Штрих-кодирование пыльцевой ДНК - Pollen DNA barcoding

Микроскопическое изображение пыльцы Ligularia

Штрих- кодирование пыльцевой ДНК - это процесс идентификации видов растений- доноров пыльцы путем амплификации и секвенирования конкретных консервативных участков ДНК растений . Возможность точной идентификации пыльцы имеет широкий спектр применения, хотя в прошлом это было сложно из-за ограничений микроскопической идентификации пыльцы.

Пыльца, идентифицированная с использованием штрих-кодирования ДНК, включает в себя специфическое нацеливание на участки генов, которые встречаются у большинства растений, ко всем видам растений, но которые сильно варьируются между представителями разных видов. Уникальная последовательность пар оснований для каждого вида в этих целевых областях может использоваться в качестве идентифицирующего признака.

Применение штрих-кодирования пыльцевой ДНК варьируется от криминалистики до безопасности пищевых продуктов и консервации . Каждое из этих полей выигрывает от создания справочных библиотек штрих-кодов растений. Эти библиотеки в значительной степени различаются по размеру и объему своих коллекций, а также по целевым регионам, в которых они специализируются.

Одна из основных проблем идентификации пыльцы заключается в том, что ее часто собирают как смесь пыльцы нескольких видов. Метабаркодирование - это процесс идентификации ДНК отдельных видов из смешанного образца ДНК и обычно используется для каталогизации пыльцы в смешанных количествах пыльцы, обнаруженных у опыляющих животных, и в ДНК окружающей среды (также называемой eDNA), которая представляет собой ДНК, извлеченную прямо из окружающей среды, например, в образцы почвы или воды.

Преимущества

Некоторыми из основных ограничений микроскопической идентификации являются требования к опыту и времени. Идентификация пыльцы с помощью микроскопии требует высокого уровня знаний о характеристиках пыльцы конкретных изучаемых растений. Имея опыт, все еще может быть чрезвычайно сложно точно идентифицировать пыльцу с высоким таксономическим разрешением . Навыки, необходимые для выполнения штрих-кодирования ДНК, встречаются гораздо чаще, что упрощает внедрение этого подхода. Штриховое кодирование пыльцевой ДНК - это метод, популярность которого возросла из-за снижения затрат, связанных с методами «секвенирования следующего поколения» (NGS), и его эффективность постоянно улучшается, в том числе за счет использования подхода двойной индексации. Некоторые из других основных преимуществ включают экономию времени и ресурсов по сравнению с микроскопической идентификацией. Идентификация пыльцы занимает много времени, включая распространение пыльцы на предметном стекле, окрашивание пыльцы для улучшения видимости, затем сосредоточение внимания на отдельных зернах пыльцы и их идентификацию на основе размера, формы, а также формы и количества пор. Если справочная библиотека пыльцы недоступна, то пыльца должна быть собрана из диких образцов или из гербарных образцов, а затем добавлена ​​в справочную библиотеку пыльцы.

Редкие растения, которые посещают некоторые опылители, бывает трудно определить, поскольку с помощью штрих-кодирования ДНК пыльцы исследователи могут обнаружить «невидимые» взаимодействия между растениями и опылителями.

Вызовы

Когда дело доходит до генетического штрих-кодирования пыльцы, возникает множество проблем. Процесс амплификации ДНК может означать, что могут быть обнаружены даже небольшие фрагменты ДНК растений, в том числе от примесей до образца. Важны строгие процедуры по предотвращению загрязнения, которым может способствовать устойчивость пыльцевого покрытия, позволяющая вымыть пыльцу от загрязняющих веществ, не повреждая внутреннюю ДНК пыльцы.

Референсные библиотеки штрих-кодов ДНК все еще создаются, и постепенно принимаются стандартизированные целевые области. Эти проблемы, вероятно, связаны с новизной штрих-кодирования ДНК и, вероятно, улучшатся с более широким применением штрих-кодирования ДНК в качестве инструмента, используемого систематиками.

Определение количества каждого участника в смешанной нагрузке пыльцы может быть трудным для определения с помощью штрих-кодирования ДНК. Тем не менее, ученые смогли сравнить количество пыльцы в порядке ранжирования.

Альтернативы

Нововведения в области автоматизированной микроскопии и программного обеспечения для визуализации предлагают одну потенциальную альтернативу идентификации пыльцы. Используя программное обеспечение для распознавания образов, исследователи разработали программное обеспечение, которое может характеризовать микроскопические изображения пыльцы на основе анализа текстуры.

Целевые регионы

Было несколько различных участков ДНК растений, которые использовались в качестве мишеней для генетического штрих-кодирования, включая rbcL, matK, trnH-psbA, ITS1 и ITS2. Комбинация rbcL и matK рекомендована для использования в штрих-кодировании ДНК растений. Было обнаружено, что trnL лучше для деградированной ДНК, а ITS1 лучше для дифференциации видов внутри рода.

Приложения

Бабочки собирают нектар из цветка в китайских Гималаях

Использование в сетях опыления

Возможность идентифицировать пыльцу особенно важна при изучении сетей опыления, которые состоят из всех взаимодействий между растениями и животными, которые облегчают их опыление. Определение пыльцы, переносимой насекомыми, помогает ученым понять, какие растения посещают какие насекомые. Насекомые также могут иметь гомологические признаки, затрудняющие их идентификацию, и сами иногда идентифицируются с помощью генетического штрих-кодирования (обычно области CO1). Не каждое насекомое, которое посещает цветок, является опылителем. У многих отсутствуют такие особенности, как волосы, позволяющие переносить пыльцу, в то время как другие избегают пыльников, содержащих пыльцу, чтобы украсть нектар. Сети опыления становятся более точными за счет включения пыльцы, которую разносят какие насекомые. Некоторые ученые утверждают, что эффективность опыления (ПЭ), которая измеряется путем изучения скорости прорастания семян, полученных из цветов, которые посещало одно животное только один раз, является лучшим способом определить, какие животные являются важными опылителями, хотя другие ученые использовали для этого штрих-кодирование ДНК. определяют генетическое происхождение пыльцы насекомых и утверждают, что это в сочетании с другими признаками является хорошим показателем эффективности опыления. Изучая состав и структуру сетей опыления, защитники природы могут понять стабильность сети опыления и определить, какие виды являются наиболее важными, а какие подвергаются наибольшему риску возмущений, ведущих к сокращению количества опылителей.

Еще одним преимуществом штрих-кодирования пыльцевой ДНК является то, что его можно использовать для определения источника пыльцы, обнаруженной на музейных образцах насекомых, и эти записи взаимодействий насекомых и растений можно затем сравнить с современными взаимодействиями, чтобы увидеть, как изменились сети опыления. время из-за глобального потепления, изменения землепользования и других факторов.

Криминалистика

Возможность точно идентифицировать пыльцу, обнаруженную на доказательствах, помогает судебным следователям определять, из каких регионов были получены доказательства, на основе растений, эндемичных для этих регионов. В дополнение к этому, атмосферная пыльца, происходящая с незаконных ферм каннабиса, была успешно обнаружена учеными, что в будущем может позволить сотрудникам правоохранительных органов сузить районы поиска незаконных ферм.

Древняя пыльца

Из-за устойчивой структуры пыльцы, которая эволюционировала, чтобы выжить, иногда переносясь на большие расстояния, сохраняя при этом внутреннюю генетическую информацию нетронутой, происхождение пыльцы, обнаруженной в смеси с древними субстратами, часто можно определить с помощью штрих-кодирования ДНК.

Безопасности пищевых продуктов

Медоносные пчелы переносят пыльцу, а также нектар, используемый при производстве меда. С точки зрения качества и безопасности пищевых продуктов важно понимать, что пчелиные продукты, потребляемые людьми, в том числе мед, маточное молочко и гранулы пыльцы, содержат растения. Исследователи могут проверить , какие растения пчел кормились и , следовательно , на происхождение нектара , используемом в меде путем сбора пакетов из пыльцы медоносных пчел corbicular нагрузок и определить с помощью пыльцы metabarcoding ДНК .

Смотрите также

использованная литература