基于DNA條形碼技術(shù)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(huán)境生態(tài)、環(huán)境生物研究。

摘 要：使用DNA條形碼技術(shù)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(kuò)增、測序和數(shù)據(jù)分析等步驟，成功確認(rèn)了多個森林植物物種，并評估了它們的遺傳多樣性。結(jié)果表明，DNA條形碼技術(shù)在森林植物物種識別和多樣性研究方面具有高效、準(zhǔn)確的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：DNA條形碼技術(shù)；森林植物；多樣性

中圖分類號：Q949 文獻(xiàn)標(biāo)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(hù)生物多樣性、恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)資源可持續(xù)利用至關(guān)重要。傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)鑒定方法需要耗費(fèi)大量時間和人力，并受植物表型變異和專業(yè)知識的限制。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，DNA條形碼技術(shù)作為一種快速、準(zhǔn)確的物種鑒定方法備受關(guān)注。該技術(shù)利用特定的DNA序列標(biāo)記來識別生物樣本，其核心理念是通過比對目標(biāo)DNA序列與已知物種數(shù)據(jù)庫進(jìn)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(shù)可以有效地解決物種鑒定難題，尤其是對于那些在形態(tài)上難以區(qū)分的物種，如幼苗、種子或者變異個體。

1 DNA條形碼技術(shù)的特點(diǎn)

1.1 高度可靠性和準(zhǔn)確性

DNA條形碼技術(shù)是當(dāng)前生物學(xué)領(lǐng)域備受矚目的技術(shù)。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(diǎn)，使其被廣泛應(yīng)用。首先，DNA條形碼技術(shù)以其高度可靠和準(zhǔn)確的特性而聞名。這得益于對核心基因組區(qū)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(yàn)證DNA條形碼技術(shù)在物種鑒定中的準(zhǔn)確性。假設(shè)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(yōu)比對分?jǐn)?shù)。若最優(yōu)比對分?jǐn)?shù)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(zhǔn)確地評估DNA條形碼技術(shù)在鑒定不同物種時的可靠性，其次，DNA條形碼技術(shù)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(diǎn)，可以考慮一個實(shí)際案例：一項(xiàng)研究需要鑒定某地區(qū)不同樹種的物種身份。研究人員使用了傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)鑒定方法和DNA條形碼技術(shù)，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(shù)相較于傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)鑒定方法，在處理大量樣本時具有明顯的時間和成本優(yōu)勢。其具有高度可靠性、準(zhǔn)確性以及高通量處理能力，使其成為現(xiàn)代生物學(xué)研究中不可或缺的利器。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，相信DNA條形碼技術(shù)將在更廣泛的領(lǐng)域展現(xiàn)其優(yōu)勢，為人類社會的可持續(xù)發(fā)展作出更為重要的貢獻(xiàn)。

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(shù)的廣泛適用性是其顯著優(yōu)勢之一。相比傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)鑒定方法，DNA條形碼技術(shù)不受生物形態(tài)特征的限制，可以被應(yīng)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(shù)也能準(zhǔn)確鑒定，為生物學(xué)研究提供更全面、可靠的工具。

為了探究DNA條形碼技術(shù)的廣泛適用性，可以考慮以下案例：一個生物多樣性調(diào)查項(xiàng)目需要對某地區(qū)的鳥類進(jìn)行鑒定，傳統(tǒng)的方法可能需要依靠鳥類的外部形態(tài)特征，如羽毛顏色、體型等進(jìn)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(dǎo)致鑒定結(jié)果不夠準(zhǔn)確，而使用DNA條形碼技術(shù)，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(shù)據(jù)庫中的序列進(jìn)行匹配，從而準(zhǔn)確鑒定鳥類物種，考慮DNA條形碼技術(shù)的廣泛適用性，可以通過以下數(shù)據(jù)來展示其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用情況，如表2所示。

在生物分類學(xué)中，DNA條形碼技術(shù)可以幫助科學(xué)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(shù)據(jù)庫，記錄不同物種的DNA條形碼序列，科學(xué)家可以快速、準(zhǔn)確地鑒定未知生物樣本的物種身份，為生物分類學(xué)研究提供重要支持。在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域，DNA條形碼技術(shù)可以被用于追蹤物種的分布與遷移，研究生態(tài)系統(tǒng)中的物種多樣性和群落結(jié)構(gòu)。通過對不同地理區(qū)域的生物樣本進(jìn)行DNA條形碼分析，科學(xué)家可以了解不同物種在空間和時間上的分布規(guī)律，為生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和管理提供科學(xué)依據(jù)。

在保護(hù)生物學(xué)中，DNA條形碼技術(shù)可以幫助監(jiān)測瀕危物種的種群數(shù)量和遺傳多樣性，評估其面臨的威脅和保護(hù)需求。通過對瀕危物種個體進(jìn)行DNA條形碼鑒定，可以了解其種群數(shù)量、遺傳結(jié)構(gòu)和遺傳流動情況，為制定保護(hù)策略提供科學(xué)依據(jù)，在食品安全領(lǐng)域，DNA條形碼技術(shù)可以用于檢測食品產(chǎn)品的真實(shí)性和安全性。例如，通過對肉類、魚類等食品樣本進(jìn)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(fèi)者的健康權(quán)益。

綜上所述，DNA條形碼技術(shù)是一種快速、準(zhǔn)確且廣泛適用的物種鑒定方法，為科學(xué)研究和實(shí)踐應(yīng)用提供了強(qiáng)大的工具，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，相信DNA條形碼技術(shù)將在更多領(lǐng)域發(fā)揮其優(yōu)勢，為人類社會的可持續(xù)發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。

2 基于DNA條形碼技術(shù)的森林植物物種研究

2.1 樣本采集與處理

在進(jìn)行目標(biāo)森林地區(qū)的樣本采集工作時，首要任務(wù)是確保選擇具有代表性的植物樣本，以盡可能全面地展現(xiàn)該地區(qū)植被的多樣性和生態(tài)特征。這需要從不同生態(tài)環(huán)境和海拔挑選樹木、灌木和草本植物[2]。為確保后續(xù)分析的可靠性和統(tǒng)計意義，采集的樣本數(shù)量應(yīng)該足夠多。表3列出了在樣本采集和處理過程中的一些關(guān)鍵信息，例如，不同類型植物的采集地點(diǎn)、數(shù)量、方法、保存方式，這些信息對于后續(xù)的研究和分析至關(guān)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(xù)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(jié)構(gòu)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(jù)植物類型和后續(xù)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(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)操作程序進(jìn)行操作至關(guān)重要，以確保數(shù)據(jù)的可靠性和科學(xué)性。

2.2 DNA提取與PCR擴(kuò)增

在進(jìn)行DNA提取和PCR擴(kuò)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(shí)驗(yàn)室的資源和偏好。當(dāng)前通常采用的方法包括CTAB法和商業(yè)提取試劑盒[3]。CTAB法是一種經(jīng)典的DNA提取方法，適用于各種類型的植物樣本，包括木質(zhì)和草本植物，商業(yè)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(guī)模樣本處理。在表4中展示了從植物樣本中提取DNA和PCR擴(kuò)增后的一些關(guān)鍵信息，詳細(xì)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(chǎn)物大小。這些數(shù)據(jù)對于進(jìn)一步的分子生物學(xué)研究至關(guān)重要。例如，通過對不同樣本的PCR產(chǎn)物大小進(jìn)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(tǒng)發(fā)育關(guān)系或種群結(jié)構(gòu)。這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)將為揭示樣本間的遺傳關(guān)系提供有力支持。

選擇合適的DNA條形碼標(biāo)記和PCR引物對于成功擴(kuò)增成功和準(zhǔn)確結(jié)果至關(guān)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(tǒng)發(fā)育研究。設(shè)計合適的引物可以確保特異性擴(kuò)增目標(biāo)序列，并減少非特異性擴(kuò)增或引物二聚體的風(fēng)險。因此，在進(jìn)行DNA提取和PCR擴(kuò)增時必須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)操作程序操作，并在每個步驟中控制實(shí)驗(yàn)條件，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。

2.3 測序與數(shù)據(jù)分析

測序與數(shù)據(jù)分析是分子生物學(xué)和生物信息學(xué)中不可或缺的環(huán)節(jié)。在這個關(guān)鍵的過程中，首先需要對PCR產(chǎn)物進(jìn)行純化和測序，以獲取目標(biāo)序列的詳細(xì)信息。隨后，利用生物信息學(xué)工具對測序數(shù)據(jù)進(jìn)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(xì)列出了每個樣本的編號、采用的測序方法、測序質(zhì)量、目標(biāo)序列長度，以及物種身份鑒定和遺傳多樣性分析結(jié)果。這些數(shù)據(jù)對于深入了解森林植物的遺傳多樣性和系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系至關(guān)重要[4]。

在物種身份鑒定方面，利用生物信息學(xué)工具比對目標(biāo)序列與GenBank等數(shù)據(jù)庫中的已知物種序列，可以準(zhǔn)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(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹和計算遺傳距離。系統(tǒng)發(fā)育樹有助于揭示不同物種之間的進(jìn)化關(guān)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(shù)據(jù)和分析結(jié)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(guān)系，為保護(hù)生物多樣性和進(jìn)行生態(tài)學(xué)研究提供重要參考。

2.4 小結(jié)與討論

在研究過程中，通過PCR產(chǎn)物的純化、測序以及生物信息學(xué)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(jìn)行了評估。在表4中展示了研究得出的一些數(shù)據(jù)，并對這些結(jié)果進(jìn)行深入的討論。

在研究過程中，通過PCR產(chǎn)物的純化、測序以及生物信息學(xué)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(jìn)行了評估。在表6中展示了所得出的一些數(shù)據(jù)，并對這些結(jié)果進(jìn)行了深入的討論。

研究結(jié)果表明，科研人員可以利用DNA條形碼技術(shù)快速、準(zhǔn)確地識別森林植物的物種。通過比對目標(biāo)序列與已知物種數(shù)據(jù)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(gòu)建系統(tǒng)發(fā)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(shù)據(jù)中反映了不同物種或個體之間的遺傳差異程度，而系統(tǒng)發(fā)育樹則展示了物種之間的進(jìn)化和親緣關(guān)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(tǒng)發(fā)育樹上，櫻花和火松等物種則展現(xiàn)出特定的進(jìn)化關(guān)系和親緣關(guān)系位置。這些發(fā)現(xiàn)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(shù)在鑒定森林植物物種和評估其遺傳多樣性方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，其快速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)為森林生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和管理提供了科學(xué)支撐，有助于研究人員更深入地理解和保護(hù)森林植物的遺傳資源。

3 結(jié)束語

本研究驗(yàn)證了基于DNA條形碼技術(shù)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(xiàng)技術(shù)不僅加快了物種鑒定的速度和提高了準(zhǔn)確性，也為森林生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和可持續(xù)利用提供了重要支持。研究人員未來將持續(xù)深入探究和完善該技術(shù)在森林植物研究中的應(yīng)用，為保護(hù)和有效利用森林植物資源作出更大貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 裴男才.利用DNA條形碼技術(shù)識別植物物種[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2012，23（5）：1240-1246.

[2] 何佳憶.風(fēng)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(xué)，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(jié)構(gòu)初步研究[D].上海：華東師范大學(xué)，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.