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植物鉴定新技术——DNA条形码

作者: 来源:PNAS 2018-03-07 我要评论( )

DNA条形码(DNA Barcoding)是利用标准基因片段对物种进行快速和准确鉴定的新技术,已成为公认的较为理想的动物DNA条形码。来自中国科学院昆明植物研究所的研究人员根据约6286个中国

DNA条形码(DNA Barcoding)是利用标准基因片段对物种进行快速和准确鉴定的新技术,已成为公认的较为理想的动物DNA条形码。来自中国科学院昆明植物研究所的研究人员根据约6286个中国种子植物样本进行综合分析后,发现三个质体DNA候选条形码片段具有较高的通用性,进一步分析了种子植物DNA条形码。该成果进一步推动了DNA序列数据在植物分类和鉴定上的应用。相关研究成果公布在《美国国家科学院院刊》(PNAS)杂志上。

植物鉴定新技术——DNA条形码

上图:不同目分类的DNA条码比较

DNA条形码的概念由加拿大科学家Paul Hebert等于2003年提出,自该概念诞生起,DNA条形码已成为生物学领域发展最迅速的学科前沿之一。线粒体细胞色素C氧化酶基因CO1由于其引物通用性高、长度合适、进化速率较快、可以区分近缘物种等优点,随后,Hebert等人发起了“国际生命条形码计划”,并提出了实施方案框架。

作为对国际生命条形码联盟这一建议的回应,2009年8月起,在中国科学院大科学装置开放研究项目“依托种质资源库的植物DNA条形码研究”的支持下,中国科学院昆明植物研究所李德铢研究员联合全国19个科研院所和高校62名研究人员组成的“中国植物条形码研究团队(China Plant BOL Group)” ,深入开展了种子植物DNA条形码的研究。研究团队根据对主要来自中国的种子植物75科141属1757种共约6286个样本(每个种至少2个样本)的四个DNA候选条形码片段(rbcL, matK, trnH-psbA和ITS)引物通用性、序列质量和物种分辩率等的综合分析,发现三个质体DNA候选条形码片段具有较高的通用性;核糖体核DNA候选条形码ITS在被子植物中的通用性较高,而在裸子植物中稍低。研究还发现,ITS具有最高的物种分辩率,与三个质体DNA条形码片段的任何一个组合均可分辨69.9-79.1%的物种,显著高于rbcL +matK条形码组合49.7%的分辨率。此外,ITS的部分序列ITS2也表现出较高的物种分辨率。因此,研究团队建议将ITS作为种子植物的核心DNA条形码(rbcL+matK +ITS),同时强调了利用多个样本取样和不同遗传方式的DNA片段开展植物DNA条形码研究的重要性。

对于该研究取得的成就,国际生命条形码联盟植物工作组主席Pete Hollingsworth教授给予了很高的评价。“研究团队通过大样本取样的比较分析,对ITS序列的优缺点进行了综合评估,对将ITS纳入植物条形码的常规运用提供了有说服力的研究案例”,他强调说“该文的发表代表将DNA序列数据纳入植物物种水平分类和鉴定常规应用迈出了重要一步。”

作者简介:

李德铢

1963年11月生于江西省南康市。现任中国科学院昆明植物研究所所长,研究员,博士生导师。

1990年4月在中国科学院昆明植物研究所获理学博士学位;1993年任昆明植物研究所副研究员;1993年赴英国爱丁堡皇家植物园做博士后研究; 1994年转入剑桥大学植物科学系暨植物园做第二期博士后兼Emmanuel学院研究员。1996年当选为林奈学会会员(Fellow of the Linnean Society)。1996年底回国,被特批为研究员。1997年获国家杰出青年科学基金资助,同年入选中国科学院“百人计划”。1998年获第六届中国青年科技奖和首届云南青年科技奖。1997年9月至2005年10月任中国科学院昆明植物研究所副所长。2004年入选首批“新世纪百千万人才工程”国家级人选,同年被英国爱丁堡皇家植物园聘为荣誉研究员。2010年因其在促进中英两国植物学合作关系方面所做出的杰出的个人贡献,而被英女王代表约克公爵安德鲁王子殿下授予大英帝国荣誉官佐勋章。

研究领域主要是植物分类、分子系统发育、生物地理学和生物多样性保护

主要项目:

1.国家科技基础条件平台建设子项目“重要野生种质资源收集保存的标准化及共享试点”

2.中科院知识创新重要方向“重要野生禾本科植物的比较基因组学和重要功能基因的研究”

3.973项目“中国-喜马拉雅地区生物多样性演变和保护研究”课题“重要生物类群的演变与地理格局”

原文摘要:

Comparative analysis of a large dataset indicates that internal transcribed spacer (ITS) should be incorporated into the core barcode for seed plants

China Plant BOL Group, De-Zhu Li, Lian-Ming Gao, Hong-Tao Li,Hong Wang, Xue-Jun Ge, Jian-Quan Liu, Zhi-Duan Chen,Shi-Liang Zhou, Shi-Lin Chen, Jun-Bo Yang, Cheng-Xin Fu,Chun-Xia Zeng, Hai-Fei Yan, Ying-Jie Zhu, Yong-Shuai Sun,Si-Yun Chen, Lei Zhao, Kun Wang, Tuo Yang, andGuang-Wen Duan

A two-marker combination of plastid rbcL and matK has previously been recommended as the core plant barcode, to be supplemented with additional markers such as plastid trnH–psbA and nuclear ribosomal internal transcribed spacer (ITS). To assess the effectiveness and universality of these barcode markers in seed plants, we sampled 6,286 individuals representing 1,757 species in 141 genera of 75 families (42 orders) by using four different methods of data analysis. These analyses indicate that (i) the three plastid markers showed high levels of universality (87.1–92.7%), whereas ITS performed relatively well (79%) in angiosperms but not so well in gymnosperms; (ii) in taxonomic groups for which direct sequencing of the marker is possible, ITS showed the highest discriminatory power of the four markers, and a combination of ITS and any plastid DNA marker was able to discriminate 69.9–79.1% of species, compared with only 49.7% with rbcL + matK; and (iii) where multiple individuals of a single species were tested, ascriptions based on ITS and plastid DNA barcodes were incongruent in some samples for 45.2% of the sampled genera (for genera with more than one species sampled). This finding highlights the importance of both sampling multiple individuals and using markers with different modes of inheritance. In cases where it is difficult to amplify and directly sequence ITS in its entirety, just using ITS2 is a useful backup because it is easier to amplify and sequence this subset of the marker. We therefore propose that ITS/ITS2 should be incorporated into the core barcode for seed plants.

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植物鉴定新技术——DNA条形码,DNA条形码,植物分类

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