全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2010, 45 (1): 1–12, www.chinbullbotany.com
doi: 10.3969/j.issn.1674-3466.2010.01.001

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收稿日期: 2010-01-12; 接受日期: 2010-01-19
基金项目: 中国科学院知识创新工程重要方向性项目(No.KSCX2-YW-R-136)、中国科学院依托国家大科学装置-种质资源库的植物 DNA 条形
码研究项目(No.2009-LSF-GBOWS-01)和科技部 973项目“中国-喜马拉雅地区生物多样性演变和保护研究”(No.2007CB411600)
* 通讯作者。E-mail: zhiduan@ibcas.ac.cn
植物DNA条形码技术
任保青, 陈之端*
中国科学院植物研究所系统与进化植物学国家重点实验室, 北京 100093
摘要 DNA条形码技术是利用标准的、具有足够变异的、易扩增且相对较短的DNA片段在物种内的特异性和种间的多样性
而创建的一种新的生物身份识别系统, 从而实现对物种的快速自动鉴定。尽管这一技术在理论上和具体应用上仍存在很多
争论, 但DNA条形码概念自2003年由加拿大分类学家Paul Hebert首次提出后就在世界范围内受到了广泛关注。在植物类群
中条形码的研究和应用尚处于探索阶段, 稍落后于对动物类群的研究, 这主要表现在: (1) DNA条形码的选择及其评价仍没
有统一的标准; (2) 对类群较全面的形态分类学修订和植物DNA条形码研究的结合十分缺乏; (3) 以往研究在取样上尺度较
大, 而对具体类群的研究较少, 一个科或一个属只用有限的种类作为代表, 同一种内的取样个体数量也不足, 这样虽然表
面上看来利用选定的DNA条形码可以较容易地把代表物种区分开, 但实际上目前建议的植物DNA条形码(例如由生命条形
码咨询委员会植物工作组最近提出的rbcL和matK)由于其分子进化速率较慢, 在种级水平上, 特别是对于那些经历了适应
辐射或快速进化的属来说, 分辨率较低。而DNA条形码的应用主要集中在属内物种水平的鉴别, 因此只有针对具体类群进
行探索研究, 发现进化速率较快、分辨率高且通用性好的条形码, 才可能为建立完整的条形码数据库起到积极有效的作用。
关键词 ITS, matK, 形态分类学, 植物DNA条形码, rbcL, trnH-psbA
任保青, 陈之端 (2010). 植物DNA条形码技术. 植物学报 45, 1–12.
分类学的主要任务包括描述和鉴定物种, 提供简
洁、方便的信息检索系统 (Davis and Heywood,
1963)。自双名法确立以来的250多年里, 人类共鉴定
和描述了约170万种生物(Hawksworth, 1995), 但这
仅仅占到分类学家预计物种数量的15%(Gregory,
2005)。以往的分类学研究方法主要侧重于比较形态
学方面, 研究较为深入的大类群仅包括脊椎动物、昆
虫及高等植物, 而对微小生物(体长不足1–10 mm的
类群, 如细菌、线虫和螨虫等)的研究较少。因此, 对
地球上如此众多的物种进行分类和鉴定仍然是一项
长期而艰巨的任务 (Blaxter, 2003; Tautz et al.,
2003)。
最近30年, 分子系统学发展迅速, 利用DNA数据
探讨植物的系统发育已经成为研究者普遍接受和采
用的手段。其间, 虽然也有不少学者试图将分子生物
学和生物信息学技术应用到分类学领域, 并产生了分
子分类学和DNA分类学 (DNA taxonomy)等概念
(Tautz et al., 2002, 2003)。然而直到几年前, Hebert
等(2003)将分子方法拓展到整个生物分类应用当中,
才首次正式提出了DNA条形码的概念。一些学者认为
DNA条形码未来会将传统分类学取而代之(Wheeler,
2004; Ebach and Holdrege, 2005), 但多数学者认为
它将会弥补传统分类学方法的不足(Godfray, 2002;
Mallet and Willmott, 2003; Hebert and Gregory,
2005; Schindel and Miller, 2005), 是对日渐萎缩的
传统形态分类学强有力的补充, 其实质是作为一种新
的性状来构建分类系统, 实现序列本身变异信息与现
有形态分类学的结合(DeSalle et al., 2005; Kristian-
sen et al., 2005; Will et al., 2005; Haase et al.,
2007; Hajibabaei et al., 2007; Vogler and Mona-
ghan, 2007), 加快对全球生物物种进行分类和鉴定
的步伐(Smith et al., 2005)。其能够在分类学修订、
新种和隐存种的发现以及资源利用等生物多样性研
究方面提供新的思路和研究工具 (Dayrat, 2005;
Fitzhugh, 2006; Agnarsson and Kuntner, 2007), 同
时将分类学结果应用于生态学调查、濒危物种监测和
·特邀综述·
2 植物学报 45(1) 2010
保护、中草药资源鉴定、法医鉴定、药物和食品市场
监督等诸多领域(Newmaster et al., 2006; Taberlet
et al., 2007; 陈士林等, 2007; Valentini et al., 2009;
Chen et al., 2010)。
1 DNA条形码的概念
DNA条形编码(肖金花等, 2004)或称DNA条形码技术
(DNA barcoding)是利用标准的、有足够变异的、易
扩增且相对较短的DNA片段(DNA barcode)自身在物
种种内的特异性和种间的多样性而创建的一种新的
生物身份识别系统, 它可以对物种进行快速的自动鉴
定(Hebert et al., 2003)。自DNA barcoding的概念提
出以来, 围绕着条形码的开发和应用, 首先提出了
DNA条形码的选择标准: (1) 尽量短的片段, 两端连
接相对保守的区域, 利用通用引物容易扩增; (2) 要
有足够的变异可将物种区分开来。在此标准下, 编码
细胞色素C氧化酶I的线粒体基因COI(或cox1)以较大
的优势首先被动物学家选用作DNA条形码, 并在一
些昆虫、鱼类和鸟类的研究中得到了较好的结果
(Hebert et al., 2004b; Smith et al., 2005; Hajibabaei
et al., 2006; Yoo et al., 2006)。其次, 一部分学者认
为对分类群开展全面细致的形态分类学研究是正确
取样的前提 (Meyer and Paulay, 2005; DeSalle,
2006), 涵盖物种的整个分布区, 并在居群水平上准
确和较密集取样可以弥补数据分析方法上的不足。最
后, 在条形码数据库的展现形式和验证手段方面主要
提出了以下方法: (1) 基于遗传分化距离的建树法,
其依据是种内差异最大值小于种间差异最小值(Matz
and Nielsen, 2005; Nielsen and Matz, 2006); (2)
Blast分析的相似法(Meier et al., 2006), 其难点在阈
值的选择和不同类群异质化进化速率上; (3) 基于
DNA序列本身特征的方法, 如DNA bar等(DasGupta
et al., 2005; DeSalle et al., 2005; Kelly et al., 2007;
Little and Stevenson, 2007; Lou and Golding, 2007;
Rach et al., 2008)。
2 国内外研究现状
利用DNA条形码技术有望实现对物种的快速自动鉴
定, 从而克服传统分类学研究方法的诸多缺陷, 例
如: (1) 对各种形态特征齐全的标本的依赖, 对于被
子植物来说, 根据缺少花果的标本, 是很难正确鉴定
到种的; (2) 对分类学专家的依赖, 分类学专家往往
需要经过多年的培养才能擅长于某一门类, 而当前人
类对生物资源利用的范围和强度均日益加大, 相比之
下传统分类学专家队伍却急剧缩减。因此, DNA条形
码概念在2003年一经提出, 就得到了科技界和社会
的积极响应。 2004年 , Sloan基金会在华盛顿
Smithsonian国家自然历史博物馆成立了生命条形码
联盟(consortium for the barcode of life, CBOL), 致
力于发展鉴定生物物种的全球标准。2005年2月, 由
CBOL和英国自然历史博物馆主办的生命条形码协会
第一次国际会议在伦敦召开, 讨论决定为1 000万物
种建立条形编码库。2007年9月在台北召开的第二次
及2009年11月在墨西哥召开的第三次国际DNA条形
码会议上, 都对理想条形码的选择给予了高度重视,
对在全球推进DNA条形码研究计划起到了重要作用。
事实上, 早在Paul Hebert提出DNA条形码概念
之前, 人们已经开始利用DNA片段研究细菌和古细
菌的分类与系统发育。目前在动物中, 利用线粒体基
因片段COI为标记, 在一些类群中已部分实现了条形
码鉴定, 如蝴蝶(Hebert et al., 2004a; Hajibabaei et
al., 2006; Elias et al., 2007)、鸟类(Hebert et al.,
2004b; Yoo et al., 2006; Kerr et al., 2007; Tavares
and Baker, 2008) 和 鱼 类 (Ward et al., 2005;
Savolainen et al., 2005)。COI在真菌和藻类中的分辨
率较高, 亦可使用, 但对于陆地植物因其线粒体基因
的进化速率相对较慢, 而不适合。因此, 在对植物的
研究中, 不少学者尝试从叶绿体基因组和核基因组中
寻找理想的DNA条形码(Cho et al., 2004; Chase et
al., 2005)。
Kress等 (2005)利用 9个叶绿体基因间隔区
(trnK-rps16、trnH-psbA、rp136-rps8、atpB-rbcL、
ycf6-psbM、 trnv-atpE、 trnC-ycf6、 psbM-trnD和
trnL-F)和植物系统发育重建研究中常用的rbcL, 以及
核糖体DNA片段ITS, 对整个被子植物类群进行了取
样和研究, 认为单独使用rbcL, 会因为变异程度低而
难以满足要求, 提出ITS和trnH-psbA是较好的选择,
建议通过采用多基因片段的组合来实现对植物类群
的条形码鉴定。Newmaster等(2006)在对陆生植物进
行广泛取样研究的基础上, 肯定了rbcL在较高分类阶
元(科属及以上水平)上的应用潜力, 并提出多基因阶
层条形码概念。Presting(2006)对叶绿体基因组保守
变异区域进行了全面详细的分析, 为从叶绿体基因组
任保青等: 植物 DNA条形码技术 3
中选择理想的DNA条形码提供了很有价值的参考数
据和建议: (1) UPA(universal plastid amplicon, the
portion of 23S rDNA)非常适合于藻类的研究, 但同
时也可作为陆地植物的组合条形码之一; (2) trnD-
trnY比先前提出的trnH-psbA的分辨率更高, 但可惜
的是, 由于trnD-trnY目前在基因数据库中的记录还
不多, 尚未像trnH-psbA那样引起足够的重视。Kress
和Erickson(2007)对陆地植物中大尺度取样后, 明确
提出可以利用rbcL和trnH-psbA组合作为整个陆地植
物的条形码。之后, Chase等(2007)又提出了使用2个
条形码组合(即rpoC1、rpoB和matK; rpoC1、matK和
trnH-psbA)的建议, 并强调了matK在高等植物研究
中的重要性。Lahaye等(2008a)在主要对兰科植物进
行大规模取样的研究中使用了8个叶绿体DNA片段,
最后通过比较也建议matK可作为有花植物通用的条
形码。在台北举行的第二次DNA条形码国际学术会议
上, atpF-atpH得到了与会者的重视, 被建议作为备选
条形码之一。Lahaye等(2008b)对韩国植物学家Kim
Ki-Joong等提出的atpF-atpH和psbK-psbI进行了验
证, 同时结合matK和trnH-psbA对南非一个公园中的
101个物种进行了研究 , 结果显示 : trnH-psbA和
atpF-atpH序列中的gap编码能有效地提高物种鉴别
率, 但仍然支持把matK作为植物DNA条形码组合中
必不可少的要素。在最近发表在PNAS上的一篇论文
中, CBOL植物工作组根据以往研究和该工作组所提
供新数据的分析结果正式建议将rbcL和matK作为陆
地植物通用的条形码(Hollingsworth et al., 2009)。
以上研究在较大类群范围内, 如整个被子植物,
甚至整个陆地植物, 发现并测试了目前比较常用且最
有可能作为DNA条形码的分子标记。其共同点是: 在
属内物种水平上取样不足, 得到表面上拥有较高分辨
率的结果, 离创建全面可信的条形码数据库仍有一定
的距离。因此, 一些学者用一个或几个候选分子标记
在较小范围内, 如在1个属或1个科内通过较密集取
样在种级水平上测试其分辨能力和适用性。Sass等
(2007)利用7个叶绿体基因和核糖体ITS片段, 对裸子
植物苏铁类群进行了探索研究, 并提出ITS在变异程
度上是最适用的。Newmaster等(2008)对7个叶绿体
DNA片段(UPA、rpoB、rpoC1、accD、rbcL、matK
和trnH-psbA)进行了DNA条形码最适性检测, 选择
matK和 trnH-psbA组合对肉豆蔻科的毛楠属(Com-
psoneura)进行研究, 获得了较好的结果。Logacheva
等(2008)在对伞形科独活属(Heracleum)植物进行的
系统学研究中指出 trnH-psbA不适合用作该类群的
DNA分子标记。对于物种多样性丰富的热带地区 ,
Steele等(2010)用5个叶绿体DNA片段组合, 对葫芦
科Psiguria属的6个种进行了条形码鉴定, 发现每个
物种均拥有各自独特的条形码。2009年11月7日至13
日在墨西哥召开的第三届DNA条形码国际学术大会
上, 与会者达成共识, 一致建议在rbcL和matK之外,
选择进化速率较快的ITS和trnH-psbA, 探讨它们在
陆地植物中的通用性、分辨率和适合程度。
我国学者在Paul Hebert提出DNA条形码的概念
之后不久就开始关注这项技术。肖金花等(2004)、马
兰和黄原(2005)、陈士林等(2007)、王剑峰和乔格侠
(2007)、陈念等(2008)、莫帮辉等(2008)和宁淑萍等
(2008)分别以综述形式对DNA条形码技术进行了介
绍。同时, 利用线粒体基因COI对一些动物类群开展
了研究(董世娟等, 2005; 褚栋等, 2005; 林元烧等,
2005; 梁刚等, 2008)。在植物方面, 葛学军研究组在
科级水平上利用10种分子标记(atpF-atpH、matK、
psbK-psbI、rbcL、rpoB、rpoC1、trnH-psbA、rps4、
trnL-trnF和ITS2)对藓类植物进行了评价, 发现rbcL、
rpoC1、trnH-psbA、rps4和trnL-trnF可以作为候选的
DNA条形码(Liu et al., 2010)。周世良研究组将DNA
条形码技术用于澄清芍药科芍药属牡丹组的物种问
题(张金梅等, 2008; Zhang et al., 2009), 他们在居群
水平上对37个个体取样, 利用来自叶绿体基因组的4
个DNA片段(ndhF、rps16-trnQ、trnL-F和trnS-G)分
析了该分类群的系统发育关系, 探讨了组内进化谱系
和分类学上所命名的物种之间的关系, 还以牡丹组为
例, 讨论了DNA条形码技术在应用过程中所遇到的
问题和解决方案, 提出在利用条形码进行物种鉴定
时, 应首先对分类群进行系统发育分析, 了解谱系进
化线和物种的关系。陈士林研究组在药用生物中筛选
DNA条形码, 对753属4 800种藻类、真菌和高等植物
的6 600条ITS2序列进行了分析, 发现ITS2在种级水
平上的分辨成功率可以达到92.7%, 建议ITS2可作为
真菌和绿色植物的一种新的DNA条形码(Gao and
Chen, 2009; Chen et al., 2010)。在本文作者研究组
开展的一项工作中(Ren et al., 2010), 我们利用4个
DNA片段(ITS、rbcL、matK和trnH-psbA)对桦木科桤
木属(Alnus)全世界所有的物种(26种)的131个个体进
行取样分析, 发现4个片段在种级水平上的分辨能力
4 植物学报 45(1) 2010
分别为 10%(rbcL)、 31.25%(matK)、 63.6%(trnH-
psbA)和76.9%(ITS), 而将ITS和trnH-psbA结合在一
起使用可以分辨全部种类中的88.5%。同时以桤木属
为例, 讨论了分类学修订对于正确运用DNA条形码
技术进行物种鉴定的必要性, 以及两者之间所存在的
互动关系。
3 存在的问题和展望
3.1 目前DNA条形码技术的局限性
就整体而言, 在植物类群中条形码的研究和应用尚处
于探索阶段, 稍落后于对动物类群的研究。这主要表
现在以下几个方面。(1) 植物DNA条形码的选择及其
评价仍没有统一的标准。在生命条形码概念提出之初,
生物学家希望能找到一个基因或者一小段DNA序列
就可以区别地球上所有的物种, 即one gene for all
species。但根据目前的研究, 即使对于动物来说, 仅
仅运用COI这一段线粒体DNA序列来实现对所有物
种的鉴定仍然存在很大的不足和困难。对于高等植物
来说 , 在提出将rbcL和matK作为组合条形码之后 ,
也仍然不能实现对物种的全面鉴定。此外, 随着生物
多样性保护、药品和食品市场规范以及资源调查等方
面的社会需求日益增长, 在选择DNA条形码时还要
考虑各种具体需求的特殊性。(2) 对类群进行形态分
类学修订是开展植物DNA条形码研究的基础, 而植
物DNA条形码反过来可以检验形态分类, 但目前传
统形态分类学和现代分子分类学还未能达到有机的
结合。DNA barcoding必须依赖传统的形态分类学,
在条形码数据库建立之前, 取样必须建立在形态分类
学研究的基础上; 建库后, 验证要以形态分类学结果
作为参照标准。(3) 以往的研究在取样上尺度较大,
而对具体类群的研究较少, 1个科或1个属只用有限的
种类作为代表, 同一种内的取样也不足, 这样虽然表
面上看来利用选定的DNA条形码可以容易地把代表
物种区分开, 但实际上目前建议的植物DNA条形码
(例如rbcL和matK)由于其分子进化速率较慢, 在种级
水平上, 特别是对于那些经历了近期适应辐射或快速
进化的属来说, 分辨率较低。而DNA条形码的应用主
要集中在属内物种水平, 因此只有针对具体类群进行
探索研究, 才可能为建立完整的条形码数据库起到积
极有效的作用。
因此充分利用基因组信息, 在植物、动物和微生
物中筛选其它候选基因, 仍然是今后一段时间内DNA
条形码研究的主要任务。通过对多个类群和多个基因
的比较, 评价分类群种内和种间差异的大小, 提出物
种鉴别的分子变异尺度, 对不同marker的使用范围进
行评价。尽管在动物DNA条形码的研究中, COI以较大
的优势成为动物条形码首选, 并在一些昆虫、鱼类和
鸟类的研究中得到了较好的结果 (Hebert et al.,
2004b; Hajibabaei et al., 2006), 但也有研究表明单
个线粒体基因片段在热带物种多样性高的区域中应用
有一定的局限性(Rubinoff et al., 2006a)。另外, 在鉴
定存在杂交的类群时, 作为单亲遗传的线粒体基因其
不足显而易见 (Will et al., 2005; Rubinoff et al.,
2006b)。因此有学者提议在使用COI和其它线粒体基
因(如利用NDI对蜻蜓的研究(Rach et al., 2008))的同
时, 可以结合核基因片段, 如28S和EF1α, 以提高鉴
定的准确度(Ahrens et al., 2007; Elias et al., 2007)。
在植物中, 谱系偏选和杂交现象更加普遍, 无疑
增加了筛选DNA条形码的难度, 这样就更需要从不
同的基因组中选择marker来保证鉴定的准确度。目前
在叶绿体基因组, 人们已经在陆地植物中对50多个
基因或DNA片段进行了评价, 提出了一些备选的条
形码(如matK、rbcL、trnH-psbA、trnT-L、ycf5和accD)
或条形码组合(如matK+rpoB、rpoC+ndhJ、rpoC1+
rpoB+matK和 rpoC1+matK+trnH-psbA)(表1), 其中
一些基因(如matK和rbcL)受到了关注或支持, 另一些
基因(如ycf5和accD)尚未引起普遍重视。在叶绿体基
因组以外, ITS作为DNA条形码的潜力得到了不少研
究者的认可。在今后几年或更长一段时间里, 从线粒
体基因组和核基因组中筛选有效的DNA条形码是一
项可行并极有价值的工作; 同时在分子进化速率相对
较慢的2个基因(matK和rbcL)之外, 评价其它进化速
率较快的分子标记在种级水平上作为DNA条形码的
有效性, 如ITS和trnH-psbA, 是当前生命条形码国际
合作中受到广泛关注的研究课题。由于中国具有丰富
的生物多样性, 尤其是在横断山地区具有一些快速进
化的被子植物科属, 如杜鹃花科、报春花属和乌头属
等, 因此, 国内学者应该积极参与这项工作。
3.2 与传统形态分类学研究的结合
利用DNA条形码技术在生物志的基础上实现对物种
快速准确的自动鉴定是生物分类学发展的一个阶段。
DNA条形码鉴定只有在形态学分类研究的基础上,
任保青等: 植物 DNA条形码技术 5
表1 植物DNA条形码研究总结
Table 1 Review for the studies on DNA barcode in plants
选用的分子标记 作者和年份
叶绿体基因组 其它
研究类群 适用作条形码的标记
Kress et al., 2005

trnK-rps16, trnH-psbA, rp136-rps8, atpB-rbcL,
ycf6-psbM, trnv-atpE, trnC-ycf6, psbM-trnD,
trnL-F, rbcL
ITS 被子植物(53科80属99种) ITS, trnH-psbA
Chase et al., 2005

trnL-F, rbcL, rps16, atpB-rbcL, ncpGS ITS Moraea (Moraceae)
Protea (Proteaceae)
组合条形码
Newmaster et al., 2006 rbcL 陆地植物 rbcL
Cowan et al., 2006 trnH-psbA, trnS-G, trnT-L, trnL-F, rps16,
atpB-rbcL, ncpGS
ITS 种子植物(27科33种) trnH-psbA, ITS
Presting, 2006 UPA 陆地植物和藻类 UPA (藻类)
Sass et al., 2007 matK, ndhJ, rpoC1, accD, ycf5, trnH-psbA ITS 苏铁目 ITS
Kress and Erickson, 2007 trnH-psbA, matK, ycf5, rbcL-a, rpoB2, ndhJ, accD, rpoC1 ITS1 陆地植物 trnH-psbA, rbcL
Kondo et al., 2007 matK, rbcL, trnH-psbA ITS Glycyrrhiza (Fabaceae) trnH-psbA, ITS
Newmaster et al., 2008 UPA, rpoB, rpoC1, accD, rbcL, matK, trnH-psbA Compsoneura (Myristi-
caceae)
matK, trnH-psbA
Lahaye et al., 2008a trnH-psbA, matK, ycf5, rbcL, rpoB, ndhJ, accD,
rpoC1
兰科植物 matK
Lahaye et al., 2008b matK, psbK-psbI, atpF-atpH, trnH-psbA 被子植物(18科101种) matK, psbK-psbI或
trnH-psbA
Nitta, 2008 rbcL, trnSGG, trnH-psbA 蕨类植物 trnH-psbA
Fazekas et al., 2008 23S rDNA, rpoB, rpoC1, rbcL, matK, psbK-psbI,
atpF-atpH, trnH-psbA
cox1 陆地植物(32属92种) 组合条形码
Edwards et al., 2008 trnT-L, trnH-psbA ITS Aspalathus (Fabaceae) trnT-L, ITS
Yao et al., 2009 trnH-psbA Dendrobium (Orchida-
ceae)
trnH-psbA
Ford et al., 2009 41 coding regions from plastid genome 陆地植物 matK+rpoB, rpoC+
ndhJ, ycf5, accD
Starr et al., 2009 rpoB, rpoC1, rbcL, matK, trnH-psbA ITS Carex (Cyperaceae) matK
Seberg and Petersen,
2009
matK, ndhF, rpoC1, accD, trnH-psbA, rps8-rpl36 Crocus (Iridaceae) ndhF, matK
Farrington et al., 2009 trnL intron, matK, rpl32-trnL, trnQ-rps16,
trnV-ndhC, ndhF-rpl32, psbD-trnT, psbJ-petA
ITS Caladenia (Orchidaceae) trnL intron, trnQ-rps16
Newmaster and
Ragupathy, 2009
matK, rbcL, trnH-psbA Acacia (Mimosoideae,
Fabaceae)
matK, rbcL, trnH-psbA
Van de Wiel et al., 2009 matK, trnH-psbA Hydrocotyle (Araliaceae) trnH-psbA
Spooner, 2009 matK, trnH-psbA ITS Solanum sect. Petota
野生马铃薯
none
Devey et al., 2009 trnH-psbA, atpF-H 种子植物 none
Hollingsworth et al., 2009 rpoB, rpoC1, rbcL, matK, psbK-psbI, atpF-atpH,
trnH-psbA
陆地植物 matK, rbcL
Gonzalez et al., 2009 rpoB, rpoC1, rbcL, matK, ycf5, trnL, trnH-psbA ITS 亚马逊河流域乔木种类 rpoB, rbcL, trnL,
trnH-psbA
Gao and Chen, 2009 rpoB, rpoC1, rbcL, matK ITS,
ITS2
豆科药用植物(30属86种) ITS2
Luo et al., 2009 rpoB, rpoC1, rbcL, matK, trnH-psbA Araceae (34属95个样本) matK 较好
trnH-psbA 难扩增
Han et al., 2009 accD, rpoB, rpoC1, ycf5, rbcL, psbA-trnH, matK ITS Lamiaceae (30属70种) trnH-psbA
Zhang et al., 2009 ndhF, rps16-trnQ, trnL-F, trnS-trnG GPAT Paeonia (Paeoniaceae) 组合条形码
Kumar et al., 2009 trnL-UAA, trnH-psbA, rpoC1, matK Parthenium (Asteraceae) matK, trnH-psbA
Liu et al., 2010 atpF-atpH, matK, psbK-psbI, rbcL, rpoB, rpoC1,
trnH-psbA, rps4, trnL-trnF
ITS2 藓类 rbcL, rpoC1, rps4,
trnH-psbA, trnL-trnF
Clerc-Blain et al., 2010 rpoB, rpoC1, rbcL, matK, psbK-psbI, atpF-atpH Carex (Cyperaceae) matK

6 植物学报 45(1) 2010
表1 (续) Table 1 (continued)
选用的分子标记 作者和年份
叶绿体基因组 其它
研究类群 适用作条形码的标记
Steele et al., 2010 ndhC-trnV, rps16-trnQ, rpoB-trnC, ndhF-rpl32,
psbZ-trnM, trnS-trnG, psbM-trnD, psbE-petL
ITS
s/t
phos
Psiguria (Cucurbitaceae) ndhC-trnV,
rps16-trnQ,
rpoB-trnC,
ndhF-rpl32,
psbZ-trnM
Ren et al., 2010 rbcL, psbA-trnH, matK ITS Alnus (Betulaceae) ITS, trnH-psbA
Chen et al., 2010 psbA-trnH, matK, rbcL, rpoC1, ycf5 ITS2,
ITS
高等植物、真菌和藻类
(753属4 800种)
ITS2
s/t phos: 丝氨酸/苏氨酸磷酸酶。s/t phos: nuclear serine/threonine phosphatase.


在取样准确、涵盖分布区包括所有变异的情况下才能
保证结果的可靠性。因此DNA条形码鉴定和传统的形
态分类学研究是相辅相成的, 需要将两者紧密地结合
在一起。例如, DNA条形码鉴定也要充分考虑居群
(population)概念 , 注重对近缘种以及亚种 (subsp-
ecies)之间的比较。对于标本的采集和一系列信息的
规范处理, 如凭证标本的存放、地理信息和图片等,
应利用国内运行良好的标本馆和博物馆体系, 开发出
能够兼容的管理模式并制定相应标准。同时考虑与当
今日益发达的计算机网络技术相结合, 使得DNA条
形码成为新的网络化的生物物种信息载体, 以链接已
有的模式标本信息、形态学描述、地理分布图和用途
等各类有关物种的信息, 形成一个动态(可以不断补
充和完善)的、相对稳定而又开放的系统(图1)。
如果说DNA条形码的主要功能侧重于对以往已
有描述的物种或类群的鉴定, 那么在分子手段介入的
同时, 难免会出现一系列问题, 这主要体现在与形态
分类学研究结果的冲突, 如隐形种的出现和DNA条
形码的通用性等。在这种情况下, 研究者需要利用各
方面的证据进行权衡, 确定标准, 从而做出决定。由
于不同分类学家对种的概念、大小或界限有着不同的
理解, 各类分子标记片段具有不同的进化速率, 以及
同一片段在不同分类群中进化速率存在差异, 所以利
用一段尽量短的基因或DNA片段对所有的物种进行
鉴定也许只是一种梦想, 至少现在看来, 在植物界实
现这种梦想的可能性不大(Blaxter, 2003)。实际上,
如上所述, 在动物中也正在提倡使用COI之外的标
记, 与其它线粒体基因和核基因配合使用(Will et al.,
2005; Rubinoff et al., 2006b; Rach et al., 2008)。当
然, 使用DNA条形码的原则是: 越通用越好, 越少越
好, 越短越好, 从而使得物种鉴定能够越来越容易、
快捷和准确。
3.3 展望
从《神农本草经》到《本草纲目》, 再到《中国植物
志》, 人们对植物的认识总是与人类最基本的生存需
要息息相关。当今, 对生物资源的拥有、研究及开发
利用水平已经成为一个国家综合国力和可持续发展
能力的重要体现, 并被各国政府提升到战略高度。另
一方面, 人类面临珍稀濒危物种灭绝速度加快和外来
种入侵等严重问题, 需要对濒危物种和外来物种进行
现状评估、动态监测和预警。在这种背景下, 快速而
准确地鉴定物种不仅是生物分类学发展的重要方向,
而且也是进行生物多样性管理、监测和保护以及生物
资源开发和可持续利用的迫切需求。分类学家的主要
职责是提供一个快捷便利的信息检索系统, 而物种的
DNA条形码信息将成为检索系统中最重要的组成部
分。当前科学技术的发展, 特别是分子生物学和信息
科学的发展, 为我们建立全面准确的信息综合系统库
(链接各种信息的百科全书)提供了基本条件。
中国科学院已经启动了2个项目支持将DNA条形
码应用到物种分类和物种自动鉴定中, 国家自然科学
基金委和科技部也正在酝酿启动类似的项目。这不仅
反映了国际生物分类学以及系统与进化生物学发展的
前沿和必然趋势, 同时也赋予了在中国开展此类研究
的良好时机。这是因为在中国的生物编志工作(除昆虫
和真菌外)已基本完成后, 当前分类、系统和进化生物
学领域正需要从战略上进行宏观设计, 制定长远目标,
成立相关机构, 在全球范围内整合研究资源。像编研
生物志那样, 全国科研人员可围绕着一个目标有条不
紊地进行工作。而在生物志编研任务基本完成后, 同
时在当前基因组学研究蓬勃开展的背景下 , DNA
任保青等: 植物 DNA条形码技术 7


图1 形态分类学修订与DNA条形码的结合模型

Figure 1 Combination model of morphological taxonomy and DNA barcoding

8 植物学报 45(1) 2010
条形码项目正是摆在系统分类与进化生物学工作者
面前的一项十分迫切而又切实可行的工作。与欧美国
家相比, 中国的体制有利于组织这样的重大科研工
程, 可以形成“全国一盘棋”, 有计划有步骤地加以实
施。DNA条形码研究和应用可以分成2个阶段: (1)条
形码的选择和确定; (2) 将选定的条形码应用于物种
鉴定, 逐步建立完整的条形码数据库(Chase et al.,
2005)。因此, 我国学者正在制定短期和长期目标, 并
积极参与国际合作。近期内, 选择在传统分类、分子
系统和进化研究基础雄厚的实验室对若干类群进行
先期探索, 继而将会在国内的各科研院所和高等学校
中全面启动中国生命条形码研究计划。
就目前的研究而言, 在整个生命世界, 即使在整
个植物界, 找到一个基因或不太长的一个DNA片段
来区别每一个物种几乎是不可能的, 但是通过一个条
形码组合在基因组范围内实现阶层条形码, 逐级缩小
范围, 最后达到物种自动鉴定的目的是非常现实和可
行的。许多研究表明: 在陆地植物中比较可行的条形
码 组 合 是 rbcL( 科 级 )+matK( 属 级 )+ITS 和
trnH-psbA(种级)。这种阶元型并可拆卸的条形码组
合, 适合于不同的生物学者使用, 非植物学家可以从
科级入手, 而类群专家则直接从种级入手, 至于种下
等级则是遗传学家和进化生物学家所关注的。生物信
息学家和网络工程师利用分类学家建立的条形码数
据库开发出物种自动鉴定网络信息系统, 最终研制出
便携式的物种鉴定仪或DNA barcoder装备为大众服
务。这不仅可以为国家经济和生态环境建设以及生物
多样性保护提供全面准确和快速便捷的物种信息服
务, 同时可以满足人们不断增长的对生物识别、观赏
和利用等各方面的需要, 提高人民的物质和文化生活
水平。
致谢 王伟和谷婧修改文章初稿, 周世良博士提供文
献, 特此感谢！
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12 植物学报 45(1) 2010
DNA Barcoding Plant Life
Baoqing Ren, Zhiduan Chen*
State Key Laboratory of Systematic and Evolutionary Botany, Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing
100093, China
Abstract DNA barcoding is a new biological tool for accurate, rapid and automated species identification by use of
short, standardized genes or DNA regions that can be amplified easily by PCR. Although DNA barcoding involves con-
troversial theoretical and practical aspects, it has received considerable attention since Paul Hebert proposed the concept
in 2003. The research into and application of DNA barcoding in plants is still in its early exploration stage and is inferior to
that in animals. Three underlying problems for plant DNA barcoding still persist. First, no consistent criteria exist for the
selection and assessment of barcodes. Second, research into DNA barcoding based on thorough morphological taxo-
nomic revision is necessary but is lacking. Third, previous studies in plants were mainly carried out on a large scale, with
only a few species within one genus and single or few individuals from the same species sampled, which resulted in a
superficially high rate of discrimination and low credibility of the reference database. Until now, rbcL and matK are un-
doubtedly the most useful barcodes and provide a universal framework for land plants at and above generic levels.
However, they do not provide enough informative sites to identify all the species within some genera, in particular those
with recent rapid radiation. Thus other markers with faster evolutionary rate than these 2 genes are needed, although the
plant working group of the Consortium for the Barcode of Life has recommended the 2-locus combination of rbcL and
matK as the barcode for plants.
Key words internal transcribed spacer, matK, morphological taxonomy, plant DNA barcode, rbcL, trnH-psbA
Ren BQ, Chen ZD (2010). DNA barcoding plant life. Chin Bull Bot 45, 1–12.
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* Author for correspondence. E-mail: zhiduan@ibcas.ac.cn
(责任编辑: 刘慧君)