生物学基础学科

生物多样性事业需要科学、可操作的物种概念

洪德元

摘要：生物多样性与人类息息相关。过去知道，人类的衣食住行离不开生物，现在更知道，人类未来的居住环境也离不开生物多样性。人类未来生活的质量要看人类如何对待生物多样性，那就是深入研究它、保护它、可持续地利用它。生物多样性由3个层次组成，即生态系统多样性、物种多样性和遗传多样性。其中物种起着承上启下的作用，向上组成生态系统，向下是遗传多样性的载体。如果对物种多样性认识不到位就不可能真正认识生物多样性，深入研究、有效保护和可持续利用就很可能是一句空话。物种概念（species concept）是生物学家们持续关注的中心问题。物种概念决定物种划分，而物种划分的合理性关系到生物多样性的研究、保护和可持续利用。本文把现有较流行的物种概念分为6类，并对它们予以述评后指出：虽然生物学物种概念、遗传学物种概念、进化物种概念、系统发生物种概念等从不同方面认识了物种的客观真实性和物种的本质，但在实践中都难以操作。绝大多数物种是由分类学家划分的，但目前所有的分类学物种概念都包含有不同程度的主观因素，从而造成物种划分的人为性，对生物多样性研究造成负面影响。因此，生物多样性事业需要科学、可操作的物种概念。本文在吸收了生物学物种概念、遗传学物种概念、进化物种概念以及系统发生物种概念等的长处，也分析了它们的不足和问题的基础上提出一个新的物种概念，即形态-生物学物种概念。最后，以芍药属（paeonia）几个物种的处理为例，说明这一新的物种概念是可操作的，划分的物种在形态上区别分明，易于鉴别。更重要的是，其结果得到基于25或26个单拷贝或寡拷贝核基因 DNA序列所作的系统发生分析的强有力支持。各个物种在系统发生树上形成单系和独立的谱系，表明其间各自形成独立的基因库，没有基因交换，它们独立进化，有各自的生态位和独立的分布区。因此，利用这一新的物种概念能够达到预期目标。

来源出版物：生物多样性, 2016, 24(9)：979-999

入选年份：2016

非模式生物转录组研究

刘红亮，郑丽明，刘青青，等

摘要：转录组代表细胞或组织内全部的 RNA转录本（RNA transcripts），反映不同生命阶段、不同组织类型、不同生理状态以及不同环境条件下表达的基因。转录组研究可以从整体水平上反映细胞中基因表达情况及其调控规律。非模式生物（non-modelorganism）具有许多模式生物不具备的特征，其转录组研究对解决基因进化、遗传育种以及生态等诸多方面的问题具有重要意义。但由于非模式生物缺乏参考基因组信息，传统的转录组研究方法操作复杂，实验周期长，花费大，使得其转录组研究进展缓慢。新一代高通量 RNA测序技术（RNA-seq）完全改变了转录组学的研究模式，迅速成为研究非模式生物转录组的先进技术。文章详细论述了近年来利用 RNA-seq技术进行非模式生物转录组研究的进展情况，从样品准备、高通量 DNA测序以及生物信息学分析等方面介绍了利用RNA-seq技术研究非模式生物转录组的一般流程及方法，并对其中有待进一步研究的问题进行了展望。广义的转录组代表细胞或组织内全部的RNA转录本，包括编码蛋白质的mRNA和各种非编码RNA（rRNA、tRNA、microRNA等）。而狭义的转录组系指所有编码蛋白质的mRNA总和。转录组研究能够从整体水平研究基因功能以及基因结构，揭示特定生物学过程以及疾病发生过程中的分子机理，已广泛应用于基础研究、临床诊断和药物研发等领域。随着一系列模式生物（model organism）基因组测序的完成，功能基因组学的研究方兴未艾。参照这些模式生物的参考序列（reference sequence），研究人员可以很方便的研究该物种的全基因组转录情况、不同个体之间的SNP差异、基因拷贝数差异等。而对于非模式生物而言，情况则不容乐观。虽然具有许多模式生物缺少的有趣特征，且其转录组研究对解决基因进化、遗传育种以及生态等诸多方面的问题具有重要意义。

来源出版物：遗传, 2013, 35(8)：955-970

入选年份：2016

丙二醛对离体草鱼肠道黏膜细胞的损伤作用

姚仕彬，叶元土，蔡春芳，等

摘要：饲料油脂是水产饲料的重要组成部分，也是养殖鱼类重要的能量来源。然而油脂容易发生氧化酸败产生多种中间产物、终产物，鱼类摄食油脂氧化产物后，生理生化功能会受到破坏，导致鱼类生长缓慢。丙二醛（MDA）是油脂氧化酸败重要的有毒有害物质之一，如MDA可以与蛋白质产生交联作用，修饰蛋白，从而造成蛋白形态发生改变，导致细胞生理功能改变。肠道是饲料消化、吸收的主要器官且为抵御细胞与毒素的屏障，饲料中有害物质首先会对肠道黏膜组织产生作用。研究氧化油脂对鱼类肠道的损伤需要将其明确氧化产物分离进行逐个研究，本实验室已建立草鱼肠道黏膜细胞（intestinal epithelial cells，IECs）分离和原代培养的技术方法，并利用分离培养的草鱼肠道黏膜细胞研究了氧化豆油水溶物整体对肠道黏膜细胞的存活、生长、细胞形态和内结构具有全面性的损伤作用，作为油脂氧化后有毒有害物质之一的 MDA，是否在氧化油脂损伤肠道黏膜细胞的过程起到重要的作用？目前关于MDA对鱼类肠道损伤研究尚未见报道，其对肠道的损伤机理也尚不清楚。本实验以MDA为实验材料，在草鱼肠道黏膜细胞培养液中加入不同浓度MDA，研究MDA不同剂量、不同作用时间下对肠道黏膜细胞生长、细胞形态及相关酶活性的变化，探索MDA对肠道黏膜细胞的损伤机制，为研究油脂氧化产物对鱼类肠道操作机制提供基础。以丙二醛为实验材料，在草鱼Ctenopharyngodon idella肠道黏膜细胞培养液中加入不同浓度丙二醛，研究丙二醛不同剂量、不同作用时间下对肠道黏膜细胞生长、细胞形态结构及相关酶活性的变化。结果显示：添加（1.23～9.89）μmol/L丙二醛在3～9 h时显著抑制了离体草鱼肠道黏膜细胞生长及存活率，以6 h时抑制程度较为明显，导致贴壁细胞减少，细胞集落面积减小，其中添加4.94 μmol/L丙二醛细胞胞浆内脂肪滴沉积，空泡变性，同时线粒体肿胀，核固缩；丙二醛对细胞分化成熟有抑制，且增加细胞器膜的通透性，导致胞浆酶漏出；6 h时丙二醛处理组培养液中GSH-PX、T-A℃活力显著降低（P＜0.05）。结果表明：添加（1.23～9.89）μmol/L丙二醛对草鱼肠道黏膜细胞产生了损伤，表现为抑制细胞生长，改变细胞形态、结构，导致膜结构破坏，且作用程度与添加浓度、作用时间呈正相关关系。研究认为丙二醛对草鱼肠道黏膜细胞具有显著性的损伤作用。

来源出版物：水生生物学报, 2015, 39(1)：133-141

入选年份：2016

CRISPR-Cas9基因编辑技术在病毒感染疾病治疗中的应用

殷利眷，胡斯奇，郭斐

摘要：CRISPR-Cas9基因编辑技术是基于细菌或古细菌CRISPR介导的获得性免疫系统衍生而来，由一段RNA通过碱基互补配对识别DNA，指导Cas9核酸酶切割识别的双链DNA，诱发同源重组或非同源末端链接，进而实现在目的 DNA上进行编辑。病毒通过特异的受体侵染细胞，其基因组在细胞内发生复制、转录、翻译等过程完成其生活周期，某些 DNA病毒或逆转录病毒基因组会整合到宿主基因组中。基因治疗是病毒感染疾病治疗的新趋势。因此，基因编辑技术在持续感染的病毒或潜伏感染病毒疾病治疗中具有重大的潜在意义。文章主要从 CRISPR-Cas9作用机制以及在病毒感染疾病治疗中的应用等方面进行了综述。病毒感染是危害人类健康的主要威胁之一，与人类密切相关的有呼吸道病毒、肝炎病毒和艾滋病病毒等。目前应对病毒感染的方法主要依赖疫苗防御和药物治疗。但是，对于很多病毒感染性疾病现在还没有完全有效或彻底的治疗方法，如艾滋病等。随着全基因组测序技术的成熟和基因功能的研究，通过基因编辑进行抗病毒治疗成为可能。最初的基因编辑方法是利用玻璃管注射DNA到细胞核或者电转DNA进入细胞，进入细胞核中的 DNA通过同源重组的方式插入到细胞基因组中，从而达到基因编辑的目的。但是，利用该方法将外源 DNA片段准确插入到目的位置的效率很低。之后又出现了锌指核酶（zinc-finger nuclease，ZFN）和转录激活样效应核酶（transcription activator-like effector nuclease，TALEN），这两种核酸酶都是由经过设计的、序列特异性的 DNA结合元件和非特异性的DNA切割结构域结合而成的嵌合体，其作用机制分别是锌指蛋白或者转录激活样效应蛋白衍生构建的 DNA识别蛋白模块和具有双链DNA切割活性的FokⅠ核酸酶偶联，特异的切割目标双链DNA，产生双链断裂DNA，然后激活细胞内的同源重组（homology-directed repair，HDR）或者非同源末端链接（nonhomologous end joining，NHEJ），利用细胞自身的修复机制对 DNA进行遗传学修饰，大大提高了在目的区域发生删除、错配或插入突变的机率。

来源出版物：遗传, 2015, 37(5)：412-418

入选年份：2016