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    DNA條形碼在進化生態學研究中的應用

      行業動態     |      2023-03-10 10:56:03

          DNA條形碼是最近十幾年發展起來的一門生物技術, 具有標準、通用、快捷等優點, 其主要目標是通過較短的DNA序列在物種水平上對現存生物類群和未知生物材料進行識別和鑒定。目前, 植物DNA條形碼已較成熟地應用于群落系統發育(或稱譜系)與進化生態學研究, 主要回答兩大科學問題:

          (1)通過DNA條形碼構建群落系統發育關系, 其核心理念是通過具有不同進化速率的DNA條形碼片段組合, 相對準確地構建出特定森林群落的系統發育關系大框架, 且在科或者屬級分類階元下的類群能獲得比基于APG系統進化樹更精準的末端分支。

          (2)將基于DNA條形碼的群落系統發育關系用于探討局域、區域乃至全球尺度上森林群落格局的構建方式和維持機制 其核心理念是通過運用實測的DNA條形碼群落系統發育關系, 獲取更接近真實的群落系統發育結構和多樣性分布格局, 減少發生統計誤差的概率。

          此外, DNA條形碼作為一種非損傷性技術, 可量化動物取食特征和種子傳播交互網絡, 評估每種食果動物對不同小生境中種子雨的貢獻, 還可檢測不同食果動物是否選擇性地取食不同果實或種子類型, 在植食性特征和種子凋落格局之間構建出溝通的橋梁, 進而構建植食性動物與被取食植物的復雜網絡關系, 探討動植物協同進化關系。

          最近幾年, 植物DNA條形碼研究在群落水平上獲得了一系列進展, 如物種辨別、群落系統發育關系構建、群落結構探索和生物多樣性指數評價等,這主要得益于CTFS-ForestGEO 網絡和中國森林生物多樣性監測網絡等研究平臺。當然, 其研究仍然存在一些問題:

           (1)各森林群落現有的植物DNA條形碼序列數據大多零散分布于各樣地, 部分數據尚未得到充分應用。為了有效使用現有數據, 建議各樣地自行或授權上傳并管理相關數據, 其他用戶經過必要審核后可共享相應數據。數據擁有者和使用者之間可以進行實時交流, 實現跨區域數據管理、整合與應用。

          (2)疑難類群的準確辨別仍有難度, 常規DNA測序技術及所獲得的數據難以滿足更多科研任務。對目標類群進行標本鑒定的一個重要發展趨勢是基于大量DNA條形碼序列的數據庫進行初步分子鑒定, 同時與形態、化學、細胞、化石等生物證據相結合。但是, 重建群落內各物種起源過程, 探索物種的形成和分化速率, 預測未來演化進程等復雜科學問題, 需要借助更大規模的DNA序列數據庫和更強大的分析方法。轉錄組、全基因組測序等新一代生物技術能提供更多的遺傳信息, 有望在對疑難生物類群進行快速、準確識別的基礎上, 促進DNA條形碼序列信息在生態、進化和生物多樣性等方面的充分應用。

          (3)最優植物DNA條形碼有待更多的評價。選取合適的DNA條形碼對進化生態學研究至關重要。在動物和微生物研究領域, 通用DNA條形碼的應用和進展相對順利(前者: 線粒體基因細胞色素C氧化酶COI; 后者: ITS和18S rDNA) 。在植物界, 現有的核心植物DNA條形碼是葉綠體片段組合rbcL + matK, 但諸多研究表明, 它們只能識別70%左右的常見陸生植物種類甚至更少, 特別是在鑒定近緣和其他疑難類群時需要增加trnH-psbA和ITS等更多片段才能獲得較為理想的分辨效果。因此,今后可能會對陸生植物條形碼進行新一輪的評估,權衡DNA條形碼在物種水平鑒定的有效性、便捷性、投入產出比等方面, 最終遴選出各方較能接受的新方案。

          總之, 作為一種實用技術, 植物DNA條形碼在生態、進化和生物多樣性保護等多個領域發揮著重要作用。當然, 在成為適用性更強、方法論更成熟的技術手段之前, 植物DNA條形碼仍有待完善,其在發展過程中遇到的部分難題可通過學科融合和技術革新逐漸得到解決。

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