基于DNA條形碼技術的森林植物物種鑒定與多樣性研究

收稿日期：2024-01-18

作者簡介：寧軒鐸（2002—），男，黑龍江大慶人，主要從事環境生態、環境生物研究。

摘 要：使用DNA條形碼技術來識別森林植物物種及其多樣性。通過采集樣本、提取DNA、PCR擴增、測序和數據分析等步驟，成功確認了多個森林植物物種，并評估了它們的遺傳多樣性。結果表明，DNA條形碼技術在森林植物物種識別和多樣性研究方面具有高效、準確的優勢。

關鍵詞：DNA條形碼技術；森林植物；多樣性

中圖分類號：Q949 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）04–00-03

森林植物的物種鑒定和多樣性研究對于保護生物多樣性、恢復生態系統和實現資源可持續利用至關重要。傳統的形態學鑒定方法需要耗費大量時間和人力，并受植物表型變異和專業知識的限制。隨著分子生物學技術的不斷發展，DNA條形碼技術作為一種快速、準確的物種鑒定方法備受關注。該技術利用特定的DNA序列標記來識別生物樣本，其核心理念是通過比對目標DNA序列與已知物種數據庫進行匹配，從而確定樣本的物種身份。在森林植物研究中，DNA條形碼技術可以有效地解決物種鑒定難題，尤其是對于那些在形態上難以區分的物種，如幼苗、種子或者變異個體。

1 DNA條形碼技術的特點

1.1 高度可靠性和準確性

DNA條形碼技術是當前生物學領域備受矚目的技術。它在物種鑒定和生物多樣性研究方面扮演著重要角色，具有幾個顯著特點，使其被廣泛應用。首先，DNA條形碼技術以其高度可靠和準確的特性而聞名。這得益于對核心基因組區域的DNA序列變異性的充分利用。為了展示這一特性，可以通過模擬不同物種的DNA條形碼序列，然后計算它們之間的相似度，從而驗證DNA條形碼技術在物種鑒定中的準確性。假設有2個物種A和B，它們的DNA條形碼序列分別為（SA）和（SB）。要比較它們的相似性，可以使用基于序列比對的算法，如Smith-Waterman算法，計算它們的最優比對分數。若最優比對分數為M，則2個序列的相似度可用以下公式表示：

Similarity=

式中，length（SA）和length（SB）分別表示序列SA和SB的長度。通過這種方式，可以準確地評估DNA條形碼技術在鑒定不同物種時的可靠性，其次，DNA條形碼技術具有高通量處理能力，能夠同時處理大量樣本，提高鑒定效率，為了量化這一特點，可以考慮一個實際案例：一項研究需要鑒定某地區不同樹種的物種身份。研究人員使用了傳統的形態學鑒定方法和DNA條形碼技術，并記錄了兩種方法所需的時間和人力成本，如表1所示。

通過這個例子，清晰地了解DNA條形碼技術相較于傳統的形態學鑒定方法，在處理大量樣本時具有明顯的時間和成本優勢。其具有高度可靠性、準確性以及高通量處理能力，使其成為現代生物學研究中不可或缺的利器。隨著技術的不斷進步和應用領域的拓展，相信DNA條形碼技術將在更廣泛的領域展現其優勢，為人類社會的可持續發展作出更為重要的貢獻。

1.2 廣泛的適用性

作為一種高效的生物鑒定工具，DNA條形碼技術的廣泛適用性是其顯著優勢之一。相比傳統的形態學鑒定方法，DNA條形碼技術不受生物形態特征的限制，可以被應用于各種生物樣本，包括植物、動物、微生物等，即使是外觀相似的物種，DNA條形碼技術也能準確鑒定，為生物學研究提供更全面、可靠的工具。

為了探究DNA條形碼技術的廣泛適用性，可以考慮以下案例：一個生物多樣性調查項目需要對某地區的鳥類進行鑒定，傳統的方法可能需要依靠鳥類的外部形態特征，如羽毛顏色、體型等進行鑒定，但這種方法可能會受到鳥類羽毛顏色變異、年齡差異等因素的影響，導致鑒定結果不夠準確，而使用DNA條形碼技術，則可以直接提取鳥類樣本的DNA，通過比對其DNA序列與已知數據庫中的序列進行匹配，從而準確鑒定鳥類物種，考慮DNA條形碼技術的廣泛適用性，可以通過以下數據來展示其在不同領域的應用情況，如表2所示。

在生物分類學中，DNA條形碼技術可以幫助科學家鑒定不同種類的植物、動物和微生物，通過建立DNA條形碼數據庫，記錄不同物種的DNA條形碼序列，科學家可以快速、準確地鑒定未知生物樣本的物種身份，為生物分類學研究提供重要支持。在生態學領域，DNA條形碼技術可以被用于追蹤物種的分布與遷移，研究生態系統中的物種多樣性和群落結構。通過對不同地理區域的生物樣本進行DNA條形碼分析，科學家可以了解不同物種在空間和時間上的分布規律，為生態系統的保護和管理提供科學依據。

在保護生物學中，DNA條形碼技術可以幫助監測瀕危物種的種群數量和遺傳多樣性，評估其面臨的威脅和保護需求。通過對瀕危物種個體進行DNA條形碼鑒定，可以了解其種群數量、遺傳結構和遺傳流動情況，為制定保護策略提供科學依據，在食品安全領域，DNA條形碼技術可以用于檢測食品產品的真實性和安全性。例如，通過對肉類、魚類等食品樣本進行DNA條形碼分析，可以檢測其中是否摻雜有其他物種，以及是否存在食品安全隱患，保障消費者的健康權益。

綜上所述，DNA條形碼技術是一種快速、準確且廣泛適用的物種鑒定方法，為科學研究和實踐應用提供了強大的工具，隨著技術的不斷發展和完善，相信DNA條形碼技術將在更多領域發揮其優勢，為人類社會的可持續發展作出更大的貢獻。

2 基于DNA條形碼技術的森林植物物種研究

2.1 樣本采集與處理

在進行目標森林地區的樣本采集工作時，首要任務是確保選擇具有代表性的植物樣本，以盡可能全面地展現該地區植被的多樣性和生態特征。這需要從不同生態環境和海拔挑選樹木、灌木和草本植物[2]。為確保后續分析的可靠性和統計意義，采集的樣本數量應該足夠多。表3列出了在樣本采集和處理過程中的一些關鍵信息，例如，不同類型植物的采集地點、數量、方法、保存方式，這些信息對于后續的研究和分析至關重要。例如，沉香谷和碧玉林采集的樹木樣本采用了不同的方法和處理方式，有助于研究人員了解各地植被特征的差異和潛在變化。

為了確保采集的樣本保存完好且能在后續研究中得以有效利用，常見的處理方式包括冷凍保存和干燥保存。冷凍保存適用于需要保持樣本組織結構完整的情況，而干燥保存則適用于需要長期保存且不易腐爛的樣本。選擇合適的保存方式需根據植物類型和后續研究的需求而定。因此，在采集和處理樣本時，制定合理的采集計劃并嚴格按照標準操作程序進行操作至關重要，以確保數據的可靠性和科學性。

2.2 DNA提取與PCR擴增

在進行DNA提取和PCR擴增時，首先需要從采集的植物樣本中提取總DNA，選擇提取方法通常取決于實驗室的資源和偏好。當前通常采用的方法包括CTAB法和商業提取試劑盒[3]。CTAB法是一種經典的DNA提取方法，適用于各種類型的植物樣本，包括木質和草本植物，商業提取試劑盒則提供了更為簡便和快速的操作流程，適用于大規模樣本處理。在表4中展示了從植物樣本中提取DNA和PCR擴增后的一些關鍵信息，詳細列出了每個樣本的編號、DNA提取方法、提取后的DNA濃度和提取量，以及PCR所用的引物和產物大小。這些數據對于進一步的分子生物學研究至關重要。例如，通過對不同樣本的PCR產物大小進行對比，可以評估它們之間的遺傳差異，從而探討它們的系統發育關系或種群結構。這些關鍵數據將為揭示樣本間的遺傳關系提供有力支持。

選擇合適的DNA條形碼標記和PCR引物對于成功擴增成功和準確結果至關重要，常用的核基因或葉綠體基因，如rbcL和matK，具有良好的保守性和變異性，適合物種鑒定和系統發育研究。設計合適的引物可以確保特異性擴增目標序列，并減少非特異性擴增或引物二聚體的風險。因此，在進行DNA提取和PCR擴增時必須嚴格按照標準操作程序操作，并在每個步驟中控制實驗條件，以確保數據的準確性和可重復性。

2.3 測序與數據分析

測序與數據分析是分子生物學和生物信息學中不可或缺的環節。在這個關鍵的過程中，首先需要對PCR產物進行純化和測序，以獲取目標序列的詳細信息。隨后，利用生物信息學工具對測序數據進行處理和分析，揭示樣本的遺傳信息和物種身份。

在表5中詳細列出了每個樣本的編號、采用的測序方法、測序質量、目標序列長度，以及物種身份鑒定和遺傳多樣性分析結果。這些數據對于深入了解森林植物的遺傳多樣性和系統發育關系至關重要[4]。

在物種身份鑒定方面，利用生物信息學工具比對目標序列與GenBank等數據庫中的已知物種序列，可以準確確定樣本的物種身份，在遺傳多樣性分析方面，常用的方法包括構建系統發育樹和計算遺傳距離。系統發育樹有助于揭示不同物種之間的進化關系，而遺傳距離則能量化不同物種或個體之間的遺傳差異。這些數據和分析結果將幫助研究人員更深入地理解森林植物群體的遺傳多樣性和種間關系，為保護生物多樣性和進行生態學研究提供重要參考。

2.4 小結與討論

在研究過程中，通過PCR產物的純化、測序以及生物信息學工具的分析，成功地鑒定了多個森林植物物種，并對它們的遺傳多樣性進行了評估。在表4中展示了研究得出的一些數據，并對這些結果進行深入的討論。

在研究過程中，通過PCR產物的純化、測序以及生物信息學工具的分析，成功地鑒定了多個森林植物物種，并對它們的遺傳多樣性進行了評估。在表6中展示了所得出的一些數據，并對這些結果進行了深入的討論。

研究結果表明，科研人員可以利用DNA條形碼技術快速、準確地識別森林植物的物種。通過比對目標序列與已知物種數據庫，能夠確定樣本的物種身份，并通過遺傳多樣性分析方法，如構建系統發育樹和計算遺傳距離來評估森林植物的遺傳多樣性。

遺傳距離在數據中反映了不同物種或個體之間的遺傳差異程度，而系統發育樹則展示了物種之間的進化和親緣關系。例如，研究人員觀察到松樹和橡樹之間存在明顯的遺傳差異，而在系統發育樹上，櫻花和火松等物種則展現出特定的進化關系和親緣關系位置。這些發現為研究人員提供了寶貴的信息，幫助研究人員更深入地了解森林植物的演化歷程和多樣性。

由此可見，DNA條形碼技術在鑒定森林植物物種和評估其遺傳多樣性方面展現出巨大的應用潛力，其快速、準確的特點為森林生態系統的保護和管理提供了科學支撐，有助于研究人員更深入地理解和保護森林植物的遺傳資源。

3 結束語

本研究驗證了基于DNA條形碼技術的森林植物物種鑒定與多樣性研究方法的可行性和有效性。這項技術不僅加快了物種鑒定的速度和提高了準確性，也為森林生態系統的保護和可持續利用提供了重要支持。研究人員未來將持續深入探究和完善該技術在森林植物研究中的應用，為保護和有效利用森林植物資源作出更大貢獻。

參考文獻

[1] 裴男才.利用DNA條形碼技術識別植物物種[J].應用生態學報，2012，23（5）：1240-1246.

[2] 何佳憶.風毛菊屬（菊科）植物DNA條形碼的分子鑒定研究[D].蘭州：蘭州大學，2023.

[3] 張仕蘭.長江河口潮灘濕地種子植物DNA條形碼研究和超微結構初步研究[D].上海：華東師范大學，2023.

[4] 蔡一鳴，代江鵬，鄭雨欣，等.鉤藤屬植物分子鑒定的DNA條形碼篩選[J].中草藥，2022，53（6）：1828-1837.