COI序列 影响动物分类学与生态学的DNA barcode

摘! 要! %&’ ()*+,-. 是一段特殊的、 可用于物种鉴定的 %&’ 序列。目前在动物中最常用 的 %&’ ()*+,-. 是细胞色素 / 氧化酶 0 号基因 （ /12 ） 的部分序列。随着标准数据库的建 立， 基于 /12 基因的 %&’ ()*+,-. 在动物分类学和生态学中得到了广泛应用。但是， 采用 /12 基因作为 %&’ ()*+,-. 所隐含的涉及线粒体的进化历史、 遗传特性和物种成种时间的 默认前提， 并非完全成立， 由此引发了许多问题。本文阐述了基于 /12 基因的 %&’ ()*+,-. 对分类学和生态学的影响， 目前存在的问题， 以及可能的研究方向。 关键词! %&’ ()*+,-.；细胞色素 / 氧化酶 0 号基因；应用 中图分类号! 3454! 文献标识码! ’! 文章编号! 0###6784# （ "##8 ） #8607#$6#9 !"# .-/0-1*-，23- $%& ’()*+,- (44-*2516 (157(8 2(9+1+7: (1, -*+8+6:; :;’& <=.>? @A> ，:’1 B)>C?DE)>（ !"#$%&’"(& )* +(,-%)(’"(&$. /0-"(0"，+$1& 23-($ 4)%’$. 5(-,"%1-&6， /3$(73$- "###$" ，23-($） 8 23-("1" 9):%($. )* +0).)76 ， "##8 ， <= （8） ： 07#$6070"F &’.2)(*2 ：%&’ ()*+,-. AG ) GH.+A)I %&’ G.DE.>+. J=A+= +)> (. EG.- )G ) K,,I L,* GH.+A.G A-.>? KALA+)KA,>F ’K H*.G.>K ，K=. @,GK +,@@,>IM EG.- %&’ ()*+,-. A> N,,I,CA+)I GKE-M AG ) G.DE.>+. F PAK= K=. .GK)(IAG=@.>K ,L GK)>-)*- -)K) ()? +,@A>C L*,@ +MK,+=*,@. + ,OA-)G. GE(E>AK 0（ /12） G.G，K=. /12?()G.- %&’ ()*+,-. =)G C)A>.- AKG JA-. )HHIA+)KA,> A> )>A@)I K)O,>,@M )>- .+,I,? CM ，)>- H*,L,E>-IM )LL.+K.- K=.G. *.G.)*+= LA.I-GF Q,J.R.*，K=. GAI.>K )GGE@HKA,>G L,* %&’ ()*? +,-. K=)K *.I)K.- K, K=. .R,IEKA,> =AGK,*M )>- A>=.*AK)>+. ,L @AK,+=,>-*A) )>- GH.+A)KA,> =)R.> ’ K (..> +,@HI.K.IM +,>LA*@.-，)>- K=EG，G,@. H*,(I.@G )*. +*.)K.-F S=AG H)H.* -AG+EGG.- K=. .LL.+KG ,L /12?()G.- %&’ ()*+,-. ,> )>A@)I K)O,>,@M )>- .+,I,CM ，K=. .OAGKA>C H*,(I.@G A> AKG GKE-A.G，)>- K=. LEKE*. H*,GH.+K ,L AKG )HHIA+)KA,>GF >-: ?+),.：%&’ ()*+,-.；+MK,+=*,@. + ,OA-)G. GE(E>AK 0 ；)HHIA+)KA,>F ! ! %&’ ()*+,-. 是一段特殊的 %&’ 序列， 可以用 于辨别物种， 许多时候还可以用于研究近缘种之间 的进化关系。 Q.(.*K （ "##U) ） 根据线粒体基因的进 化速率、 突变特点、 大多数物种的存在时间、 细胞色 素 / 氧化酶 0 号基因的进化特点和部分已有的研 究结论 （ /,O X Q.(.*K， "##0 ） ， 设想将细胞色素 / 氧 化酶 0 号基因的部分序列作为动物的 %&’ ()*+,-.。 随后， 他做了一系列验证性研究。第 0 个实验是利 用 /12 基因把若干物种归入所属门、 目， 并将若干 鳞翅目昆虫个体归入所属的种， 都取得了成功 （ Q.? (.*K "& $.8 ， "##U)） 。第 " 个实验是在 00 个动物门内
关申民等： ;J7 序列：影响动物分类学与生态学的 K<! 1()*+,$
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也逐步成为了物种鉴定最常用的分子标记之一。许 多研究计划已经展开， 直接目的都是获得尽可能多 的物种的相关序列， 确定各个物种序列比对的标准。 涉及物种较多的有以下几个： 针对鳞翅目昆虫的 !"" #$%& ’()*+,$ +- #.-$ 计划 （ ///0 "$%1()*+,.234 +)3 ） ， 针对全球鱼类的 5.&6 ’()*+,$ +- #.-$ 72.8.(8.9$ 计划 （ ///0 -.&61+"0 +)3 ） ， 针对加拿大物种多样性研究的 :6$ ;(2(,.(2 ’()*+,$ +- #.-$ <$8/+)= 计划 （ ///0 1+"> 2$80 *( ） ， 针对全球鸟类的 !"" ’.),& ’()*+,.23 72.8.(> 8.9$ 计划 （ ///4 1()*+,.231.),&0 +)3 ） ， 针对 极 地 生 物 的 ?+"() ’()*+,$ +- #.-$ 计 划 （ ///0 %+"()1()*+,.230 *(） 。此外， 还有许多具有强针对性的计划， 例如， 澳 大利亚的鱼类 （ @(), !" #$% ， ABBC ） 、 马达加斯加的蚂 蚁 （ DE.86 !" #$% ， ABBC ） 、 北美洲的鸟类 （ F$1$)8 !" #$% ， ABBG1） 、 甲壳纲动物 （ #$-$1H)$ !" #$% ， ABBI(） 等。 随着这些计划的展开， ;J7 基因部分序列， 目前 的动物 K<! 1()*+,$ 在分类学和生态学领域的影响 逐步加深。 !" #$% 对分类学的影响 近年来， 随着更多研究工作的开展， 一方面在更 多的动物类群中确认了基于 ;J7 基因的 K<! 1()> *+,$ 方法的有效性 （ L$)) !" #$% ， ABBM ； DE.86 !" #$% ， ABBN ） ； 另一方面也发现了许多例外 （ :)$/.*=， ABBM ） 。这些例外表明， 仅用某个基因包含的信息 不能囊括传统分类学的所有内容和功能 （ O1(*6 P F+",)$3$， ABBC ； Q)$3+)R， ABBC ； :)$/.*=， ABBM ） 。综合 各种研究结果， 人们重新评价了这种 K<! 1()*+,$ 对分类学的影响。 K<! 1()*+,$ 作为动物分类标准中的一 首先， 个新方法， 减少了传统的依据形态的分类方法对分 类学带来 的 不 利 影 响， 尤其是记录未知物种方面 （ ?-$22.23$) !" #$% ， ABBM ） 。目前， 大量个体小或形态 特 征 少 的 物 种 仍 然 处 于 未 知 状 态， 特别是体长 S T *E 的 动 物， 绝大多数没有记录 （ :(H8U !" #$% ， ABBA ， ABBV ； ’"(W8$)， ABBG ） ， 例如， 昆虫已知种类约有 TBB 万种， 未知种类估计有 VBB 万 X VBBB 万种； 线虫 类动物已知种类约 A 万种， 未知种类约有 TB 万 X TBB 万种 （ ’"(W8$)， ABBV ） 。由于常常采用基于形态 特征的工作方式， 传统分类学要将这些物种纳入记 录， 获取相关知识有许多困难。在记录新种的工作 中引入 ;J7 基因以后可以快速给样品分群， 在一定 条件下还可以快速判定样品是否来源于已知物种
（ &/TS?#5?#7U0 ） 。 !教育部新世纪优秀人才计划资助项目 !!通讯作者 T?@)AI：(I)+VKEIAH?CW 0$UF +,@ 收稿日期： "##9?0"?"9! ! 接受日期： "##8?#7?#0
选取了约 ""## 个物种， 进行种内和近缘种间 /12 基 因部分序列两两比对， 结果显示 4#Y 以上的物种种 间差异明显大于种内 差 异 （ 例外主要来自腔肠动 "##U( ） 。综合 " 个实验结 果， 物） （ Q.*(.*K "& $.8 ， Q.(.*K 认为， 他所选取的片段存在种内和种间差异 的阈值， 可以作为除腔肠动物以外其他各门动物的 %&’ ()*+,-.。第 U 个实验是在分类和系统发育研 究较为完善的北美鸟类中进行 /12 基因序列测序 和建树。序列的比对能够区分大多数物种， 建立的 系统树和传统分类学大致相同。 Q.(.*K 等 （ "##7( ） 据此认为， /12 基因的序列在相当程度上如实反映 了物种之间的真实进化关系。 人们接受了将 /12 基因 由于 Q.(.*K 等的工作， 这个序列 部分序列作为动物 %&’ ()*+,-. 的设想，
（ Y.""$)， ABBM ） 。这种快速判断在某些情况下显得尤 为重要， 因为传统分类学大多数情况下有更加关注 成年个体的倾向， 对幼体和卵经常描述不够详细， 导 致对许多样品辨别能力不足， K<! 1()*+,$ 方法则 没有这种限制。另外， 在缺乏形态变化的动物类群 中， 依赖形态特征的工作方式往往会导致混乱和错 误 （ #(U+&=. !" #$% ， ABBT ） ， 其中最常见的情况是把多 个形态相似的物种误认为一个物种 （ :(H8U !" #$% ， ABBA ； :(H8U !" #$% ， ABBV ） ， 例如， 在引入分子标记以 前， 由多物种组成的塔斯马利亚山虾 （ &’#()*+!( "#(, -#’*#!） 长期被误认为一个种 （ Z()E(2 P O"".+88， ABBB ） 。如果在 这 些 动 物 类 群 的 新 种 探 索 中 运 用 K<! 1()*+,$ 方法， 可以克服许多形态特征带来的 困难， 最典型的例子是寻找隐存种。例如， 研究者通 过序列比对迅速在寄生蝇 （ ,.%8$)( ） （ DE.86 !" #$% ， ABBI ； ?-$22.23$) !" #$% ， ABBM ） 、 水螅 （ 6R,)+.,） （ Y+H)( !" #$% ， ABBN ） 和蜉蝣 （ 1($8.& ） （ D8(6"& P D(9+"(.2$2， ABBN ） 等动物类群中找到可能来自新种的个体。在 一个极端的例子中， 利用 K<! 1()*+,$ 方法， 研究者 在弄蝶 （ &(".#)"!( /0$1!.#"2. ） 中找到了 TB 个可能的 隐存种 （ F$1$)8 !" #$% ， ABBG(） 。 K<! 1()*+,$ 的出现， 不仅加快了记录未知物 种的速度， 减少了记录物种过程中对形态的依赖， 同 时也改变了物种鉴定的工作流程。在有充分研究背 景的动物类群中， 可能不需要再反复动用珍贵的模 式标本和检索手册， 只需要在公共数据库中做序列 比对就能完成大多数物种鉴定工作。例如， L$)) 等 （ ABBM ） 在考虑了种群大小、 地理分布和成种时间等 因素的前提下完成了几乎所有北美洲鸟类的 K<! 这些鸟类的物种鉴定可以通 1()*+,$ 记录工作以后， 过序列比对完成。同样， ;"()$ 等 （ ABBM ） 记录了圭亚 那的蝙蝠的 K<! 1()*+,$ 序列， 比较了种内差异和 种间差异以后， 有关的物种鉴定工作， 也可以通过序 列比对完成。这种工作方式不仅简化了一般物种鉴 定的流程， 而且可以对许多传统分类工作难以处理 的样品， 例如， 卵和某个阶段的幼虫等进行物种鉴 定。此外， 研究表明， K<! 1()*+,$ 方法对形态特征 依赖少， 可以鉴定特殊样品的特点可能甚至会使古 生物和 灭 绝 生 物 研 究 受 益。 #(E1$)8 等 （ ABBC ） 发 现， 灭绝动物恐鸟 （ E+(） 的 ;J7 种内多样性很低， 而 种间差异明显大于种内， 认为足够长的 ;J7 基因序 列同样可以作为这一类物种辨认的标记。由于恐鸟 的灭绝时间不算太长， #(E1$)8 幸运地得到了大约
生态学杂志 /=A>.G. Z,E*>)I ,L T+,I,CM! "##8 ， <= （8） ： 07#$6070"
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关申民 ! 高邦权
!!Βιβλιοθήκη （ 华东师范大学环境科学系，上海 "###$" ）