价值1.8亿美元的DNA“条形码”项目旨在发现200万种新物种

价值1.8亿美元的DNA“条形码”项目旨在发现200万种新物种

在婆罗洲2018年寻找新物种的探险中,意大利维罗纳大学的进化生物学家Marta Paterno为便携式DNA测序仪(笔记本电脑右侧中心)准备样品。

PIERRE ESCOUBAS / TAXON EXPEDITIONS 2018
价值1.8亿美元的DNA“条形码”项目旨在发现200万种新物种

几个世纪以来,生物学家以极其缓慢的速度发现了新物种,描述了标本的物理特征和其他特征,并且在命名和发布之前经常试图将物种融入生命之树。 现在,他们已经开始确定一个标本是否可能在几个小时内成为新物种 - 并且很快就会以便士为代价。 这是一个由短链DNA配成的条形码驱动的革命,它与熟悉的产品标识符相符,它们的变化足以提供物种区分标记,并结合快速,廉价的DNA测序仪。

“生物多样性科学正在进入一个非常黄金时代,”加拿大圭尔夫大学的保罗赫伯特说。 6月16日,他领导的一个团队将启动1.8亿美元的全球努力,以确定超过200万种新的多细胞生物。 其他团队也采用这种方法在实验室中甚至直接在田间为新物种梳理样品。 随着世界失去物种的速度超过它们被发现的速度,生物学家们对这项技术表示欢迎。

意大利维罗纳大学的基因组学家Massimo Delledonne最近在森林里进行了条形码研究,他说:“多年来,我一直梦想通过将样本带到便携式基因组实验室来改变规则。”婆罗洲岛迅速揭示了一种新的蜗牛。 “现场条形码现已准备好迎接黄金时段。”

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,但到目前为止,只有180万种植物获得了正式的描述。 特别是昆虫是未被发现的物种的广阔领域。 “但总的来说,它们可能比陆地脊椎动物的总和更多地生成生物量,”来自新加坡国立大学的生物学家Rudolf Meier表示,他一直在用小型DNA测序仪开发条形码方法。

2003年,赫伯特提出了DNA条形码概念:可以通过测序样本中少于1000个碱基的线粒体DNA来区分动物物种。 这个想法需要一段时间才能流行起来,但赫伯特和其他爱好者开始编制已知物种的条形码。 例如,在2010年,他带领了一个名为国际生命条形码(iBOL)的财团,这是一项以圭尔夫为中心的8000万美元的努力,开始建立一个已知物种的参考库及其识别序列。 它现在高达730万个条码 - 每个物种可以有不止一个 - 并且已被证明不仅是用于识别已知生物的资源,而且还用于记录它们与其他物种的相互作用 - 包括谁根据不同的条形码吃谁一个特定的样本。

价值1.8亿美元的DNA“条形码”项目旨在发现200万种新物种

采集到马达加斯加的小型DNA测序仪鉴定了森林中的小鼠狐猴物种。

LYDIA GREENE

现在,通过其30个国际合作伙伴的资金和实物服务的额外支持,iBOL即将开始为期7年的后续工作。 它被称为BIOSCAN,它将在世界各地的2500个地点收集标本和研究物种相互作用,旨在扩大其参考库的1500万个条形码记录,其中90%来自未被描述的物种。 赫伯特说,这些数据将为监测污染,土地利用变化和全球变暖对生物多样性的影响奠定基础。 最终,“我们将能够跟踪天气跟踪地球上的生活。”

而且,与iBOL之前专注于为已知物种获取条形码的观点不同,“物种发现的主要目标之一,”赫伯特说。 如果软件无法将样本的条形码序列与现有物种相匹配,它将立即标记样本以进行更密切的遗传和视觉审查,并可能作为新物种进行识别。 在过去,可能需要数年甚至数十年才能确认某些生物是新物种 - 例如,某些果蝇中的物种仅在雄性生殖器的形状上明显不同。

定制的生物信息学和测序仪可以一次性读取足够的碱基以获得完整的条形码,这将保持低成本,Hebert预测 - 每个样本约1美元,包括收集,保存,DNA提取,测序和后续分析。 他预计总成本的测序部分最终将降至每个样本约0.02美元。

目前,为BIOSCAN的条形码收集的所有标本将被运往圭尔夫大学。 但Meier一直在开发一种条形码方法,他希望许多实验室能够进行物种调查。 他对2012年更有效的物种识别方法感兴趣,当时新加坡官员要求他研究从两个当地水库中出现的小苍蝇。 他回忆说,“这是一场噩梦”,可以确定负责的物种。 结果,他也变成了条形码。

现在,他正在编制所有新加坡的生物多样性,特别是其“沉默的大多数”,因为他称之为小昆虫。 对于这项工作,Meier说:“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,他已经转向最近开发的名为MinION的音序器,其大小与手机相当,成本不到1000美元。 设计用于通过如何在通过纳米孔时改变电流来识别DNA的四个碱基,它在一段中对数千个碱基进行测序,对于条形码来说已经足够了。

Meier的团队与新加坡的本科生和志愿者一起收集和排序标本,已经生产了20万只昆虫条形码。 去年,他和他的同事报告说,这些物种代表了10,000种,其中超过70%的物种是科学新手。 Meier设想许多国家建立这种基于实验室的努力,以独立编目其生物多样性。

他的小组最近通过对昆虫学家在乌干达基巴莱国家公园的一个网陷中捕获的昆虫的研究证明了这种方法的强大功能。 梅尔和他的同事们专注于一个非常大的,多样化的苍蝇群,称为Phoridae,很难在视觉上区分。 该团队在4月30日的bioRxiv预印本中报道说,只有三分之一的陷阱昆虫吞噬 - 大约8700只产生了650种Phoridae物种。 这不仅仅是热带非洲的所有已知的Phoridae。 来自斯德哥尔摩大学的飞行鉴定专家Emily Hartop证实,条形码在90%的时间内正确分离了物种,Meier的研究小组报告说。

数据显示“那里有许多我们没有命名和不知道的多样性,”华盛顿史密森学会国家自然历史博物馆的植物学家John Kress说。

Delledonne和他的同事一直在研究Meier在新加坡实验室所做的远程现场工作。 他们也使用Minion音序器,它通常由笔记本电脑运行。 笔记本电脑通常需要互联网连接,但是测序仪的制造商Oxford Nanopore Technologies使系统能够在没有这种访问权限的远程位置工作。 条形码所需的一切都适合随身携带的行李箱。

在2018年的婆罗洲探险队中,该团队与公民科学家一起编织了十几只动物,其中包括一只名为Microparmarion exquadratus的新蜗牛,并于去年在“软体动物研究杂志”中进行了描述。 在5月6日的bioRxiv预印本中,该小组详细介绍了他们的协议,因此其他人可以跟随他们的脚步。 Delledonne建议,任何接受过几天训练的人现在可以在现场设置条形码,价格低于7000美元。 “我们看到智能手机如何改变了我们的生活。我们已经证明,测序可能会遵循相同的趋势。”

事实上,来自北卡罗来纳州达勒姆的杜克大学的一个团队刚刚在马达加斯加干燥森林中报告了一项与Minions相似的实地研究,获得了识别鼠狐猴的条形码。 几十年前,只知道这些秘密的夜间灵长类动物中的少数物种。 现在计数达到24,但寻找新物种仍然很慢。 “它有时可能需要数年时间,”杜克大学的灵长类学家Marina Blanco说。 在5月26日的bioRxiv预印本中,她,Duke生态学家Lydia Greene及其同事描述了使用基于Minions的条形码系统从活体捕获的狐猴中取出DNA样本,对其进行条形码编码,并在现场决定它是否是新物种。

Delled的说,公爵的工作是“移动基因组实验室对生态和进化研究的影响的一个很好的例子。”

对Meier而言,此类实地研究以及他自己的实验室工作对于条形码的民主化来说是个好兆头:“这一切都指向分散的生物多样性科学的光明未来,产生了快速的结果。” 但是Kress认为像BIOSCAN这样的工业规模的努力也很重要,如果有希望对地球上的所有物种进行编目。 “它必须是两种并行的方法,”他说。 “如果我们在个别实验室中这样做,我们永远不会完成它。”

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