stringtranslate.com

Штрих-кодирование ДНК пыльцы

Микроскопическое изображение пыльцы лигулярии

Штрих -кодирование ДНК пыльцы — это процесс идентификации видов растений -доноров пыльцы посредством амплификации и секвенирования специфических, консервативных участков ДНК растений . Возможность точно идентифицировать пыльцу имеет широкий спектр применений, хотя в прошлом это было сложно из-за ограничений микроскопической идентификации пыльцы. [1]

Идентификация пыльцы с помощью штрих-кодирования ДНК предполагает специфическое воздействие на области генов, которые встречаются у большинства видов растений, но имеют высокие различия между представителями разных видов. Уникальная последовательность пар оснований для каждого вида в этих целевых регионах может использоваться в качестве идентифицирующего признака.

Применения штрих-кодирования ДНК пыльцы варьируются от судебно-медицинской экспертизы до безопасности пищевых продуктов и консервации . Каждое из этих полей получает выгоду от создания справочных библиотек заводских штрих-кодов. [2] Эти библиотеки в значительной степени различаются по размеру и объему своих коллекций, а также по тому, в каком целевом регионе(ах) 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 образца смешанной ДНК, который обычно используется для каталогизации пыльцы в смешанных нагрузках пыльцы, обнаруженных у животных-опылителей, а также в ДНК окружающей среды (также называемой эДНК), которая представляет собой ДНК, извлеченную непосредственно из окружающей среды, например, у пробы почвы или воды. [3]

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. При наличии опыта все еще может быть чрезвычайно сложно точно идентифицировать пыльцу с высоким таксономическим разрешением . [1] Навыки, необходимые для штрих-кодирования ДНК, встречаются гораздо чаще [4] , что упрощает внедрение этого подхода. Штрих-кодирование ДНК пыльцы - это метод, популярность которого выросла из-за снижения затрат, связанных с методами «секвенирования следующего поколения» (NGS) [5], и эффективность которого постоянно повышается, в том числе за счет использования подхода двойного индексирования. [6] Некоторые из других важных преимуществ включают экономию времени и ресурсов по сравнению с микроскопической идентификацией. Идентификация пыльцы требует много времени. Она включает в себя распространение пыльцы на предметном стекле, окрашивание пыльцы для улучшения видимости, затем сосредоточение внимания на отдельных пыльцевых зернах и их идентификацию на основе размера, формы, а также формы и количества пор. [7] Если справочная библиотека пыльцы недоступна, то пыльцу необходимо собрать из диких образцов или из образцов гербария , а затем добавить в справочную библиотеку пыльцы.

Редкие растения, посещаемые некоторыми опылителями, бывает трудно определить, [8] с помощью штрих-кодирования ДНК пыльцы исследователи могут обнаружить «невидимые» взаимодействия между растениями и опылителями. [9]

Проблемы

Когда дело доходит до генетического штрих-кодирования пыльцы, возникает множество проблем. Процесс амплификации ДНК может означать, что могут быть обнаружены даже небольшие фрагменты растительной ДНК, включая те, что присутствуют в образце. Строгие процедуры предотвращения загрязнения важны, и этому может способствовать устойчивость пыльцевой оболочки, позволяющая отмывать пыльцу от загрязнений, не повреждая внутреннюю ДНК пыльцы.

Справочные библиотеки штрих-кодов ДНК все еще создаются, и постепенно внедряются стандартизированные целевые области. Эти проблемы, вероятно, связаны с новизной штрих-кодирования ДНК и, вероятно, будут решены с более широким внедрением штрих-кодирования ДНК в качестве инструмента, используемого систематиками.

Определить количество каждого участника смешанной пыльцы может быть сложно с помощью штрих-кодирования ДНК. Тем не менее, ученым удалось сравнить количество пыльцы в порядке ранжирования. [10]

Альтернативы

Инновации 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. [11]

Целевые регионы

Существует несколько различных участков растительной ДНК, которые использовались в качестве мишеней для генетического штрих-кодирования, включая rbcL, [2] matK, [12] trnH-psbA, [13] ITS1 [14] и ITS2. Комбинация rbcL и matK была рекомендована для использования при штрих-кодировании ДНК растений. Было обнаружено, что trnL лучше подходит для деградированной ДНК, а ITS1 лучше для дифференциации видов внутри рода. [15]

Приложения

Бабочка в поисках нектара 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 способствуют их опылению. [16] [17] Идентификация пыльцы, переносимой насекомыми, помогает ученым понять, какие растения и какие насекомые посещают. Насекомые также могут иметь гомологичные признаки, из-за которых их трудно идентифицировать, и иногда их идентифицируют с помощью генетического штрих-кодирования [18] (обычно по региону CO1 [19] [20] ). Каждое насекомое, посещающее цветок, не обязательно является опылителем. [21] Многим из них не хватает таких особенностей, как волосы, позволяющие переносить пыльцу, в то время как другие избегают пыльников, наполненных пыльцой, чтобы украсть нектар. Сети опыления становятся более точными, если учитывать, какая пыльца какими насекомыми переносится. Некоторые ученые утверждают, что эффективность опыления (PE), которая измеряется путем изучения скорости прорастания семян, полученных из цветов, посещенных одним животным только один раз, является лучшим способом определить, какие животные являются важными опылителями [22], хотя другие ученые использовали Штрих-кодирование ДНК для определения генетического происхождения пыльцы, обнаруженной у насекомых, и утверждают, что это в сочетании с другими признаками является хорошим показателем эффективности опыления. [23] 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 [24], что приводит к сокращению количества опылителей. [25]

Еще одним преимуществом штрих-кодирования ДНК пыльцы является то, что его можно использовать для определения источника пыльцы, обнаруженной на музейных образцах насекомых [26] , а затем эти записи о взаимодействиях насекомых и растений можно сравнить с современными взаимодействиями, чтобы увидеть, как работают сети опыления. со временем изменились [27] из-за глобального потепления, изменения землепользования и других факторов.

Криминалистика

Возможность точно идентифицировать пыльцу, обнаруженную на доказательствах, помогает судебным следователям определить, из каких регионов произошли доказательства, на основе растений, эндемичных для этих регионов. [28] Кроме того, ученые успешно обнаружили атмосферную пыльцу, происходящую от незаконных ферм по выращиванию каннабиса [29], что в будущем может позволить сотрудникам правоохранительных органов сузить области поиска незаконных ферм.

Древняя пыльца

Из-за устойчивой структуры пыльцы, которая эволюционировала, чтобы выживать при транспортировке иногда на большие расстояния, сохраняя при этом внутреннюю генетическую информацию нетронутой, происхождение пыльцы, смешанной 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. Что касается качества и безопасности пищевых продуктов, важно понимать, что растения обеспечивают потребляемые человеком продукты пчеловодства, включая мед, маточное молочко и гранулы пыльцы. Исследователи могут проверить, на каких растениях питались медоносные пчелы и, следовательно, происхождение нектара, используемого в меде, путем сбора пакетов пыльцы из корбикулярных клеток медоносных пчел и идентифицировать пыльцу с помощью метабаркодирования ДНК . [30]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Аб Белл, Карен Л.; де Вер, Наташа; Келлер, Александр; Ричардсон, Родни Т.; Гоус, Аннемари; Берджесс, Кевин С.; Брози, Берри Дж. (13 апреля 2016 г.). «Штрих-кодирование ДНК пыльцы: текущие применения и перспективы». Геном . 59 (9): 629–640. дои : 10.1139/gen-2015-0200 . hdl : 1807/72815 . ISSN  0831-2796. ПМИД  27322652.
  2. ^ Аб Белл, Карен Л.; Леффлер, Вирджиния М.; Брози, Берри Дж. (01 марта 2017 г.). «Справочная библиотека rbcL для помощи в идентификации смесей видов растений с помощью метабаркодирования ДНК». Приложения в науках о растениях . 5 (3): 1600110. doi :10.3732/apps.1600110. ПМЦ 5357121 . ПМИД  28337390. 
  3. ^ Кристеску, Мелания Э. (2014). «От штрих-кодирования отдельных людей к метабаркодированию биологических сообществ: к интегративному подходу к изучению глобального биоразнообразия». Тенденции в экологии и эволюции . 29 (10): 566–571. дои : 10.1016/j.tree.2014.08.001. ПМИД  25175416.
  4. ^ Адамович, Сара Дж.; Стейнке, Дирк (10 ноября 2015 г.). «Расширение глобального участия в генетических исследованиях посредством штрих-кодирования ДНК». Геном . 58 (12): 519–526. doi : 10.1139/gen-2015-0130. hdl : 1807/70679 . ISSN  0831-2796. ПМИД  26642251.
  5. ^ Пак, Сан Тэ; Ким, Джаён (ноябрь 2016 г.). «Тенденции в секвенировании следующего поколения и новая эра секвенирования всего генома». Международный журнал нейроурологии . 20 (Приложение 2): S76–83. дои : 10.5213/inj.1632742.371. ПМК 5169091 . ПМИД  27915479. 
  6. ^ Сикель, Вибке; Анкенбранд, Маркус Дж.; Гриммер, Гудрун; Хольцшу, Андреа; Хертель, Стефан; Ланцен, Джонатан; Стеффан-Девентер, Ингольф; Келлер, Александр (22 июля 2015 г.). «Повышенная эффективность идентификации смешанных образцов пыльцы с помощью мета-штрихкодирования с использованием подхода двойной индексации». БМК Экология . 15:20 . дои : 10.1186/s12898-015-0051-y . ISSN  1472-6785. ПМЦ 4509727 . ПМИД  26194794. 
  7. ^ Чжао, Янь-Хуэй; Рен, Цзун-Синь; Лазаро, Ампаро; Ван, Хун; Бернхардт, Питер; Ли, Хай-Донг; Ли, Дэ-Чжу (24 мая 2016 г.). «Цветочные особенности влияют на выбор переносчиков пыльцы в высокогорных сообществах в горах Гималаи-Хэндуань». БМК Экология . 16:26 . дои : 10.1186/s12898-016-0080-1 . ISSN  1472-6785. ПМЦ 4879733 . ПМИД  27221235. 
  8. ^ Уилсон, Эрин Э.; Сидху, К. Шина; ЛеВан, Кэтрин Э.; Холуэй, Дэвид А. (ноябрь 2010 г.). «Поведение одиночных гавайских пчел в поисках пыльцы, выявленное с помощью молекулярного анализа пыльцы». Молекулярная экология . 19 (21): 4823–4829. дои : 10.1111/j.1365-294X.2010.04849.x. ISSN  1365-294X. PMID  20958818. S2CID  1862758.
  9. ^ Порнон, Андре; Андало, Кристоф; Буррус, Моник; Эскаравадж, Натали (4 декабря 2017 г.). «Данные метабаркодирования ДНК раскрывают невидимые сети опыления». Научные отчеты . 7 (1): 16828. Бибкод : 2017NatSR...716828P. дои : 10.1038/s41598-017-16785-5. ISSN  2045-2322. ПМК 5715002 . ПМИД  29203872. 
  10. ^ Ричардсон, Родни Т.; Линь, Цзя-Хуа; Кихиа, Хуан О.; Риусеч, Наталья С.; Гуделл, Карен; Джонсон, Рид М. (30 октября 2015 г.). «Ранговая характеристика совокупностей пыльцы, собранных медоносными пчелами, с использованием подхода многолокусного метабаркодирования». Приложения в науках о растениях . 3 (11): 1500043. doi :10.3732/apps.1500043. ПМЦ 4651628 . ПМИД  26649264. 
  11. ^ Маркос, Дж. Виктор; Нава, Родриго; Кристобаль, Габриэль; Редондо, Рафаэль; Эскаланте-Рамирес, Борис; Буэно, Глория; Дениз, Оскар; Гонсалес-Порто, Амелия; Пардо, Кристина (2015). «Автоматическая идентификация пыльцы с использованием микроскопических изображений и анализа текстуры». Микрон . 68 : 36–46. doi :10.1016/j.micron.2014.09.002. hdl : 10261/102259 . PMID  25259684. S2CID  4520313.
  12. ^ Холлингсворт, Питер М.; Форрест, Лаура Л.; Спудж, Джон Л.; Хаджибабаи, Мехрдад; Ратнасингем, Судживан; ван дер Банк, Мишель; Чейз, Марк В.; Коуэн, Робин С.; Эриксон, Дэвид Л. (4 августа 2009 г.). «Штрих-код ДНК для наземных растений». Труды Национальной академии наук . 106 (31): 12794–12797. дои : 10.1073/pnas.0905845106 . ПМЦ 2722355 . ПМИД  19666622. 
  13. ^ Пан, Сяохуэй; Лю, Чанг; Ши, Линчунь; Лю, Руй; Лян, Донг; Ли, Хуан; Черный, Стейси С.; Чен, Шилин (14 ноября 2012 г.). «Полезность межгенной спейсерной области trnH-psbA и ее комбинаций в качестве штрих-кодов ДНК растений: метаанализ». ПЛОС ОДИН . 7 (11): е48833. Бибкод : 2012PLoSO...748833P. дои : 10.1371/journal.pone.0048833 . ISSN  1932-6203. ПМЦ 3498263 . ПМИД  23155412. 
  14. ^ Ван, Синь-Цунь; Лю, Чанг; Хуан, Лян; Бенгтссон-Пальме, Йохан; Чен, Хаймэй; Чжан, Цзянь-Хуэй; Цай, Дайонг; Ли, Цзянь-Цинь (май 2015 г.). «ITS1: штрих-код ДНК лучше, чем ITS2 у эукариот?». Ресурсы молекулярной экологии . 15 (3): 573–586. дои : 10.1111/1755-0998.12325. ISSN  1755-0998. PMID  25187125. S2CID  41941842.
  15. ^ Порнон, Андре; Эскаравадж, Натали; Буррус, Моник; Голота, Элен; Химун, Орели; Мариетт, Жером; Пелиццари, Шарлен; Ирибар, Амайя; Этьен, Розелин (2016). «Использование метабаркодирования для выявления и количественной оценки взаимодействия растений и опылителей». Научные отчеты . 6 (1): 27282. Бибкод : 2016NatSR...627282P. дои : 10.1038/srep27282. ISSN  2045-2322. ПМЦ 4891682 . ПМИД  27255732. 
  16. ^ Белл, Карен Л.; Фаулер, Джули; Берджесс, Кевин С.; Доббс, Эмили К.; Грюневальд, Дэвид; Лоули, Брайс; Морозуми, Коннор; Брози, Берри Дж. (01 июня 2017 г.). «Применение метабаркодирования ДНК пыльцы для изучения взаимодействий растений и опылителей». Приложения в науках о растениях . 5 (6): 1600124. doi :10.3732/apps.1600124. ПМЦ 5499302 . ПМИД  28690929. 
  17. ^ Галлио, Жан-Ноэль; Брюнель, Доминик; Берар, Орели; Шово, Орели; Бланшетет, Андре; Ланор, Лоран; Фарруджа, Энн (01 декабря 2017 г.). «Исследование сети собирателей цветов и насекомых в сообществе горных лугов с использованием штрих-кодирования ДНК пыльцы». Журнал охраны насекомых . 21 (5–6): 827–837. doi : 10.1007/s10841-017-0022-z. ISSN  1366-638X. S2CID  21815003.
  18. ^ Тан, Мин; Хардман, Хлоя Дж.; Цзи, Иньцю; Мэн, Гуаньлян; Лю, Шанлинь; Тан, Мэйхуа; Ян, Шэньчжоу; Мосс, Эллен Д.; Ван, Цзясинь (01 сентября 2015 г.). «Высокопроизводительный мониторинг разнообразия и численности диких пчел с помощью митогеномики». Методы экологии и эволюции . 6 (9): 1034–1043. дои : 10.1111/2041-210x.12416. ISSN  2041-210Х. ПМЦ 5111398 . ПМИД  27867467. 
  19. ^ Хеберт, Пол Д.Н.; Цивинская, Алина; Болл, Шелли Л.; деВаард, Джереми Р. (7 февраля 2003 г.). «Биологическая идентификация посредством штрих-кодов ДНК». Труды Лондонского королевского общества B: Биологические науки . 270 (1512): 313–321. дои :10.1098/rspb.2002.2218. ISSN  0962-8452. ПМЦ 1691236 . ПМИД  12614582. 
  20. ^ Рэйч, Джессика; Бергманн, Тьярд; Пакния, Омид; ДеСалле, Роб; Шируотер, Бернд; Хадрис, Хайке (13 апреля 2017 г.). «Выбор маркера: неожиданная разрешающая способность неисследованной области CO1 для подходов к многослойному штрих-кодированию ДНК». ПЛОС ОДИН . 12 (4): e0174842. Бибкод : 2017PLoSO..1274842R. дои : 10.1371/journal.pone.0174842 . ISSN  1932-6203. ПМК 5390999 . ПМИД  28406914. 
  21. ^ Баллантайн, Г.; Бэлдок, Кэтрин CR; Уиллмер, разыгрывающий (07 сентября 2015 г.). «Построение более информативных сетей растения-опылители: сети посещений и отложения пыльцы в сообществе пустошей». Учеб. Р. Сок. Б.​ 282 (1814): 20151130. doi :10.1098/rspb.2015.1130. ISSN  0962-8452. ПМЦ 4571695 . ПМИД  26336181. 
  22. ^ Кинг, Кэролайн; Баллантайн, Гэвин; Уиллмер, Пэт Г. (1 сентября 2013 г.). «Почему посещение цветов является плохим показателем опыления: измерение отложения пыльцы за одно посещение с последствиями для сетей опыления и сохранения» (PDF) . Методы экологии и эволюции . 4 (9): 811–818. дои : 10.1111/2041-210x.12074 . hdl : 10023/5299. ISSN  2041-210Х.
  23. ^ Мацуки, Ю; Татено, Рюносукэ; Сибата, Мицуэ; Исаги, Юджи (1 августа 2008 г.). «Эффективность опыления насекомых, посещающих цветы, определенная прямым генетическим анализом происхождения пыльцы». Американский журнал ботаники . 95 (8): 925–930. дои : 10.3732/ajb.0800036. ISSN  0002-9122. ПМИД  21632415.
  24. ^ Вайнер, Кристиана Натали; Вернер, Майкл; Линсенмайр, Карл Эдуард; Блютген, Нико (01 февраля 2014 г.). «Воздействие землепользования на сети растение-опылители: сила взаимодействия и специализация предсказывают сокращение численности опылителей». Экология . 95 (2): 466–474. дои : 10.1890/13-0436.1. ISSN  1939-9170. ПМИД  24669739.
  25. ^ Вамози, Яна С.; Гонг, Ян-Бин; Адамович, Сара Дж.; Пакер, Лоуренс (апрель 2017 г.). «Прогнозирование снижения опыления с помощью штрих-кодирования ДНК: потенциальный вклад макроэкологических и макроэволюционных масштабов исследования». Новый фитолог . 214 (1): 11–18. дои : 10.1111/nph.14356 . ISSN  1469-8137. ПМИД  27901268.
  26. ^ Шепер, Йерун; Ример, Менно; ван Катс, Рууд; Озинга, Вим А.; ван дер Линден, Гил Т.Дж.; Шамине, Йооп Х.Дж.; Сипель, Хенк; Клейн, Дэвид (9 декабря 2014 г.). «Музейные образцы показывают, что потеря растений-хозяев пыльцы является ключевым фактором, способствующим сокращению численности диких пчел в Нидерландах». Труды Национальной академии наук . 111 (49): 17552–17557. Бибкод : 2014PNAS..11117552S. дои : 10.1073/pnas.1412973111 . ПМЦ 4267333 . ПМИД  25422416. 
  27. ^ Беркл, Лаура А.; Марлин, Джон К.; Найт, Тиффани М. (29 марта 2013 г.). «Взаимодействие растений и опылителей за 120 лет: потеря видов, совместное возникновение и функции». Наука . 339 (6127): 1611–1615. Бибкод : 2013Sci...339.1611B. дои : 10.1126/science.1232728 . ISSN  0036-8075. PMID  23449999. S2CID  14660808.
  28. ^ Миллер Койл, Х.; Лэдд, К.; Пальмбах, Т.; Ли, ХК (июнь 2001 г.). «Зеленая революция: ботанический вклад в судебно-медицинскую экспертизу и борьбу с наркотиками». Хорватский медицинский журнал . 42 (3): 340–345. ISSN  0353-9504. ПМИД  11387649.
  29. ^ Абулаич, Надя; Триго, М. Мар; Бузиан, Хасан; Кабезудо, Бальтасар; Ресио, Марта; Кадири, Мохамед Эль; Атер, Мохаммед (2013). «Вариации и происхождение атмосферной пыльцы каннабиса, обнаруженной в провинции Тетуан (северо-запад Марокко): 2008–2010 гг.». Наука об общей окружающей среде . 443 : 413–419. Бибкод : 2013ScTEn.443..413A. doi : 10.1016/j.scitotenv.2012.10.075. ПМИД  23208276.
  30. ^ Галимберти, Андреа; Маттиа, Фабрицио Де; Бруни, Илария; Скаккабароцци, Даниэла; Сандиониги, Анна; Барбуто, Микела; Казираги, Маурицио; Лабра, Массимо (08 октября 2014 г.). «Подход к штрих-кодированию ДНК для характеристики пыльцы, собранной медоносными пчелами». ПЛОС ОДИН . 9 (10): e109363. Бибкод : 2014PLoSO...9j9363G. дои : 10.1371/journal.pone.0109363 . ISSN  1932-6203. ПМК 4190116 . ПМИД  25296114.