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以纳米孔测序追踪地球生命!这项耗资1.8亿美元的DNA“条形码”项目旨在发现200万新物种

几个世纪以来,生物学家都在以一种极其缓慢的速度探索新物种,描述其定义特征。如今,伴随着新一代测序技术的突破,生物学家已经可以在几个小时内确定一份样本是否为新物种,并且这一成本将有望降至几美分。

这是一场由短链DNA驱动的科技革命,这段DNA我们称之为DNA“条形码(barcode)”。它们的多样性足以为我们提供物种的区分标记,并且能够与快速、廉价的便携式DNA测序仪相结合。

加拿大圭尔夫大学的Paul Hebert表示:“生物多样性科学正在进入一个黄金时代。6月16日,Paul Hebert的研究小组将启动一项耗资1.8亿美元的全球性项目,以鉴定200多万种新的多细胞生物。此外,其他独立团队也在实验室中采用了这种方法对新物种样本进行梳理,有的甚至直接在野外使用。

图:科学家利用便携式基因测序仪进行物种研究

来自意大利维罗纳大学的基因组学家Massimo Delledonne最近在婆罗洲的一个森林里进行了DNA条形码研究,并很快发现了一个新的蜗牛物种。他表示:“多年来,我一直梦想能将便携式基因组‘实验室’带到采样地并迎来变革。现在,DNA条形码技术已经为这样的黄金时代准备就绪。”

据生物多样性专家估计,地球上有870万到2000万种植物、动物和真菌。但迄今为止,只有180万种得到了正式的描述。尤其是昆虫,还存在着大量未被发现的物种。新加坡国立大学生物学家Rudolf Meier一直致力于小型测序仪条形码方法的开发,他表示:“总的来说,它们在陆地上栖息的生物量可能比所有野生脊椎动物的总和还要多。”

2003年,Hebert提出了DNA条形码的概念:通过对样本中长度不到1000个碱基的线粒体DNA进行测序,进而区分动物种类。这个理念经过了较长的一段时间才逐步得到认可,但Hebert和其他研究人员已经开始着手编制已知物种的DNA条形码。例如,在2010年,他发起一个名为国际生命条形码(iBOL)的联盟。这是一项耗资8000万美元的项目,计划利用已知物种的DNA序列,建立一个物种参考数据库。目前,该数据库已经有多达730万个条形码(每个物种不止一个),并且已被证实不仅可用于鉴别已知物种,还可以帮助探索它们与其他物种的相互关系。

如今,在30个国际合作伙伴的支持下,iBOL即将启动一项为期7年的工作,该项目被称为BIOSCAN,将在全球2500个不同地点收集样本并研究物种相互作用。其目标是将参考数据库扩增至1500万个DNA条形码信息,其中90%来自未被描述的物种。Hebert介绍,这些数据将为监测污染、土地利用变化以及全球变暖对生物多样性的影响奠定基础。最终,“我们将能够像追踪天气一样追踪地球上的生命。”

此外,与iBOL之前专注于从已知物种中获取DNA条形码的做法不同,“新项目的主要目标之一是发现新物种,”Hebert说。如果软件无法将样本的DNA条形码序列与现有物种相匹配,它将立即标记该样本进行更进一步的研究,并可能将其识别为新物种。而在过去,科学家可能需要花费数年甚至数十年才能确认某些生物是否为新物种。同时,定制化的生物信息学工具及测序仪可以一次性读取足够的碱基以获得完整的条形码,这也使成本保持在较低水平。Hebert预测,每个样本约耗费1美元,包括收集、保存、DNA提取、测序以及后续分析。他预计,测序部分的总成本最终将降至每个样本约0.02美元。

目前,BIOSCAN的条形码项目收集的所有标本将被运往圭尔夫大学。此外,Meier一直在开发一种条形码方法,他希望很多实验室都能使用这种方法进行物种研究。现在,他正在编制所有新加坡物种的生物多样性数据,尤其是小昆虫。对于这项工作,Meier表示:“我们放弃了传统上用于条形码的过度设计和昂贵的技术。”相反,他使用了便携式纳米孔测序仪MinION,其大小与手机相当,费用也不到1000美元。Meier的团队已经生成了20万条昆虫DNA条形码,代表了1万个物种,其中超过70%都是新物种。

随着越来越多研究成果的发表,对Meier而言,这一类实地研究工作对于条形码的大众化来说是个好兆头。“这一切都指向了分散性生物多样性科学的光明未来,能够快速产生结果。”展望未来,Meier认为更多国家将会开展这种项目,从而独立对其生物多样性进行分类。但其他研究人员也认为,类似于BIOSCAN这类工业规模的研究也很重要。因为,如果科学家希望对地球上的所有物种进行编目,那么只在个别实验室中进行这些研究,这将永远无法完成。

参考资料:

1. $180 million DNA ‘barcode’ project aims to discover 2 million new species

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本文由 测序中国 作者:王迪 发表,转载请注明来源!

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