DNA条形码之父和Digital biodiversity

2011/01/26 20:08:33

今天上午，听了一场精彩的学术报告，报告人是被称为“DNA条形码之父”的Paul Hebert，题目是“Digital biodiversity”。听Paul的报告不是第一次，但这次，对我的想法触动最大。他非常清楚的传达了他要讲解的主旨：如何更有效的揭示地球上的生物多样性。我在这儿介绍一下Paul今天的报告内容，中间夹杂着谈谈我的想法。

先来看看我们单位对他的介绍。Paul Hebert，加拿大University of Guelph大学教授、加拿大皇家学会会员。他于2003年提出了DNA条形码（DNA barcoding）的概念，并发起了国际生命条形码计划（International Barcode of Life Project），被尊称为DNA条形码之父。他在2003年关于DNA条形码的文章被ISI确定为2004年在生物学和生物化学领域引用最多的论文，并将DNA条形码视为进展最迅速的学科前沿之一。New Scientist在2004年6月将DNA barcoding作为封面文章，Science和Nature分别作了多篇评论。DNA条形码不仅是传统物种鉴定的强有力补充，更由于它采用数字化形式，使样品鉴定过程能够实现自动化和标准化，突破了对经验的过度依赖，并可利用有机体的残片进行快速有效的鉴定，能够在较短时间内建立形成易于利用的应用系统。

报告的开篇，Paul首先比较了对现今自然科学影响巨大的三方面研究，即life（Charles Darwin的研究）、cosmos（宇宙科学）和matter（物质科学），在19世纪50年代（1850s）和21世纪的今天在研究手段方面的差异。1850年代，宇宙科学研究使用很简单的望远镜观察太空，物质科学同样使用简单的研究工具；而今天，宇宙科学研究有了哈珀望远镜，物质科学研究也有了越来越强大的粒子加速器。对于生物多样性的发现呢，达尔文时代已经开始使用显微镜观察生物标本，而今天的分类学家，依然使用并没有提高多少的显微镜观察并发现新的物种。他是想告诉我们：揭示地球上的生物多样性，我们或许需要新的工具。

接着，Paul问了一个问题：地球上到底有多少生物物种？他展示了，我们从林奈时期开始经过250年所描述的生物物种数量，与科学家所预计的地球生物多样性的体量，依然很少，仍有大量的生物多样性需要发现。他接着详细讲解了传统的生物分类（specimen taxonomy）和物种记录（species documentation）方式是一种需要大量时间和精力的研究模式，这种研究模式使得生物多样性发现的速度太慢。

在传统的生物分类研究中，一般有三个步骤：标本采集（collecting），标本整理（curation），鉴定分类（taxonomy）。标本的采集相对容易，比如一晚上可以灯诱成千上万头昆虫；标本馆中对标本的整理归类则需要的时间则长很多；而标本的鉴定则最慢，有时候花很多的时间也不能鉴定出一批标本。为什么这么慢？因为基于形态特征的传统生物分类的原理是“物以类聚”，也即一个基于实物标本的“比较”过程，分类学者需要向世界各地的标本馆借阅（或者直接去看）更多的标本才能获得更确定的鉴定结果。对于部分难以鉴定的生物类群，这个过程往往需要花费很多的时间和金钱。对于传统生物分类，另外一个重要问题是：如何确定清晰的区分不同物种的形态特征的界限？达尔文对barnacles（藤壶）的分类研究，正体现了基于形态的分类有时候非常难。也正是如此，不同人对同样标本的分类也会有不同的结果，从而产生了同物异名（实际上为同一物种，但被不同分类学者命名为不同的物种）。当我们鉴定出一个新的物种时，还需要记录其生物学细节（地理分布，生物型，生活史等），并将其发表（documentation），而这个传统的过程，也需要大量的时间。

讲解了发现生物多样性的传统方式存在的问题之后，Paul给出了一张片子，写道：DNA——A digital future for biodiversity。之后重点讲解了DNA条形码的发展及相关国际项目的进展，他还提到就在2周前日本名古屋举行的联合国生物多样性条约第10届缔约国会议（CBD COP 10）上，国际生命条形码组织（iBOL）同CBD签订了正式的协议。

基于DNA barcoding揭示生物多样性的研究模式是这样的：1）从自然界采集或利用馆藏标本，收集相关信息包括图像和各种生物学信息；2）获取样品的COI Barcode，并进行分析，包括遗传距离分析、构建进化树等；3）树上的barcode clusters可以认为代表了不同的物种（BINs），可能是一个已经基于形态描述的物种，也可能是一个新的未描述的物种；4）所有的相关信息，被录入数据库并实现共享。当然，这过程当中也有一些重要的科学问题需要进一步精确，比如区别物种的遗传距离标准、新物种的描述和命名等。

对于DNA条形码，一直有不少的争论，尤其是很多分类学家认为DNA条形码是在否定传统分类学，所以总是不断的辩护传统分类学的重要性，今天报告的提问环节，也有一些专家提了这样的问题。发展到今天，DNA条形码可能从没有想过取代传统分类学的研究模式，而是提供了生物物种另一方面的证据，期望更高效的揭示生物多样性。

实际上，越来越多的分类学家认可了“综合的分类学（integrated taxonomy）”，即不仅仅只基于形态特征，而是利用更全面的信息（生物学信息、DNA序列等）来进行物种分类，这样确实能得到更可信的结果。在这样的思路下，谁说一定要以形态特征为核心进行物种分类呢？我说Paul今天的报告对我触动最大，因为听报告时我突然觉得：或许某一天，他所描述的物种分类研究模式会取代现在的传统模式，这确实是一个更高效的模式（当然，将来我们也可以同时用更多的DNA片段提供信息）。我不知道这一天什么时候到来，但技术发展如此迅速，就像韩健老师说的“把PCR仪做成家用电器”，我开始相信分类学研究模式的这种变化一定会发生；并且，如Paul们所构想的，我们用一个如手机般的手持机器，就可以鉴定身边所有的物种。

相关背景：

DNA条形码，即一小段具有普适性的能够区分生物物种的DNA序列，我们可以基于这段DNA序列揭示生物多样性。动物中比较普适性的是线粒体COI基因5’端约650bp的一段序列，其优点是容易扩增并有效区分物种。