unregulated (IUU) fishing[J]. PLoS One, 2014,9(6):e98691.
[27] Cawthorn D M, Duncan J, Kastern C, et al. Fish species substitution and misnaming in South Africa:an economic, safety and sustainability conundrum revisited[J]. Food Chem,2015(185):165-181.
[28] Hanner R, Floyd R, Bernard A, et al. DNA barcoding of billfishes[J]. Mitochondrial DNA,2011,22(S1):27-36.
[29] Yan S, Lai G, Li L, et al. DNA barcoding reveals mislabeling of imported fish products in Nansha new port of Guangzhou, Guangdong province, China[J]. Food Chem,2016(202):116-119.
[30] Tagliavia M, Nicosia A, Salamone M, et al. Development of a fast DNA extraction method for sea food and marine species identification[J]. Food Chem,2016(203):375-378.
[31] Shokralla S, Hellberg R S, Handy S M,et al. A DNA mini-barcoding system for authentication of processed fish products[J]. Sci Rep,2015(5):15894.
[32] Geiger M F, Herder F, Monaghan M T, et al. Spatial heterogeneity in the Mediterranean Biodiversity Hotspot affects barcoding accuracy of its freshwater fishes[J]. Mol Ecol Resour, 2014,14(6):1210-1221.
[33] Asis A M, Lacsamana J K, Santos M D.Illegal trade of regulated and protected aquatic species in the Philippines detected by DNA barcoding[J]. Mitochondrial DNA. Part A, DNA Mapping, Sequencing, and Analysis,2016,27(1):659-666.
[34] Chuang P S, Hung T C, Chang H A, et al. The species and origin of shark fins in Taiwan's fishing ports, markets, and customs detention:a DNA barcoding analysis[J]. PLoS One, 2016,11(1):e0147290.
[35] Dhar B, Ghosh S K. Genetic assessment of ornamental fish species from North East India[J]. Gene,2015,555(2):382-392.
[36] Rodrigues A D, Brandão J H, Bitencourt J A,et al. Molecular identification and traceability of illegal trading inLignobryconmyersi(Teleostei:Characiformes), a threatened Brazilian fish species, using DNA barcode[J]. Scientific World Journal, 2016(4):9382613.
[37] Serrao N R, Steinke D, Hanner R H. Calibrating snakehead diversity with DNA barcodes:expanding taxonomic coverage to enable identification of potential and established invasive species[J]. PLoS One, 2014,9(6):e99546.
[38] Knebelsberger T, Dunz A R, Neumann D, et al. Molecular diversity of Germany′s freshwater fishes and lampreys assessed by DNA barcoding[J]. Mol Ecol Resour,2015,15(3):562-572.
[39] Bamaniya D C, Pavan-Kumar A, Gireesh-Babu P, et al. DNA barcoding of marine ornamental fishes from India[J]. Mitochondrial DNA. Part A, DNA Mapping, Sequencing, and Analysis, 2016,27(5):3093-3097.
[40] Kowasupat C, Panijpan B, Laosinchai P, et al. Biodiversity of theBettasmaragdina(Teleostei:Perciformes) in the northeast region of Thailand as determined by mitochondrial COI and nuclear ITS1 gene sequences[J]. Meta Gene, 2014(2):83-95.
[41] Benzaquem D C, Oliveira C, Batista Jda S, et al. DNA barcoding in pencil fishes (Lebiasinidae:Nannostomus) reveals cryptic diversity across the Brazilian Amazon[J]. PLoS One, 2015,10(2):e0112217.
[42] Barreto S B, Nunes L A, da Silva A T, et al. IsNematocharax(Actinopterygii, Characiformes) a monotypic fish genus? [J].Genome,2016,59(10):851-865.
[43] Garcia D A, Lasso C A, Morales M, et al. Molecular systematics of the freshwater stingrays (Myliobatiformes:Potamotrygonidae) of the Amazon, Orinoco, Magdalena, Esequibo, Caribbean, and Maracaibo basins (Colombia-Venezuela):evidence from three mitochondrial genes[J]. Mitochondrial DNA,2015(24):1-13.
[44] Castro Paz F P, Batista Jda S, Porto J I.DNA barcodes of Rosy Tetras and allied species (Characiformes:Characidae:Hyphessobrycon) from the Brazilian Amazon basin[J]. PLoS One, 2014,9(5):e98603.
[45] Kullander S O, Karlsson M, Karlsson M, et al.Chalinochromiscyanophleps, a new species of cichlid fish (Teleostei:Cichlidae) from Lake Tanganyika[J]. Zootaxa,2014,3790(3):425-438.
[46] Jo H, Ventura M, Vidal N, et al. Discovering hidden biodiversity:the use of complementary monitoring of fish diet based on DNA barcoding in freshwater ecosystems[J]. Ecol Evol, 2015,6(1):219-232.
[47] Hubert N, Espiau B, Meyer C, et al. Identifying the ichthyoplankton of a coral reef using DNA barcodes[J]. Mol Ecol Resour, 2015,15(1):57-67.
[48] Overdyk L M, Braid H E, Naaum A M, et al. Real-time PCR identification of lake whitefishCoregonusclupeaformisin the Laurentian Great Lakes[J]. J Fish Biol,2016,88(4):1460-1474.
[49] Mohd-Shamsudin M I, Fard M Z, Mather P B, et al. Molecular characterization of relatedness among colour variants of Asian arowana (Scleropagesformosus)[J]. Gene,2011,490(1/2):47-53.
[50] Mu X D, Song H M, Wang X J, et al. Genetic variability of the Asian arowana,Scleropagesformosus, based on mitochondrial DNA genes[J]. Biochemical Systematics and Ecology, 2012(44):141-148.
[51] Skelton P H, Swartz E R.Walking the tightrope:trends in African freshwater systematic ichthyology[J]. J Fish Biol, 2011,79(6):1413-1435.
ProgressonApplicationofFishDNABarcoding:aReview
CHEN Xinzhong, GUO Shulin, GONG Yanqing
( Xiamen Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau, Xiamen 361026, China )
fish; DNA barcoding; species identification; labeling of fish product; progress
10.16378/j.cnki.1003-1111.2017.06.025
S917
C
1003-1111(2017)06-0834-09
2016-12-26;
2017-02-20.
福建省农业引导性(重点)项目(2015N0015) .
陈信忠(1964-),男,研究员,博士;研究方向:海洋生物学.E-mail:chenxz@xmciq.gov.cn.