水生态系统是保障国家生态安全的重要基础.水生生物在水生态系统中扮演着核心角色,是研究水体演变的重要依据,是维护水生态健康的关键.传统水生生物调查和监测通常采用形态学方法,但其存在专业知识要求高、难以标准化和自动化及费时耗力等缺陷.环境DNA(Environmental DNA,简称eDNA)技术是一种通过监测环境中存在的DNA片段来识别特定生物物种的方法,可以实现基于水体中DNA分子进行水生生物的鉴定和监测,为水生生物的常态化监测提供了一个准确、便捷、可标准化和自动化实施的方案.文章介绍了 eDNA技术的基本原理,总结回顾了 eDNA技术从萌芽到广泛科研应用的发展历史和过程,介绍了基于eDNA的宏条形码和宏基因组等各类水生生物鉴定监测技术;阐述了eDNA技术在保护种、入侵种及生物类群监测和水生态评估等各领域的应用;分析了eDNA技术当前面临的物种参考序列数据库不完善等各类挑战;提出了通过优化完善数据库、样品采集方法、评价指标和参数、样品保藏、数据分析和存储等来推动eDNA技术标准化和自动化,以解决当前面临的挑战.同时,基于eDNA技术当前的发展阶段,提出了在我国水体结合专业形态分类鉴定开展水生生物eDNA技术标准化监测的实施建议.

中药鉴定是保证中药有效性和安全性的重要一环.DNA条形码技术让中药鉴定摆脱了经验依赖,弥补了传统化学方法和形态学方法鉴定中药材的不足,然而对于在炮制或加工过程中DNA降解的药材和复杂样品方面鉴定能力有限.中药DNA条形码鉴定技术近年来发展迅速,DNA微型条形码的出现,不仅可用于鉴定DNA发生严重降解的实验材料,在很大程度上弥补了传统条形码的短板,还可作为候选条形码,与标准条形码组合,共同鉴定混合中药材样本.此外,DNA宏条形码技术通过将DNA条形码与高通量测序技术相结合,以实现组合样本中多个物种的检测,是目前混合中药材鉴定方面最有效的分子鉴定方法.该文通过对近年来DNA微型条形码、DNA宏条形码在有关中药物种及中药共存微生物组成鉴定的研究进行梳理总结,以明晰该领域研究现状,并展望未来发展,为中药分子鉴定研究提供参考.

鸟类在全球广泛分布,不同鸟类物种利用的食物类群存在很大差异,而食性研究是动物营养学和生态学领域的重要研究内容.本文对一些传统鸟类食性鉴别方式及其不足进行回顾,传统鸟类食性鉴别方式包含扎颈法、剖胃法、粪便收集法、相机记录法等.随着测序技术的高速发展,DNA宏条形码技术出现,并广泛应用于动物食性研究.近些年来,该技术也被应用于鸟类食性研究中.本文综述了DNA条形码和DNA宏条形码的操作原理和条件,对鸟类食性研究中的DNA条形码与引物的选择做了详细介绍.对比传统鉴别方法,DNA宏条形码技术降低了物种鉴定难度,减少了人为影响因素,提高了目标样本中物种的鉴定效率,能对粪便、胃容物等混合或不成型样本进行分析.另一方面,在扩增多物种混合的DNA样品中的目标片段时,可能出现偏离,造成结果的不确定性,并且难以根据结果得出较准确各食物组分的比例.未来在使用宏条形码技术对鸟类食性的分析中,可结合其他方法改善对食物的量化以及食物属性的判断.

研究利用扫描电镜和HE染色技术来观察青海湖裸鲤(Gymnocypris przewalskii)的肠道显微结构,并通过DNA宏条形码技术,对其食性特点进行分析.研究结果表明,青海湖裸鲤前、中、后肠的组织结构层次清晰且差异明显,从内向外依次由黏膜层、黏膜下层、肌层和浆膜层四层组成,因缺乏黏膜肌,光镜下仅有三层膜结构清晰可见,从前肠至后肠肠腔逐渐减小,黏膜皱褶高度显著降低(P＜0.05),宽度显著增加(P＜0.05),杯状细胞、分泌孔及分泌物颗粒的数量也相对减少;18S rDNA和rbcL基因DNA宏条形码测序分析结果显示:青海湖裸鲤肠道内容物测序获得51656个OTU,剔除鱼类自身序列、细菌、古菌及真菌的序列后共39031个OTU注释为43门、114纲、282目和435科.在门水平上主要以链型植物门(53.73％)、硅藻门(23.19％)、p_unclassified_d_Eukaryota(11.14％)、丝足虫门(6.67％)、p_unclassified(1.93％)和轮虫动物门(0.67％)为主,纲水平上,主要以真藓纲(35.79％)、硅藻纲(23.05％)、双子叶植物纲(18.03％)和金藻纲(3.36％)为主.由此可见青海湖裸鲤主要食物组成为真藓类、硅藻类、双子叶植物类、金藻类、丝足虫类、轮虫类及未确定分类的物种.综上所述,青海湖裸鲤的肠道组织结构具有特异性和杂食性鱼类肠道结构的共性,且DNA宏条形码食性分析结果也证实青海湖裸鲤属于杂食性鱼类,其中还有许多未知种类的食物.研究阐明了青海湖裸鲤肠道结构和食性的特点,为青海湖裸鲤的人工繁育和进一步保护提供了基础的科学依据.

水文连通对于维护滨海湿地生物多样性至关重要,鱼类多样性作为生物多样性的重要组成部分,了解其对不同水文连通强度的响应具有重要意义.本研究基于环境DNA宏条形码技术(eDNA metabarcoding)检测黄河三角洲典型潮沟系统鱼类多样性,分析鱼类物种分布对不同水文连通强度潮沟生境差异的响应特征.利用12SrRNA经典鱼类引物对采集自三级潮沟系统的水样进行高通量测序,共检测出鱼类55种,其中本地鱼类27种、非本地鱼类28种,物种组成以鲈形目为主.各样点序列丰度均较高的鱼类有矛尾刺虾虎鱼(Acanthogobius hasta)、鮻(Planiliza haematocheilus)、长体刺虾虎鱼(Acanthogobius elongatus)等.鱼类多样性在不同水文连通性潮沟间差异明显,其中,二级潮沟群落多样性水平、丰富度指数、物种种类及各种鱼类类群中的个体均匀程度等都明显高于其他两级潮沟.RDA分析显示有6种环境因子与鱼类群落结构显著相关(P＜0.05),分别为:硅酸盐(SiO32--Si)、硝酸盐(NO3--N)、酸碱度(pH值)、盐度(SAL)、铵盐(NH4+-N)、溶解氧(DO).其中,优势种矛尾刺虾虎鱼的序列丰度与硅酸盐呈正相关,鮻的序列丰度与盐度呈负相关.本研究通过与传统采样数据进行比较,证实了环境DNA宏条形码技术用于监测黄河口典型潮沟水体中鱼类多样性的可行性,表明潮沟系统水文连通性对鱼类群落结构及多样性均具有明显的影响,研究结果有助于进一步了解滨海湿地水文连通对生物群落的影响机制.

传粉者是重要的生态功能提供者,在维持稳定的生态系统和高效的农业生产力中发挥着重要作用.因此,传粉网络的构建和监测工作对评价生态系统平衡和调控农业生产至关重要.该工作的基础就是通过对传粉者及植物的物种鉴定构建其相关性.传统的形态学物种鉴定对分类学专家的专业知识、时间和经验都提出较高的要求.DNA条形码和高通量测序技术(high-throughput sequencing,HTS)的发展及其在传粉网络研究中的应用,提供了高效、准确鉴定传粉者与植物的方法,大大提高了传粉网络构建的效率.本文阐述了传粉网络研究相关的研究方法和技术进展,并提出利用高通量测序技术结合无PCR扩增(PCR-free)的“超级条形码”技术,有望实现以更高的灵敏度和分辨率对混合物种样品进行定性及相对定量的监测.该方法的有效性已在其他生物多样性研究中得以验证,在传粉网络研究中虽处于初始阶段,但应用前景广阔.

中药白头翁应用历史悠久,药典收载为毛莨科植物白头翁Pulsatilla chinensis (Bge.) Regel的干燥根.市场流通中易混淆种有朝鲜白头翁、兴安白头翁、细叶白头翁、金县白头翁等,伪品众多,准确鉴定十分迫切.本研究采用宏基因组学的方法,基于高通量测序技术对5种白头翁药材混合样品的ITS2序列进行测序.首先对药材混合粉末中的总DNA进行提取,并对总DNA中ITS2片段进行PCR扩增,再利用Illumina MiSeq平台对DNA片段进行双端测序,最后采用FLASH、QIIME以及GraPhlAn等软件对序列进行整理分析并与本课题组前期上传至GenBank中的序列进行聚类分析.结果显示,混合样品中共得到53024条ITS2序列,有效序列52295条,白头翁属5种药材总计49 079条,其代表序列与本课题组前期上传至GenBank中的序列进行聚类分析后,5种白头翁分别聚为一支,呈单系性.结果表明,利用高通量测序技术,以ITS2序列作为DNA条形码,可以对5种白头翁药材的混合粉末进行有效鉴定,为混合中药材的基原鉴定提供新的方法和思路.

DNA宏条形码(metabarcoding)技术是一项传统DNA条形码与高通量测序技术相结合后衍生出的研究方法,该技术可快速、简便、有效地从多物种混合的生物样本中识别、还原其中的生物种类,目前在环境生物学研究中得到广泛运用.在市售中成药领域,掺伪、质量不稳定等因素严重制约了相关产业的可持续发展.该文介绍了DNA宏条形码技术的相关背景及其在中成药鉴定中的初步应用情况,同时还简述了研究过程中可能存在的问题并对DNA宏条形码技术发展进行了展望.

DNA宏条形码(DNA metabarcording)是利用高通量测序技术获得混合条形码扩增序列,通过生物信息学分析手段来鉴定混合样本中物种组成的方法,已广泛用于宏基因组学、动植物生物多样性等研究,并开始应用于传统草药的鉴定领域,为混合草药物种鉴定困难提供了有力的手段.该文主要总结了目前DNA宏条形码在混合中草药基原物种鉴定研究中的应用进展,重点比较分析了Sanger一代、二代以及三代高通量测序技术在混合中草药鉴定中的优劣性,并展望DNA宏条形码在混合中草药产品鉴定中的应用前景.

在陆地生态系统中,大型食肉动物对于稳定食物网结构和生态系统功能有重要作用.在世界范围内,由于栖息地丧失和破碎化、猎杀、人类活动干扰以及病原体的传播,大型食肉动物生存正面临严重威胁,多种食肉动物地理分布范围及种群数量大幅度缩减.如何有效保护大型食肉动物物种多样性及种群已经成为世界关注的焦点问题和保护生物学的重要研究方向.川西高原地处我国西南山地与青藏高原东缘交界地带,属于世界生物多样性热点地区,是世界大型食肉动物物种最丰富的地区之一,而日益增强的人类活动可能会加剧对当地动植物资源的破坏,进而威胁野生食肉动物的生存.获得准确的物种多样性信息及食肉动物食性数据有助于深入了解该地区生态系统结构及食物网关系,对研究物种共存机制及生物多样性保护有重要意义.本研究通过从四川甘孜藏族自治州新龙县和石渠县野外采集的食肉动物粪便样品中提取DNA,利用DNA条形码进行物种鉴定,快速获得该地区食肉动物物种构成信息.38份粪便样品经鉴定来自于7种食肉动物,分别为5种大型食肉动物(狼Canis lupus、棕熊Ursus arctos、豹Panthera pardus、雪豹P.unica、狗Canis lupus familiaris)和2种中小型食肉动物(豹猫Prionailurus bengalensis、赤狐Vulpes vulpes).进一步利用高通量测序和宏条形码技术对7种食肉动物粪便中的食物DNA进行精准食性分析,得到包含19种哺乳类、8种鸟类和1种鱼类共计28个不同的食物分子可操作分类单元(molecular operational taxonomic unit,MOTU).结果 显示,狼、狗、棕熊最主要的食物来源为偶蹄目动物,其中取食频率最高的物种为家牦牛(Bos grunniens);而豹猫和赤狐食物中小型哺乳动物如啮齿目和兔形目占重要比例,其中高原松田鼠(Neodon irene)和高原鼠兔(Ochotona curzoniae)被取食频率最高.豹和雪豹的食物分别为偶蹄目的中华斑羚(Naemorhedus griseus)和岩羊(Pseudois nayaur).本研究显示了粪便DNA及宏条形码技术在食肉动物多样性快速调查及高通量精确食性分析中的应用前景,并为此类研究提供了技术路线的有力借鉴.