鄧?yán)^賢,楊秀榮,蔣和生,廖玉英,韋鳳英*
(1.廣西壯族自治區(qū)畜牧研究所,廣西 南寧 530001;2.廣西大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,廣西 南寧 530004)
DNA條形碼在我國(guó)家禽種質(zhì)資源保護(hù)中的應(yīng)用研究
鄧?yán)^賢1,楊秀榮2,蔣和生2,廖玉英1,韋鳳英1*
(1.廣西壯族自治區(qū)畜牧研究所,廣西 南寧 530001;2.廣西大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,廣西 南寧 530004)
DNA條形碼技術(shù)就是利用一段短的標(biāo)準(zhǔn)的DNA序列來鑒定不同的種群,從DNA水平,來確定不同種群系統(tǒng)發(fā)育的關(guān)系。隨著對(duì)DNA條形碼技術(shù)的研究,其應(yīng)用范圍也是越來越廣泛。DNA條形碼技術(shù)的研究先前在我國(guó)多側(cè)重于植物和海洋及漁業(yè)的分類上,現(xiàn)在逐漸發(fā)展到對(duì)物種的鑒別應(yīng)用上,特別是在家畜、鳥類和家禽上,都有所應(yīng)用。本文就DNA條形碼技術(shù)的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)及在家禽種質(zhì)資源保護(hù)方面的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要的綜述,討論了DNA條形碼技術(shù)在家禽種質(zhì)資源保護(hù)的意義,并對(duì)DNA條形碼技術(shù)在我國(guó)地方家禽品種保護(hù)中的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行展望。
家禽;種質(zhì)資源;DNA條形碼;保護(hù)
我國(guó)是世界上地方家禽品種最為豐富的國(guó)家之一,擁有豐富的品種資源。畜禽品種資源是生物多樣性的重要組成部分,是長(zhǎng)期選擇的結(jié)果,是人類賴以生存和發(fā)展的基石,是人類未來發(fā)展的重要基因庫(kù)。我國(guó)地方家禽品種具有肉品質(zhì)好、耐粗飼、抗病性強(qiáng)及對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在世界家禽品種中占有重要的位置。隨著國(guó)家對(duì)畜禽品種資源的重視,在很多地方建立了保種場(chǎng)或保護(hù)區(qū),但受限于人們的認(rèn)識(shí)及保種資金和技術(shù)限制,保種效果并不十分明顯。而人們對(duì)于純正地方品種的鑒別,也只是根據(jù)動(dòng)物的外觀和從業(yè)者或科技工作者的經(jīng)驗(yàn)等傳統(tǒng)方法來進(jìn)行判斷,對(duì)于其品種認(rèn)定并沒有一個(gè)嚴(yán)格的界定,嚴(yán)格意義上來說,對(duì)品種沒有真正意義上的鑒別。DNA條形碼(DNA barcoding)技術(shù)的出現(xiàn)為我國(guó)物種分類研究和動(dòng)物保護(hù)等科學(xué)領(lǐng)域開辟了一條新的出路,也為經(jīng)濟(jì)家禽品種保護(hù)提供了一種新的鑒別方法。但目前在我國(guó),這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用還沒普及,對(duì)于家禽品種資源并沒有很好的保護(hù)和充分利用其科學(xué)價(jià)值,相關(guān)的研究也僅限于對(duì)一些物種進(jìn)行分類和簡(jiǎn)單的鑒別。DNA條形碼技術(shù)就是利用一段短的標(biāo)準(zhǔn)的DNA序列來鑒定不同的種群,從DNA水平來確定不同種群系統(tǒng)發(fā)育的關(guān)系。應(yīng)用DNA條形碼技術(shù)能確定種群之間的親緣關(guān)系,為更好地保護(hù)動(dòng)物提供一些非常有價(jià)值的信息,對(duì)確定動(dòng)物保護(hù)的基本單元非常有幫助。本文就DNA條形碼技術(shù)的現(xiàn)狀及其優(yōu)勢(shì)、DNA條形碼在我國(guó)家禽領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀及在家禽種質(zhì)資源保護(hù)方面的應(yīng)用和意義進(jìn)行簡(jiǎn)要的綜述,并就DNA條形碼技術(shù)在我國(guó)地方家禽品種中的保護(hù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行展望。
在2003年,加拿大的Hebert教授[1]首次提出了利用線粒體細(xì)胞色素C氧化酶I(Cytochrome c oxidase subunit I,COI)來構(gòu)建物種鑒別體系的DNA條形碼。自Hebert教授提出之后,DNA條形碼技術(shù)經(jīng)歷了快速發(fā)展。同年,在美國(guó)冷泉港就真核生物DNA條形碼的科學(xué)性和社會(huì)功能先后舉行了兩次專門會(huì)議來討論,并就此提出了國(guó)際生命條形碼計(jì)劃(International Barcode ofLife,iBOL)。隨后在2004年,“生命條形碼聯(lián)盟”(the Consortium for the Barcode of Life,CBOL)在美國(guó)華盛頓成立;同年,“生命條形碼聯(lián)盟”與美國(guó)國(guó)家生物技術(shù)信息中心(NCBI)建立合作關(guān)系,NCBI平臺(tái)同意收錄測(cè)序所獲得的DNA條形碼標(biāo)準(zhǔn)序列。生命條形碼數(shù)據(jù)庫(kù)(Barcode of life data systems,BOLD)在2007年正式啟動(dòng),為全球的DNA條形碼研究者或從業(yè)者提供數(shù)據(jù)共享和交流的平臺(tái)。國(guó)際生命條形碼計(jì)劃于2010年正式啟動(dòng)。截至2014年4月,BOLD收錄了包含動(dòng)物、植物、真菌和原生生物等四大類,總計(jì)超過了21萬種生物,條形碼序列總計(jì)超過290萬個(gè)。而我國(guó)的生物條形碼研究相對(duì)比較晚一些,在2011年先后成立的生命條形碼南方中心和北方中心兩個(gè)中心,目前我國(guó)的生命條形碼信息管理系統(tǒng)(data.barcodeoflife.cn)以不同的類群生物為記錄單元,收集了我國(guó)所有生物的DNA條形碼序列,以及物種描述等相關(guān)信息,目前該平臺(tái)共收錄了動(dòng)物、植物、微生物三大類群,共超過18 000個(gè)樣本,序列信息超過了23 000條。
DNA條形碼技術(shù)是以線粒體基因?yàn)榛A(chǔ)的,目前的研究表明,在不同種群的DNA條形碼標(biāo)記基因有很多,且存在較大的差異,如在動(dòng)物中常用的COI基因、NDI基因、Cytb基因、COII基因和16S rRNA基因等;在植物中常用的matK基因;真菌中的插入間隔序列(ITS)以及原生生物條形碼基因質(zhì)體擴(kuò)增子(UPS)等。但在DNA條形碼的選擇上,由于COI基因進(jìn)化快,且與其他基因序列相比較而言,很少有缺失和插入的突變,從而Hebert等[2]曾極力推薦把COI作為一個(gè)最佳的候選通用條碼來鑒別動(dòng)物物種;Miner等[3]認(rèn)為COI基因的密碼子第3位堿基不受自然選擇壓力的影響,可以自由變異,而具有蛋白編碼基因所共有的特征。目前,在動(dòng)物條形碼研究中,COI基因的應(yīng)用最為廣泛,且被證明是動(dòng)物分類鑒定中是最有效的條形碼基因[4-8],而ITS、Cyt b、NDl等基因序列也被作為DNA條形碼,并能成功的鑒別動(dòng)物物種[9,10]。
DNA條形碼技術(shù)可以避免物種在形態(tài)學(xué)分類上的缺陷,能加快物種的鑒定及挖掘隱存的物種,其國(guó)際上共享的條形碼數(shù)據(jù)庫(kù)資源也為生態(tài)學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物地理學(xué)、生物工程、物種保護(hù)及進(jìn)化生物學(xué)等研究領(lǐng)域提供重要的參考資料。Hebert等[2]認(rèn)為DNA條形碼技術(shù)可以用來區(qū)分和鑒別物種,發(fā)現(xiàn)新的物種,通過分析變異的基因序列和種群的遺傳結(jié)構(gòu),重新構(gòu)建物種和高級(jí)階元的演化關(guān)系。與傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)分類方法相比較,DNA條形碼技術(shù)主要有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì):
2.1 可以準(zhǔn)確地鑒別表型變化大的物種,使物種鑒定的界限更加清楚
有些物種受環(huán)境的影響,外部表型變異大,常規(guī)的分類方法難以區(qū)分,而應(yīng)用DNA條形碼來進(jìn)行物種鑒定的時(shí)候,通常采用一些特定的遺傳變異值來區(qū)分物種,能彌補(bǔ)傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)分類的不足,更客觀地鑒定物種。
2.2 可以準(zhǔn)確鑒別不同發(fā)育時(shí)期的個(gè)體,不會(huì)受到生物生長(zhǎng)階段的影響
有一些生物在不同的發(fā)育階段和不同的生長(zhǎng)環(huán)境,其形態(tài)的變化很大。然而DNA在個(gè)體發(fā)育過程中始終不會(huì)改變,從而DNA條形碼的鑒定結(jié)果也不會(huì)受到影響,所以采用DNA條形碼技術(shù)可以鑒定處于不同發(fā)育階段的生物個(gè)體。
2.3 能夠區(qū)分形態(tài)相似度很高的生物
對(duì)于外部形態(tài)極為相似的物種,應(yīng)用傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)方法是很難區(qū)分的,而DNA條形碼技術(shù)就能從基因水平準(zhǔn)確區(qū)分此類物種,有利于物種的分類,有時(shí)候還能夠發(fā)現(xiàn)一些隱存物種。
2.4 不受生物個(gè)體大小的影響,可以鑒定瀕危物種和未知物種
對(duì)于一些沒有妥善保存、外部形態(tài)或信息不完整的生物體,可以利用DNA條形碼技術(shù)進(jìn)行區(qū)分鑒定?;蛘邔?duì)于一些珍稀或?yàn)l危物種,不能方便取樣,那么只需獲得其糞便、毛發(fā)或微少組織中的DNA物質(zhì),就能加以鑒定。
2.5 可以加速物種的鑒定和發(fā)現(xiàn)新的物種
DNA條形碼應(yīng)用通用引物,可以一次性大批量的擴(kuò)增和測(cè)序,從而提高了物種鑒定速度。而利用匯聚全球物種資料的DNA條形碼數(shù)據(jù)庫(kù),便可以加速新物種的發(fā)現(xiàn)。
2.6 成本低廉、方便快捷
DNA條形碼技術(shù)能夠用較低的成本,可以快速獲得所需要的信息,且DNA條形碼方法簡(jiǎn)單,即便是非專業(yè)人員也可以利用該方法進(jìn)行物種鑒定。相比而言,要獲得形態(tài)學(xué)特征的數(shù)據(jù)比較費(fèi)時(shí),而且對(duì)于一些物種形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)根本無法獲得[11]。因此,應(yīng)用DNA條形碼技術(shù)進(jìn)行物種鑒定和分類是可行的。
DNA條形碼在2003年被發(fā)現(xiàn)以來,在其數(shù)據(jù)庫(kù)、條形碼數(shù)量、研究領(lǐng)域和方法都得到了快速發(fā)展。在包括靈長(zhǎng)類、腹足類、嚙齒類、蝶類、蚌類、魚類、昆蟲類、蟻類、甲殼類、蚯蚓類、原生動(dòng)物和兩棲類等都有報(bào)道[4,7-10,12-14],但是在哺乳動(dòng)物家畜方面的研究較少,在鳥類和家禽方面鮮有報(bào)道。如Hebert等[15]以COI條形碼就鑒定出了8種有疑問的鳥類。在我國(guó)的家禽領(lǐng)域,DNA條形碼技術(shù)也有較多研究。徐向明[16]測(cè)定了3個(gè)地方品種鴨COI基因的部分序列,證明利用COI基因序列可以進(jìn)行品種鑒定。高玉時(shí)等[17]測(cè)定了我國(guó)6個(gè)地方雞品種的COI基因的兩段序列,研究結(jié)果表明,Bar1序列可以用作地方雞品種鑒定條形碼;而Bar2序列不利于做品種鑒定序列。王潔[18]研究了我國(guó)三個(gè)地方品種鴨的COI序列的差異,結(jié)果表明3個(gè)品種的差異與形態(tài)學(xué)分類基本一致。屠云潔等[19]以大骨雞、安義瓦灰雞和金湖鳥鳳雞3個(gè)地方雞種為研究對(duì)象,利用DNA測(cè)序技術(shù)測(cè)定了COI基因序列,結(jié)果表明,選擇的這段COI基因序列在3個(gè)地方雞種中有3個(gè)突變位點(diǎn),為4個(gè)單倍型。認(rèn)為3個(gè)品種的DNA分類和形態(tài)學(xué)分類基本一致,該基因可以探討地方雞種分類問題。屠云潔等[20]利用COI基因序列對(duì)我國(guó)7個(gè)地方雞種進(jìn)行分子評(píng)估,發(fā)現(xiàn)了存在22個(gè)突變位點(diǎn),為13個(gè)單倍型,其中有11個(gè)單倍型為各品種所特有;其中6個(gè)雞種有其特異性位點(diǎn),認(rèn)為這些特異單倍型和特異位點(diǎn)可以作為DNA條形碼進(jìn)行分子評(píng)估,并可以作為輔助各品種鑒定的依據(jù)。唐修君等[21]以中國(guó)2個(gè)新發(fā)現(xiàn)雞種資源金湖烏鳳雞、安義瓦灰雞及地方雞種狼山雞為研究對(duì)象,利用DNA測(cè)序技術(shù)測(cè)定了COI基因序列,揭示2個(gè)新發(fā)現(xiàn)資源COI基因的遺傳多樣性及其與地方雞種的遺傳關(guān)系。結(jié)果顯示,選擇的這段COI基因序列在2個(gè)新發(fā)現(xiàn)資源和狼山雞中有10個(gè)突變位點(diǎn),為7個(gè)單倍型,其中有3個(gè)為特異性突變位點(diǎn),5個(gè)特異性單倍型。認(rèn)為利用COI這一特定基因的特定片段來作為DNA條形編碼的基礎(chǔ),進(jìn)行不同雞品種鑒定具有方便、快捷、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn),是可行和有效的。薛茂云等[22]以狼山雞和鹿苑雞為研究對(duì)象,利用DNA測(cè)序技術(shù)測(cè)定了COI基因,結(jié)果表明選擇的COI基因序列有15個(gè)突變位點(diǎn),共9個(gè)單倍型,其中狼山雞有3個(gè)特異單倍型,鹿苑雞有5個(gè)特異單倍型,這為尋找品種鑒定依據(jù)奠定了基礎(chǔ)。虞德兵等[23]利用COI基因測(cè)序方法對(duì)云南省施甸縣地方雞種進(jìn)行了研究。虞德兵等[24]對(duì)中國(guó)9個(gè)地方鴨和1個(gè)番鴨品種的COI基因進(jìn)行了測(cè)定,結(jié)果顯示所有家鴨個(gè)體在l517位點(diǎn)出現(xiàn)1個(gè)T堿基缺失。番鴨與家鴨的mtDNACOI基因堿基組成相似;9個(gè)鴨品種個(gè)體共檢出11種單倍型,單倍型的多樣度為0.856。高玉時(shí)等[25]以13個(gè)中國(guó)地方雞種和2個(gè)國(guó)外引進(jìn)品種為研究對(duì)象,利用DNA測(cè)序技術(shù)測(cè)定了COI基因,認(rèn)為這一特定基因的特定區(qū)段可以用來做DNA條形編碼,進(jìn)行不同雞品種鑒定,具有可行性和有效性。從以上的這些研究報(bào)道可以看出,當(dāng)前中國(guó)地方家禽品種的分類體系有所研究,但所涉及的品種較少,還不是很全,分子標(biāo)記數(shù)量也很有限。通過對(duì)核DNA和線粒體DNA的序列信息分析,來探討我國(guó)地方家禽品種的系統(tǒng)發(fā)育問題,可為保護(hù)我國(guó)地方家禽品種提供遺傳物質(zhì)本身DNA依據(jù)。
我國(guó)地域遼闊,品種資源多樣性豐富,是世界上畜禽遺傳資源最為豐富的國(guó)家之一。我國(guó)養(yǎng)禽歷史悠久,家禽地方品種資源豐富,不僅物種、類群齊全,而且種質(zhì)特性各異,各具特點(diǎn)。因此,也建議應(yīng)用現(xiàn)有的技術(shù)水平,根據(jù)品種志上列出的家禽品種,以及新發(fā)現(xiàn)還沒有列入家禽品種,采集品種樣本,建立一個(gè)包含該品種的圖片、生活地點(diǎn)及環(huán)境、個(gè)體名稱及生長(zhǎng)情況、年齡、采集的時(shí)間等一些重要信息的我國(guó)地方家禽(主要是雞和鴨)的DNA條形碼數(shù)據(jù)庫(kù)是非常有必要的,這對(duì)于保護(hù)我國(guó)地方家禽品種,尤其是一些瀕?;?yàn)l臨滅絕的品種的基因資源和品種信息等都是至關(guān)重要的。建立的家禽DNA條形碼數(shù)據(jù)庫(kù),不論從應(yīng)用價(jià)值出發(fā),還是從科研角度來看;不論從眼前的利益出發(fā),還是長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展來看,建立標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫(kù),都將給我國(guó)地方家禽品種的科研和商業(yè)領(lǐng)域帶來無可估量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。
[1]Hebert P.D.,Cywinska A.,Ball S.L.,et al.Biological identifications through DNA barcodes[J].Proc Biol Sci,2003, 270(1512):313-21.
[2]Hebert P.D.,Ratnasingham S.,deWaard J.R.Barcoding animal life:cytochrome c oxidase subunit 1 divergences among closely related species[J].Proc Biol Sci,2003,270 Suppl 1:S96-9.
[3]Miner B.E.,Stoger R.J.,Burden A.F.,et al.Molecular barcodes detect redundancy and contamination in hairpin-bisulfite PCR[J].Nucleic Acids Res,2004,32(17):e135.
[4]Ward R.D.,Zemlak T.S.,Innes B.H.,et al.DNA barcoding Australia's fish species[J].Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci,2005,360(1462):1847-57.
[5]Ekrem T.,Willassen E.,Stur E.A comprehensive DNA sequence library is essential for identification with DNA barcodes[J].Mol Phylogenet Evol,2007,43(2):530-42.
[6]Rach J.,Desalle R.,Sarkar I.N.,et al.Character-based DNA barcoding allows discrimination of genera,species and populations in Odonata[J].Proc Biol Sci,2008,275(1632):237-47.
[7]Dinca V.,Zakharov E.V.,Hebert P.D.,et al.Complete DNA barcode reference library for a country's butterfly fauna reveals high performance for temperate Europe[J].Proc Biol Sci,2011,278(1704):347-55.
[8]Elmeer K.,Almalki A.,Mohran K.A.,et al.DNA barcoding of Oryx leucoryx using the mitochondrial cytochrome C oxidase gene[J].Genet Mol Res,2012,11(1):539-47.
[9]KochziusM.,SeidelC.,AntoniouA.,etal.IdentifyingFishesthroughDNABarcodesandMicroarrays[J].PLoSOne,2010,5(9): e12620.
[10]Yao H.,Song J.,Liu C.,et al.Use of ITS2 region as the universal DNA barcode for plants and animals[J].PLoS One,2010,5(10).
[11]肖金花,肖暉,黃大衛(wèi).生物分類學(xué)的新動(dòng)向—DNA條形編[J].動(dòng)物學(xué)報(bào),2004,50:852-855.
[12]Hebert P.D.,Gregory T.R.The promise of DNA barcoding for taxonomy[J].Syst Biol,2005,54(5):852-9.
[13]Lakra W.S.,Verma M.S.,Goswami M.,et al.Gopalakrishnan A.,Singh K.V.,Ward R.D.,Hebert P.DNA barcoding Indian marine fishes[J].Mol Ecol Resour,2011,11(1):60-71.
[14]Smith M.A.,Bertrand C.,Crosby K.,et al.Wolbachia and DNA barcoding insects:patterns,potential,and problems[J].PLoS One,2012,7(5):e36514.
[15]Hebert P.D.,Penton E.H.,Burns J.M.,et al.Hallwachs W.Ten species in one:DNA barcoding reveals cryptic species in the neotropical skipper butterfly Astraptes fulgerator[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2004,101(41):14812-7.
[16]徐向明.我國(guó)3個(gè)地方品種鴨線粒體DNACOI基因的DNA條形碼初步分析[J].畜牧與獸醫(yī),2008,40(11):51-53.
[17]高玉時(shí),屠云潔,童海兵,等.6個(gè)地方雞種線粒體COⅠ基因的DNA條形碼研究[J]:第十三次全國(guó)家禽學(xué)術(shù)討論會(huì):2007;中國(guó)河南鄭州;2007:391-398.
[18]王潔.我國(guó)部分家鴨品種的DNA條形碼初步分析[D].南京:南京農(nóng)業(yè)大學(xué),2009.
[19]屠云潔,陳國(guó)宏,高玉時(shí),等.3個(gè)地方雞種線粒體DNA COⅠ基因條形碼遺傳多樣性研究 [J].家畜生態(tài)學(xué)報(bào), 2009,30(01):16-19.
[20]屠云潔,高玉時(shí),陳國(guó)宏,等.7個(gè)地方雞種的分子評(píng)估[J].家禽科學(xué),2008,(09):6-10.
[21]唐修君,高玉時(shí),屠云潔,等.基于線粒體COⅠ基因的2個(gè)新發(fā)現(xiàn)雞種資源DNA編碼研究[J].中國(guó)畜牧獸醫(yī), 2011,38(01):133-136.
[22]薛茂云,高玉時(shí),屠云潔,等.基于線粒體COⅠ基因狼山雞和鹿苑雞DNA條形編碼分析[J].揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)(農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版),2009,30(04):26-29.
[23]虞德兵,李平華,吳望軍,等.基于線粒體Co I基因施甸縣地方雞種DNA條形碼分析[J]:中國(guó)畜牧獸醫(yī)學(xué)會(huì)信息技術(shù)分會(huì),2013:222-232.
[24]虞德兵,陸應(yīng)林,徐昊翔,等.基于線粒體C0Ⅰ基因序列分析家鴨系統(tǒng)發(fā)育關(guān)[J].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,34(6):109-114.
[25]高玉時(shí),唐修君,屠云潔,等.基于線粒體COⅠ基因15個(gè)雞種的DNA編碼研究[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,44(03):587-594.
(編輯:高真貞)
S813.9
A
1006-799X(2016)21-0026-03
廣西水產(chǎn)畜牧科技推廣應(yīng)用項(xiàng)目(桂漁牧科201633008),國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系廣西創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)肉雞產(chǎn)業(yè)體系(nycytxgxcxtd-04-20)。
鄧?yán)^賢(1979-),男,廣西桂林人,畜牧師,研究方向?yàn)榧仪萦N及地方畜禽種質(zhì)資源保護(hù)。
韋鳳英(1962-),女,廣西扶綏人,研究員,研究方向?yàn)榧仪萦N及健康養(yǎng)殖。