海洋生物的“身份证”——DNA条形码

　　今年5月，一条疑似鲸鲨的鱼在广西北海被捕杀，并被做成鱼肥，以2.5元一斤的价格在市场上销售，引发社会的高度关注。当地水产部门根据嫌疑人遗留的鱼皮，初步判定被制作成鱼肥的为鲸鲨。鲸鲨是海中最大的鱼，为国家二级保护动物，已列入《世界自然保护联盟（IUCN）濒危物种红色名录》。那么，我们应该如何对这种已经失去原形态的生物材料，进行快速准确的物种鉴定，从而判断它是否为濒危海洋生物呢？

　　我们知道，绝大多数的生物都是以DNA作为遗传物质的，并且不同种的生物之间，它们所具有的DNA序列也是不一样的。凭借这个特性，生物学家们设想：能不能借助DNA序列来对生物进行鉴定呢？进入21世纪，伴随着DNA测序技术的快速发展、计算机及互联网的普及，这一想法成为了现实。这，就是我们今天要跟各位读者介绍的DNA条形码技术。如今，中国科学院海洋研究所已利用该技术在海洋生物鉴定方面做了一些有益的尝试，就让我们跟随笔者一起来一探究竟吧！

　　DNA条形码技术与超市利用条形码扫描，区分成千上万种不同的商品十分类似，就是利用一段标准DNA序列作为标记，以实现快速、准确和自动化物种鉴定的技术。

　　海洋生物DNA条形码技术是以各种海洋生物为研究对象，在具体操作过程中，它包括两个方面，一是海洋生物DNA条形码数据库的构建，二是海洋生物DNA条形码数据库的访问和使用，这二者是相互对应、相互促进的。前者是技术的基础，它为使用者们提供了大量数据与资料，作为一个资源整合与共享的平台而存在；后者是对该技术的应用，它在帮助使用者们解决一系列与海洋生物鉴定相关的问题的同时，也促进了建设者们对数据库的不断完善。

　　透视技术关键点

　　海洋生物DNA条形码技术实际上是传统分类学、分子生物学和计算机信息化等几方面技术的结合，每个方面，都有一些关键因素决定着整个技术的可操作性和准确性。

　　首先要做到的，就是形态学鉴定的准确性。在构建海洋生物DNA条形码数据库时，对每个物种进行准确的鉴定无疑是整个工作的基础。海洋生物DNA条形码技术产生的初衷，是为了弥补形态学鉴定的不足，但归根到底，这一技术也离不开经典的形态分类学。那些认为传统形态分类学“无用”，甚至将被取代的观点，其实是十分错误的。

　　海洋生物DNA条形码技术的另一个关键因素，是DNA条形码的选择。生物体内的DNA所包含的信息量巨大，想把生物体整个基因组的DNA序列拿来做条形码显然是不现实的，也没有必要。那么究竟什么序列适合做海洋生物“独一份”的识别码呢？目前，科研领域较为通用的动物DNA条形码基因，是线粒体细胞色素C氧化酶第一亚基（COI）这个基因。而对于植物和原生动物，则会以叶绿体1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶大亚基（rbcL）和成熟酶K（matK）两个基因片段作为主要的DNA标准条形码，以叶绿体基因间隔区（trnH-psbA）和核内核糖体RNA基因间隔区（ITS）作为补充条码。不过，海洋生物的多样性极高，除了各种鱼类，还有软体动物、藻类、浮游动物等等。很难统一用一个基因标记，作为海洋生物所有类群的标准DNA条形码标记。

　　此外，条形码数据库的信息是否全面、海量，也是该技术非常关键的一环。一个没有受过分类学专业培训的研究人员，面对一个未知的海洋生物，想要顺利通过海洋生物DNA条形码技术获得所需要的结果，除了简单的分子生物学实验操作外，最关键的一点，就是条形码数据库是否包括了这个物种的相关信息。截至2016年5月，科学家们已确认的世界海洋物种数为240198种（数据来自World Register of Marine Species）。而形成反差的是，目前，“生物条形码数据系统”与“国际海洋生物普查组织”共同协作下建立的“海洋生物条形码组织”，仅收录了6199个海洋物种的37182个条形码信息。所以，绝大多数海洋生物的DNA条形码信息还没有被研究过。从这个意义上来说，海洋生物DNA条形码数据库的不断补充和完善，将是今后面临的一项艰巨而重要的任务。

　　保护海洋显价值

　　海洋生物DNA条形码技术最重要和最基本的目的，就是协助进行海洋生物分类，实现形态相似种、隐存种以及处于不同生活史阶段物种的快速准确的鉴定。在此基础上，海洋生物DNA条形码技术还可以进一步应用于海洋生态系统监测和修复、保护生物学和食品安全等相关领域。

　　例如，浮游动物是海洋生态系统的重要组成部分，但是浮游动物通常体型较小、数量庞大，而且种类繁多，仅我国近海就有超过1300种。并且，由于浮游动物同一类群不同种的幼体往往形态差异极为细微，这更增加了形态鉴定的难度。利用海洋生物DNA条形码技术，可以从一粒卵中扩增出足量的DNA，从而对浮游动物进行快速准确的鉴定，并且还可以实现对浮游动物完整生活史的监测。

　　再比如，海洋生物入侵已经成为一个世界性的问题。外来海洋生物一旦入侵成功，将会对当地海洋生物的多样性、群落和食物链结构等产生一系列的影响，严重威胁海洋生态安全，并可能造成巨大的经济损失。据统计，每日有近百种海洋生物随船舶在各大洋之间航行，并随着压舱水被排放到世界各地的水域形成当地入侵种，这其中不乏能造成海洋生态灾害的赤潮藻类和水母类的水螅体。DNA条形码技术不受生物形态特征和个体发育时期的限制，可以快速检测出压舱水中浮游生物的种类。此外，结合种群遗传学分析方法，DNA条形码技术还可以用于分析入侵种的来源和历史，以帮助人们对海洋生物入侵进行更具针对性的预警和更高效的长期管控。

　　另外，海洋生物DNA条形码技术在保障食品安全方面也起着越来越重要的作用。在美国，科研人员通过分析DNA条形码发现，市场上有23%的鱼子酱所标注的鱼类名称是错误的，并且有的还含有濒危鱼类成分；而在意大利，DNA条形码技术被用于鉴别市场上出售的食用鱼片的真伪；在我国，以COI基因为基准的DNA条形码技术还被用来鉴定名贵保养品食用海参的真伪。

　　如今，DNA条形码技术还成为保护濒危海洋生物的一柄“利器”。在澳大利亚，通过对附近海域非法捕捞收缴的鲨鱼鳍样品进行DNA条形码分析，人们发现其中许多鲨鱼属于《世界自然保护联盟（IUCN）濒危物种红色名录》中被保护的种类，而其中有的种的濒危等级已属于“极危”。

　　还有哪些问题要解决？

　　任何技术都有其相应的局限性和不足，海洋生物DNA条形码技术也不例外。除了目前从事传统分类学的专业人员日渐减少，海洋生物生存环境不断被破坏这些根本性问题外，还存在着一些技术上的问题有待解决或改进。

　　首先，正如之前所说，海洋生物的许多类群很难找到较为统一的条形码基因，因此需要通过长期的研究验证，去寻找有针对性的、适合各个生物类群的标准条形码基因。其次，针对某些多样性极其复杂的海洋生物类群，如藻类、原生动物等，单一DNA条形码的鉴定准确率很低，还需要筛选出较为通用且合适的2~3个辅助条形码片段作为补充。再者，某些特殊类群，如杂交种、新近分化的物种、进化速率较慢的物种，其分子间差异不一定能达到显著区分的程度，而“新一代测序技术”的快速发展和普及，则可能为这一问题的解决带来更多的希望。最后，在不同类群的生物之间，鉴定阈值往往不统一，种内和种间的遗传差异难以确定，这就需要我们在构建DNA条形码数据库时，尽可能地使用一个物种所有分布区、所有种群的代表个体作为样本，以保证DNA条形码鉴定的准确率。

　　如今，海洋生物资源的合理开发与利用、海洋生态环境保护和生态风险防控等问题，已经成为21世纪全人类可持续发展的重要议题。正是在这一背景下，海洋生物DNA条形码技术应运而生，并且已经在众多领域崭露头角。我们有理由相信，随着相关技术的不断完善和革新，未来，海洋生物DNA条形码技术一定有着更加广阔的应用前景。

　　我国近海海洋生物

　　DNA条形码资源库的构建

　　我国海洋生物资源丰富、物种多样。目前，已发现的海洋生物种类约占全球已知海洋生物物种种类的10%，其中，已知的大型海洋生物约有2.5万种之多。对海洋生物物种的准确鉴定，是海洋资源可持续利用、海洋环境保护与海洋科学研究的前提。然而，传统形态学鉴定的专业性和主观性较强，且我国海洋生物分类学研究的团队规模有限，难以满足日益增长的海洋科学研究和管理工作的需求。

　　为了解决这一难题，科技部基础性工作专项“我国近海海洋生物DNA条形码资源库构建”项目于2014年正式启动，由中国科学院海洋研究所承担。该项目预计在5年内构建起一个涵盖2000个近海常见物种、15000条标准数据的基础DNA条形码数据库。今后，以此平台为基础，将逐步完善我国管辖海域乃至远洋、深海的海洋生物DNA条形码数据库的建设。

　　文、图/寇琦 李新正（中国科学院海洋研究所）