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及时准确的生物多样性分析对物种鉴定提出了持续的挑战,因为大范围的、综合可靠的、重复的衡量生物多样性均依赖于精准的物种鉴定。以传统形态学为基础的生物类群的鉴定不仅费时费力,而且对于尚未发育成熟的生物个体而言很难进行准确的鉴定。至今大量生态学家和环境生物学家在致力于生物多样性研究,然而由于调研手段耗时长、成本高,而且依赖于分类学经验,严重阻碍了相关学科的发展。 2003年,Paul Hebert提出了DNA条形码这一概念,人们利用基因组中的一个特殊的小片段——DNA条形码,努力构建所有真核生物的标准序列文库,利用未知物种的序列与已知物种的序列进行比对,从而对未知物种进行鉴定。目前大部分序列文库的构建主要通过桑格测序法,但是这种方法还不足以应付大量环境样本的处理,因为环境样本中包含从细菌到高等真核生物等许多生物个体,逐一分离这些个体,然后利用单样本桑格测序法将会面临很大困难。如果我们想要处理成千上万的样本时,或者想重复检测大范围的生物多样性时,桑格测序的效率显然不够。 随着2005年新一代高通量测序技术的引进,该技术迅速应用于生物多样性分析。宏基因组学就是以高通量测序平台为基础,根据核糖体短基因片段(例如16S rDNA)的序列差异性来研究不同环境样本中原核生物的多样性,例如海洋微生物、人体微生物和古细菌等。同样的方法也可以用于大量环境样本中真核生物的研究,动物中最常用的是CO1条形码基因,植物、单细胞生物和小型底栖生物中使用的是其它条形码基因。主要步骤包括大规模采集样本,样本混合提取基因组DNA,PCR扩增条形码基因,454高通量测序,生物信息学分析。为了区别于广义上的宏遗传学和宏基因组学,研究者称这项技术为宏条形码(Metabarcoding)。 本研究选取河北省张家口市小五台山自然保护区阳坡地带的一片草地,采集一平方米草地中地表和地下的无脊椎动物,利用宏条形码技术研究这一平方米草地中无脊椎动物的物种多样性。研究结果显示,利用宏条形码技术对2010年10月、11月采集的标本进行分类鉴定,最终得到1界,4门,8纲,19目,59科,107属,125种。由于任何一个科研机构不可能拥有所有类群相应的分类学家,因此依赖经典的分类学手段描述既定区域内的所有生物物种几乎是不可能实现的目标。本研究通过结合DNA条形码和454高通量测序两者的优势,突破传统形态学分类的局限性,对一平方米草地中采集到的所有无脊椎动物进行了有效的分类鉴定,从而证实宏条形码技术在研究指定区域内物种多样性的可行性。虽然利用宏条形码技术对环境样本中物种的鉴定还需要不断的优化和深入的研究(有部分物种我们无法告诉它们的种名,但至少我们可以明确它们的物种身份),但是我们的结果表明了宏条形码方法能够提供大量的物种信息,使研究一个地区空间和时间上的生物多样性成为可能。