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市場分析
DNA條碼技術
2008/7/23 8:06:26
 10年前,用一種簡便易行的方法把物種一一歸類似乎是一項不可能的任務,但是感謝DNA條碼技術,如今地球上所有的物種都可能擁有一份獨特的“身份證”。 

    掃描生命的條碼 
    在超級市場的收銀臺前排隊等候結賬是一件令人感到無聊的事情,但是如果沒有條碼,你可能會感到更加無聊——如今,幾乎所有的超級市場的商品上都印有粗細、間隔不同的黑白條紋圖案。利用光學識別系統,可以很容易地把保存在這種條紋圖案上的信息閱讀出來,從而加快顧客結賬的速度。 

    多年以來,生物分類學家一直在尋找能夠迅速區分不同物種的方法。傳統的分類學鑒定依賴于針對物種外觀或者解剖特征的識別,這種方法既費時費力,又可能出現錯誤。如果每一個物種都攜帶有表明自己身份的“條碼”,那么物種分類和鑒定工作將得到很大簡化。 

    但是這樣一種條碼存在嗎?當然,把一種生物的全部DNA信息和已知的DNA數據庫進行比較,也可以用于鑒別物種,但是沒有人會這樣做,因為這一方法實在過于昂貴和低效了?茖W家希望找到一種特別的DNA標簽,它既不算太長,又具有獨特性。 

    2003年年初,加拿大圭爾夫大學的生物學家保羅·赫伯特(Paul Hebert)和他的同事在《英國皇家學會學報B輯》上發表了一篇論文,提出用一種基因的序列作為鑒別不同物種的“條碼”。被赫伯特等人選中的這一基因是線粒體的細胞色素c氧化酶I基因(COI基因)。線粒體為細胞提供能源,它擁有一套獨立于細胞核的DNA。在過去,科學家也曾把線粒體DNA當做一種走時準確的“分子鐘”,從而繪制出生物的進化歷史。 

    “COI基因很有效,因為線粒體DNA進化的速度很快,因此可以把年輕的物種區分開來!焙詹馗嬖V筆者。COI基因的約650個“字母”,構成了每一個物種的DNA條碼。這是進化帶來的遺產:在過去的某個時代,一個物種分化成了兩個不同的物種,它們的COI基因也就走上了不同的進化道路。然而,對于同一物種,COI基因基本上是相同的。 

    測定COI基因也很簡單,因為它只有幾百個“字母”的長度。這對于現代測序儀器而言簡直易如反掌。而且由于COI基因來自線粒體,它的拷貝數量更多(因為一個細胞只有一個細胞核,卻有許多線粒體)。測定一次COI基因只需要數美元的費用。測出一份樣本中的COI基因的序列之后,把它們與已經測定完成的序列相比較,就可以知道該樣本是否屬于某個已知物種,而不需要利用傳統的分類學方法進行鑒定。 

    事實上,傳統分類學可能在一些時候犯了錯誤。2004年,赫伯特的研究組分析了哥斯達黎加的一種蝴蝶。這并不是一種蝴蝶:這組科學家在分析了將近500只蝴蝶的條碼之后,發現它們分別屬于10個物種。他們的這項研究成果發表在《公共科學圖書館·生物學》雜志上。同年,赫伯特等人還測定了200多種北美鳥類標本的條碼,用于驗證DNA條碼的效果,他們還發現了此前被劃為同一物種的鳥類其實屬于幾個物種。 

    2007年年初,赫伯特等人又將北美鳥類的DNA條碼數據擴展到了600多種,約占北美所有鳥類的90%以上。這表明了DNA條碼技術在鑒定鳥類物種方面是可行的。 

    還有更大的DNA條碼計劃正在實施。例如,一個稱為生命條碼數據系統(BOLD)的網絡數據庫正在收集整理目前已經測序的DNA條碼。 

    迄今為止,地球上大約170萬個物種已經得到了正式分類和命名,但是科學家估計這不過是實際存在的物種數量的很小一部分——可能還有至少超過1億種生物沒有登記在案。而國際生命條碼項目(iBOL)打算在5年內完成50萬個物種的條碼測定工作。 

    從赫伯特提出利用COI基因為動物建立DNA條碼,到大規模測序的啟動,其間不過幾年時間。赫伯特說,他認為DNA條碼領域迅速興起是因為存在對物種鑒別的巨大需求,同時DNA條碼已被證明可以提供有效的身份識別!拔疫相信,自動化識別的前景存在著巨大的吸引力! 

    赫伯特等人甚至設想了手持式的DNA條碼掃描設備(就像超級市場的條碼掃描槍)。有了這樣的設備,可以改善諸如進出口檢疫等領域的工作——隨著全球交通運輸的迅速發展,越來越多的外來物種搭乘飛機或者輪船來到其他的國家,對那里的生態造成了威脅。迅速的DNA條碼識別可以有效阻止外來物種的入侵。 

    血漬的研究 

    DNA條碼技術也可能用于避免航空事故。盡管鳥類的身體看上去脆弱無比,飛機與鳥類相撞的后果(尤其是高速飛行的飛機)可能是災難性的。如今,美國聯邦航空管理局和軍方正在利用DNA條碼技術分析與飛機相撞的鳥類種類!爸懒四男B類經常與飛機相撞,以及時間、高度和遷徙路線,就可能避免每年數千起鳥類和軍用、民航飛機相撞事故中的一部分!泵绹访苌瓕W會的卡拉·德弗(Carla Dove)說。 

    弄清物種的身份對于控制某些傳染病也有重要的意義!拔米訔l碼計劃”是生命條碼聯盟(CBOL)發起的一個展示性質的項目。該計劃打算測定全世界3000多種已知蚊子中的80%。迄今為止,已經有超過250種蚊子的條碼被測定了出來。 

    蚊子的條碼數據可以幫助控制通過蚊子傳播的疾病,例如瘧疾、西尼羅河病毒和登革熱。全世界每年有5億人感染瘧疾。這種疾病的病原體是通過蚊子叮咬人類傳播的。但是并非所有的蚊子都能傳播瘧疾,借助蚊子條碼,人們就可以更有針對性地控制傳播瘧疾的蚊子,包括發現蚊子幼蟲的棲息地并噴灑殺蟲藥。 

    盡管仍然是一項新興技術,DNA條碼已經給人們帶來了一些意外的發現。今年早些時候,美國自然歷史博物館的馬克·希德爾(Mark Siddall)領導的一個研究組報告說,他們發現在醫學和科研領域使用的一種醫用水蛭的身份存在問題。 

    數個世紀以來,水蛭這種能吸血的動物被用于某些醫療目的,包括治療頭疼、發熱、肥胖等等,盡管事實上水蛭并不能治療這些疾病,F代醫學也使用水蛭,例如,水蛭可以用于清除斷指再植患者的淤血?茖W家也把水蛭當做實驗動物,因為它能產生抗凝血的物質,而且它也可以用于神經科學和發育生物學的研究。如今,被美國食品與藥品管理局批準臨床使用的水蛭被稱為歐洲醫蛭。由于歐洲醫蛭的棲息地不斷減少,目前歐洲醫蛭多數是人工養殖的。 

    但是,希德爾的研究組利用DNA條碼技術發現了目前市場上的歐洲醫蛭大多數是它的一種近親。事實上,他們發現此前被認為是一個物種的“歐洲醫蛭”其實是由至少三個物種組成的。這些水蛭的形態很相近,以至于此前幾乎沒有人注意到這種“魚目混珠”的情況。這項研究的成果意味著過去幾十年的科學文獻中提到的歐洲醫蛭至少有一部分是其他的水蛭。 

  植物的難題 

    從一開始的時候,科學家就意識到了COI基因可能無法用于植物條碼!熬粒體DNA在植物中的進化速度太慢了,以至于COI基因不能成為一個有效的身份系統!焙詹卣f。2003年,赫伯特在史密森學會的一次會議上呼吁植物學家尋找植物中類似于COI基因那樣可以充當條碼的基因。然而在4年之后,他們仍然沒有就植物條碼達成一致意見。 

    他們尋找植物條碼的大方向是一致的。使用細胞核DNA可能面臨拷貝過少的問題,線粒體在植物中的進化速度又太慢?瓷先ヒ粋不錯的選擇是植物特有的葉綠體。葉綠體是植物的太陽能工廠,負責把太陽能轉換成化學能,供植物使用。與線粒體類似,葉綠體也擁有自己的DNA。 

    史密森學會下屬的全國自然歷史博物館的約翰·克雷斯(John Kress)的研究組提出的方案是使用一個名為rbcL的葉綠體基因作為植物的DNA條碼?死姿拱l現,這個基因可以用于有效地識別一些植物,但是對于另外一些植物,它就不太有效了。于是他提出增加另外一個基因從而提高條碼的可靠性。其他的條碼基因候選者包括英國皇家植物園的馬克·蔡斯(Mark Chase)等人提出的三個基因的方案。韓國高麗大學的金基重等人也提出了用三個基因作為植物DNA條碼的方案。 

    生命條碼聯盟的執行秘書大衛·辛德爾(David Schindel)說,目前有幾個不同的研究組正在測試不同的候選基因區域在鑒別各種植物上的效果,有數個區域值得認真考慮,他們希望最終有兩到三個區域就足以擔任植物DNA條碼的任務了。他對最終的解決方案持樂觀的態度。 

    “我認為我們只要幾個月時間就可以找到這個問題的實際解決方案了!毙恋聽栒f。 
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