DNA條形碼在水生動物物種鑒定中的應用

余海軍 王茜

摘要 水生動物是一類主要生活于水中的動物類群，其具有種類多樣、分布廣泛、復雜難辨等特點，但是對于水產動物的物種鑒定長期以來一直困擾著相關方面的專家和學者。隨著DNA條形碼技術的提出，其已被成功地應用于水生動物的物種鑒定。整理總結了國內外使用DNA條形碼在水生動物物種鑒定中的應用。

關鍵詞 水生動物;DNA條形碼;物種鑒定;應用

中圖分類號 S 917.4? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2021）16-0001-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.16.001?? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Application of DNA Barcoding for Species Identification in Aquatic Animal

YU Hai-jun1，2， WANG Qian2

（1.Center of Animal Husbandry and Fisheries， Bijiang Agriculture and Rural Affairs Bureau， Tongren，Guizhou 554300;2. Key Laboratory of Aquatic-Ecology and Aquaculture of Tianjin， College of Fishery， Tianjin Agricultural University， Tianjin 300384）

Abstract Aquatic animals are a group of animals that mainly live in water， with the characteristics of diverse species，wide distribution， complex and difficult to distinguish. However， the identification of aquatic animal species has long troubled experts and scholars in related fields.With the advancement of DNA barcoding technology， it has been successfully applied to species identification of aquatic animals.This study summarized the application of DNA barcodes in the identification of aquatic animal species at home and abroad.

Key words Aquatic animal;DNA barcodes;Species identification;Application

中國是世界上內陸水域面積最大的國家之一，內陸水域面積約2 700萬hm2，占土地總面積的2.8%;其中江河面積約為1 200萬hm2，湖泊面積約為800萬hm2，水庫8萬余座。江河、湖泊及水庫等既是漁業生產的捕撈場所，又是增殖、養殖的基地，內陸水域可供漁業養殖的面積約為560萬hm2，從而構成了中國水生動物種質資源豐富、魚類棲息環境多樣、物種多樣性高等一系列特點。由于大量特有魚類資源野生種群瀕危且水產養殖品種繁多，導致水產市場混亂，常出現魚龍混雜、以壞充好的現象[1]。為此，需要一種快速、簡便、高效的鑒定方法，快速定位瀕危物種，并及時采取保護措施。

雖然國內有關水生動物的研究在近年來層出不窮，且不斷得到國外相關學者的認可，但是較國際研究水平，該類群研究還是相對薄弱，原因在于國內形態學鑒定的缺陷，而且大多數傳統分類學家因年齡等關系均已退出相關研究[2]。由于缺乏基礎研究，在相當長的時期內，國內對于水生動物缺乏準確的種類鑒定能力，同時也作為一種制約因素嚴重阻礙了與之相關的水產養殖、漁業資源、環境生物學等其他學科的研究和發展。

總而言之，國內水生動物研究工作者要面對的工作任重而道遠，還有大量艱苦的基礎研究任務需要完成，并需要更多的研究人員參與;目的是為生物科學、農業科學和環境科學等學科提供有效且可信的科研資料，而且這些研究成果必將有益于中國漁業資源的合理開發利用以及為中國和國際水生動物研究的深入交流奠定基礎。為此，筆者在現有文獻的基礎上，對水生動物物種鑒定的研究現狀進行綜述。

1 DNA條形碼簡介

DNA條形碼[3-4]最簡單的定義是從基因組中標準部分提取一個或幾個相對較短的基因序列，用于識別物種。其與形態學鑒定相比，優勢表現在：不受制于物種雌雄和不同生命階段的影響，不受表型可塑性和遺傳可變性的影響[5];可以鑒定一些群體中的隱存分類單元，并能快速且可靠的識別所有生命形式的物種層次，包括動物、植物、真菌、微生物;因而可利用其對物種進行有效鑒別。DNA條形碼由Hebert于2003年首次提出，提出之后發展迅速，現已成功用于分類鑒定和生物多樣性評估;在論證物種群落組成、食物鏈和種內遺傳變異方面也有所研究[6-8];同時也扮演著生物安全和淡水生態監測中一個不可缺少的角色[9-12]。

在線粒體基因中，細胞色素氧化酶亞單位I（COI）是分子量較大、保守且存在變異的基因[13-15];據王茜[16]所述，COI基因不適合用于分類階元較高的科、亞科及族間的系統發育關系研究，而適用于屬、種及種下階元的系統發育關系。其次，COI基因易被通用引物擴增，很少有外源基因插入或基因缺失[17]，具有高突變率[18];Hebert等[4]通過分析動物界11門物種超過13 320條序列，結果支持COI作為DNA條形碼分子標記基因。因此Hebert等[19]選取COI基因中658對堿基對（bp）的短DNA序列，作為一個實際化、標準化的動物DNA條形碼標準序列。

2 DNA條形碼在魚類物種鑒定中的應用

魚類是一類廣泛分布于全球各種水體中的低等脊椎動物，現已發現的魚類約32 000種。其在水系生態系統中扮演著不可或缺的角色，世界分布廣泛，品種繁多，只依據外部形態特征對其進行準確鑒別存在一定的難度。近年來，隨著分子生物技術的不斷發展，分子系統學在魚類系統學領域也得到了廣泛的應用，其中DNA條形碼就在魚類的分類鑒定中發揮著重要作用。柳淑芳等[20]通過DNA條形碼對石首魚科19屬30種進行了系統分類研究，結果證明了DNA條形碼能有效對石首魚科魚類進行物種鑒定，同時提出了將其用于石首魚科的屬、種分類單元系統發育的探討。馬春艷等[21]采用COI基因作為DNA條形碼分子標記，對棱鳀屬6種魚類進行系統分類研究，結果證明了DNA條形碼能對棱鳀屬魚類進行有效的物種鑒定。柳淑芳等[22]對鲉形目8科12屬13種進行了DNA條形碼分析，結果表明DNA條形碼用于鲉科魚類鑒定具有一定的可行性。張稚蘭等[23]基于DNA條形碼技術對蛇鰻科7屬10種進行了分類鑒定研究，結果表明DNA條形碼可以有效鑒定蛇鰻科魚類。唐楚林等[24]通過對中國沿海19個地點11種笛鯛屬魚類73個樣本進行DNA條形碼分析，表明DNA條形碼技術能夠對笛鯛屬絕大部分魚類進行有效的區分。賈程豪等[25]對中國大陸近海菖鲉屬魚類新記錄種三色菖鲉（Sebastiscus tertius）進行DNA條形碼研究，結果顯示該種單獨聚為一支，與形態學鑒定其為新記錄種的研究結果相符。王楠等[26]基于DNA條形碼技術對17種市區售鮭科魚進行物種檢測，結果證實了DNA條形碼技術可用于鮭科魚類的物種鑒別。劉紅艷等[27]通過對鰍科魚類3亞科18屬61種進行DNA條形碼研究，探討其在鰍科魚類物種鑒定中的有效性，結果顯示COI條形碼可以鑒定鰍科魚類75.41%的物種。

3 DNA條形碼在甲殼類物種鑒定中的應用

甲殼類動物為水生動物的主要類群之一，在淡水中和陸地上均有分布。目前，基于DNA條形碼技術對甲殼類動物進行物種分類鑒定的研究較為普遍。Bucklin等[28]基于COI基因對40種磷蝦進行DNA條形碼分析，結果表明其能夠有效地鑒定磷蝦類物種。Radulovici等[29]對甲殼動物39科60屬87種進行DNA條形碼分析，結果顯示95%的甲殼類物種能通過DNA條形碼顯著區分，同時發現有4個種類的種內遺傳距離較高（3.78%～13.60%），推斷可能出現隱種。Costa等[30]采用COI基因對甲殼動物23目150個物種進行DNA條形碼研究，發現其條形碼結果與傳統形態分類結果一致，據此認為DNA條形碼可作為甲殼動物物種鑒別的有效手段。白俊等[31]通過對秦嶺山脈地區華溪蟹屬（Sinopotamon）淡水蟹進行DNA條形碼研究，結果顯示DNA條形碼能準確鑒別光澤華溪蟹指名亞種（S.davididavidi）、蘭氏華溪蟹（S.lansi）、長江華溪蟹指名亞種（S.yangtsekiense）、凹肢華溪蟹（S.depressum）和福建華溪蟹（S.fukienense）等物種。王娜泠[32]利用DNA條形碼技術對浙江沿岸常見的6種蟹類70個個體進行DNA條形碼研究，結果表明DNA條形碼能夠準確鑒定研究中的6種蟹類。徐武杰[33]運用DNA條形碼對鄱陽湖流域華溪蟹屬淡水蟹類進行分類鑒定，結果顯示DNA條形碼可作為華溪蟹屬淡水蟹類物種鑒定的輔助分類工具。原帥[34]使用COI基因對甲殼動物2個類群89個個體進行DNA條形碼研究，結果證明了DNA條形碼在甲殼綱物種鑒定中具有可行性。

4 DNA條形碼在貝類物種鑒定中的應用

貝類屬于軟體動物，世界分布十分廣泛，種類豐富，目前已知有1.1萬余種[35]，許多貝類生物由于外形差異不顯著，且能隨著環境的誘導而出現趨同進化的現象，從而難以區別[36]。為此，有些學者將DNA條形碼技術應用于貝類的分類鑒定。鄒山梅[37]運用DNA條形碼技術對中國沿海骨螺科17個分類比較混亂的種類進行物種鑒定分析，結果顯示DNA條形碼技術能有效區分所有研究的種類。王琳楠等[38]基于COI基因對中國沿海地區簾蛤目4科5屬6種進行DNA條形碼研究，研究結果為將DNA條形碼技術應用于簾蛤目貝類的物種鑒定中提供了一定的依據。蘇金薈[39]基于COI基因作為DNA條形碼的分子標記對中國蚌科14屬41種進行研究，結果表明將COI基因作為DNA條形碼標記有利于中國蚌科的物種鑒定。吳彪等[40]選用COI基因對簾蛤目72種進行DNA條形碼分析，結果顯示DNA條形碼與物種形態特征匹配的成功率為87.9%。張曉潔等[41]運用DNA條形碼技術對中國沿海蜑螺科貝類3屬7種進行物種鑒定研究，結果顯示種內遺傳差異均小于種間遺傳差異，即存在明顯的條形碼間隙，表明DNA條形碼能有效鑒定蜑螺科貝類物種。張國武等[42]利用DNA條形碼技術對新疆地區采集的21種淡水貝類進行分類鑒定。

5 DNA條形碼在其他水生動物物種鑒定中的應用

在其他水生動物物種鑒定中也有一些關于DNA條形碼的報道。葉朝陽等[43]基于COI基因對龜鱉目動物9科26屬45種進行DNA條形碼分析，結果表明利用條形碼技術鑒定龜鱉目物種具有可行性。律迎春[44]利用DNA條形碼分析海參群體，發現海參的種間遺傳距離明顯大于種內遺傳距離，表明DNA條形碼能對海參種類進行分類鑒定。張珰妮等[45]以COI基因作為DNA條形碼對北部灣北部的水螅水母類2亞綱5目13科19屬28種進行了有效的物種鑒定。

6 DNA條形碼的不足

DNA條形碼鑒定成功率的高低決定其是否能高效鑒別物種，其鑒定成功率很大程度上取決于DNA條形碼空白區（DNA barcoding gap）的存在，即種內和種間遺傳距離的差異;如果二者存在很大交叉范圍（overlap），則鑒定成功率會降低[46-48]。Hebert等[49]基于對鳥類的研究，提出10倍的平均遺傳距離可以作為最大種內變異的閾值，并提議將此閾值作為一個通用標準;但已有學者發現DNA條形碼應用于同科的不同類群時，其產生的閾值存在較大差異而無法統一[50-51];導致這樣的結果據推斷可能與以下原因有關，即某個種群內的物種豐富且遺傳多樣性高[52]，引起種內和種間遺傳距離出現重疊[48];或者DNA條形碼空白區邊界模糊不清[53]。為此，Meier等[54]通過研究提出一個觀點，即物種閾值不應該是一個給定的數值，而應根據不同類群來對其進行合理劃定。綜上所述，在進行DNA條形碼研究時，應根據其研究的類群來分析其閾值，而非人為規定一個閾值用于界定所有的水生動物。

7 展望

DNA條形碼的問世，推動了物種快速鑒定的可行度。盡管DNA條形碼在新種的鑒定以及隱種的發現上有顯著優勢，但是如果否定物種自身的形態特征，以及生態環境改變而發生的局部變異等相關因素，完全依靠條形碼對物種進行鑒定和分類，仍然也會造成很多潛在的問題。此外，用于DNA條形碼的標記基因為線粒體基因COI，其具有母性遺傳的特點，如果某些類群中存在隱性基因（Nucler mitochondrial DNAS）[48]，就會導致分子鑒定中出現偏差，從而影響最終的鑒定結果?？傮w來說，只有將DNA條形碼技術與形態學研究結合起來，才能對水生動物達到快速、精確、高效、科學的鑒定。

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