會“說話”的DNA條形碼

楊俊波 曾春霞 楊靜

如果你是一個花卉愛好者，面對一盆不在花期的蘭花，是否想知道它究竟是價值連城亦或只是普通品種？如果你是一名司法工作者，面對整車樹皮粉末，是否想確認這究竟是一般木材加工剩余物，還是盜伐的國家重點保護植物？如果你是一位植物研究者，面對兩株長相類似的植物，它們究竟是同種還是不同物種？大千世界無奇不有，人類還有面孔雷同，那不會說話的植物怎么去區分呢？

物種分類鑒定難題由來已久

如上所述現實生活中的案例，其實都涉及對物種的準確鑒定，不論是對普通愛好者還是植物分類學研究者，甚至是為國執法的森林警察來說，都是一項犯難的課題。物種的準確鑒定是人類認識自然、合理使用生物資源、保護瀕危物種、控制有害物種的首要前提，是人類社會可持續發展的重要基礎。

從林奈提出科學的生物物種命名法規至今，歷經250多年的傳統分類學研究，科學家僅僅命名了170多萬種生物。物種的發現和鑒定以及對生物多樣性的認識和揭示依然任重道遠。傳統分類學研究主要依靠物種的形態學特征（如植物的花和果）來判別，而對這些特征的把握往往離不開對某一生物類群的長期觀測積累。目前的現狀是，由于需要較強的專業背景，物種鑒定往往是少數人的“專利”。另一方面，由于各種原因，分類學被冠以“傳統”和“古老”的標簽，分類學家的研究成果被低估，國家對分類學這一基礎學科的投入逐漸減少，分類學成為冷門學科，傳統分類鑒定本身的局限性和不斷縮編的分類學家隊伍，使傳統的基于物種形態學的鑒定面臨巨大挑戰，已無法滿足社會發展的巨大需求。

隨著分子生物學技術特別是DNA測序技術的快速發展，早在20世紀80年代，就有研究者探索使用生物的一小段遺傳信息（DNA序列）對病毒、細菌、原生生物、考古發現物等缺乏明顯形態特征的生物體進行鑒定。但直到2003年，加拿大圭爾夫大學教授、加拿大皇家學會會員保羅·赫伯特（Paul Hebert）才正式提出“DNA條形碼”概念，成立了生命條形碼聯盟，并隨后發起了國際生命條形碼計劃（International Barcode of Life Project，iBOL）。

國際生命條形碼計劃（iBOL）

國際生命條形碼計劃是一個擁有加拿大、中國、歐盟和美國四個中心節點，以及10個區域節點（澳大利亞、阿根廷、巴西、印度、墨西哥、新西蘭、挪威、俄羅斯、沙特阿拉伯和南非）和9個國家節點（哥倫比亞、哥斯達黎加、肯尼亞、韓國、馬達加斯加、巴拿馬、巴布亞新幾內亞、秘魯和巴基斯坦）的重大國際合作計劃。

DNA條形碼技術究竟有何神奇？

DNA條形碼技術的研究和應用成為全球性生物學及其相關領域的研究熱點。2008年6月，我國成立了國際生命條形碼中國委員會，并啟動了“國際生命條形碼——中國項目預研”、“重要生物DNA條形碼系統構建”、“依托種質資源庫的植物DNA條形碼研究”和“《中國植物志》的數字化和DNA條形碼”等一系列有影響的重大項目。作為世界生物多樣性熱點國家，雖然我國DNA條形碼的研究啟動相對較晚，但起步較快，投入較多，僅僅是昆明植物研究所，在中國西南野生生物種質資源庫等平臺的支持下，短短5年內，就已完成了274科2300多屬近萬種植物的約10萬個DNA條形碼測序工作，并搭建了“中國珍稀瀕危植物DNA條形碼鑒定平臺”等數據分析平臺，初步建立了中國植物DNA條形碼系統框架。

那么，DNA條形碼究竟是何物，有何神奇之處，能引得眾多研究者競折腰？通俗講，DNA條形碼技術就是提取不同物種的一段或少數幾段特定并有差異的遺傳信息，建成標準DNA條形碼信息數據庫。當遇到需要鑒定的樣品時，提取它的DNA條形碼信息，并運用生物信息學技術，在數據庫里進行比對，找到所屬物種，即完成鑒定。DNA條形碼技術首先要確定標準的條碼片段。目前，動物的標準條碼片段主要是線粒體基因上的某一段序列。而植物的標準條碼片段比較復雜，由葉綠體基因組和核基因組分別提供部分片段作為核心片段。在不同植物類群中，有時還輔以其他1～2個片段。

與傳統基于形態學的物種鑒定相比，DNA條形碼序列的檢測更穩定。同一物種如果生長在不同環境，處在不同的發育階段（如幼葉、落葉等），或鑒定物是物種不同的組織器官（如毛發、碎片等），這些都不影響測定結果，只要待測物的DNA條形碼序列與數據庫比對完全一致，就能夠快速準確鑒定出來。

動物鑒別也適用DNA條形碼技術嗎？

羚羊角為名貴藥材，早在《神農本草經》中就有記載，原先正品羚羊角一般取自賽加羚羊（別名“高鼻羚羊”）。由于人類對賽加羚羊的過度捕殺及走私，該物種已經處在瀕臨滅絕的境地。我國民間也常常將山羊、綿羊、藏原羚、蒙原羚、鵝喉羚等的角作為賽加羚羊角的代用品使用。

在中藥材市場上，羚羊角常被制成粉末、絲條和片塊等形狀銷售，羚羊角種類難以識別，不利于監控賽加羚羊等瀕危物種的走私。因此，科研人員用羚羊線粒體基因上的某段序列作為分子標記，研究鑒定賽加羚羊角與其代用品的DNA條形碼。通過鑒定，能客觀準確地區分賽加羚羊角和其易混代用品，為監管羚羊角貿易和控制賽加羚羊角走私提供了技術支持。

DNA條形碼讓待測物“自報家門”

一旦建立起完善的標準數據庫，即使在植物分類學專家也很難給出鑒定結果的情況下，運用DNA條形碼技術，也往往能起到意想不到的效果。下面是兩個真實的案例：

橄欖油是西餐使用的主要油料，然而，橄欖油市場充斥著假冒和欺詐行為。在DNA條形碼技術產生之前，食品質量監督機構如美國食品和藥物管理局（FDA）等均沒有有效途徑鑒別出摻有菜籽油或葵花籽油等油品的橄欖油。自從印度和美國的科學家使用DNA條形碼技術后，他們成功將正品橄欖油和其他油料區分開，并開發出了一套適用于橄欖油制品的快速檢測方法，有效維護了橄欖油市場的健康秩序。

2011年5月的一天，云南省迪慶藏族自治州森林公安局的辦案人員在例行巡查中查獲一車，車上疑似是國家一級保護植物紅豆杉的樹皮粉末。面對辦案人員的問詢，嫌疑人拒不承認。“車上的樹皮粉末究竟是何物種？可能來自哪里？”這些難題成為偵破案件的關鍵。但面對既沒有傳統植物鑒定特征（植物物種的鑒定往往依靠花或果的特征來判斷）又殘缺不全的碎片、粉末，如何才能準確鑒定它們？這時，辦案人員找到了昆明植物研究所的甘副所長，將待測樣品送到了中國西南野生生物種質資源庫分子生物學實驗中心，通過“DNA提取→純化→特定片段PCR擴增（一種體外DNA擴增技術，基本原理類似于DNA的天然復制過程）→純化→測序→序列拼接→序列比對”等DNA條形碼技術鑒定，結果很快就呈現出來。經鑒定，被測樣品確是國家一級保護植物紅豆杉，并且樣品采伐地為橫斷山區，這些檢測結果為破獲該紅豆杉盜采案提供了準確證據，使犯罪分子受到了巨大震懾，并最終得到了應有的懲罰。

近年來，隨著DNA條形碼數據庫的不斷完善，這種快速可重復、準確又可靠的技術被應用得越來越廣泛，國內外均有大量成功案例。中國西南野生生物種質資源庫分子生物學實驗中心通過使用DNA條形碼技術，成功鑒定真假蘭花、苦刺花樹根皮、真假川貝母等使用傳統分類方法難以鑒定的物種。

DNA條形碼技術的困境與未來

盡管DNA條形碼技術顯示了巨大的價值，但隨著研究和運用的擴大和深入，基于一代測序技術的DNA條形碼仍面臨著兩方面的問題。

一是由于一些生物類群及其進化歷史的極其復雜多樣性，許多種類的核心DNA條形碼及其補充條形碼均很難達到鑒定要求，有的情況下鑒定率甚至很低，需要新的條碼和技術的加入。近年來，由于測序技術的快速發展，特別是“新一代測序（NGS測序）技術”的出現和迅速發展，為更快速高效獲取植物遺傳信息提供了新的選擇和可能，遺傳信息的獲取正變得越來越容易，用超級條形碼或細胞器條形碼對生物類群進行鑒定的方式已顯示出強大的生命力。目前，它們已成為第一代條形碼（DNA核心條形碼）的重要補充和條形碼研究新的生長點。

另一方面問題，由于建立物種遺傳信息的標準數據庫是DNA條形碼和分子鑒定工作的前提，然而當下分類學科發展不平衡，從事傳統分類學研究的人越來越少，加上生態環境的惡化，物種生存空間不斷收縮，使得某些物種的采集和鑒定十分困難，這些已成為DNA條形碼研究和運用的最大瓶頸。

世界上數以億計的館藏標本，不僅是植物名稱、形態性狀、采集鑒定等信息的承載者，也是遺傳信息重要的潛在來源。植物標本館有序收藏了大量經過準確鑒定的標本，蘊含著豐富的物種信息，特別是其中的模式標本，它們是每個物種名稱的直接承載者。正是由于館藏植物標本的豐富性、易得性和物種鑒定的準確性，因而，建立在新技術基礎上的標本DNA信息提取技術體系，也是DNA條形碼技術發展的另外一個方向。

iFlora計劃與“移動版智能植物志”

中國植物DNA條形碼研究項目團隊帶頭人李德銖于2012年正式提出以DNA條形碼技術為重要元件的智能植物志計劃（iFlora計劃），即整合現代植物學、DNA 條形碼數據與信息技術，通過系列關鍵技術的集成和攻關，構建能便捷、準確識別植物和掌握相關數字化信息的集成裝備和信息平臺。iFlora計劃第一階段的目標就是在五年內，對中國植物80%的屬和25%的物種建立iFlora框架。隨著測序平臺的進一步發展，特別是更快速和小型化的測序裝備的發展，以DNA條形碼技術為重要元件的移動版智能植物志，有望在不遠的將來出現，將植物分類學引入新的發展高度。