Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Микроскопическое изображение пыльцы Ligularia

Усиление

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. [1]

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. [2] 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 эДНК), которая представляет собой ДНК, извлеченную прямо из окружающей среды, например образцы почвы или воды. [3]

Преимущества [ править ]

Часть серии по
Штрих-кодирование ДНК
DNA Barcoding.png
 
Штрих- кодирование ДНК • Метабаркодирование
 
По таксонам
Другой
  • Метатранскриптомика
  • Усиление
    • ПЦР
  • Секвенирование дробовика
  • Секвенирование с высокой пропускной способностью
  • Внеклеточная РНК
  • Химера
  • Здравоохранение
  • Оценка диеты
  • Консорциум штрих-кода жизни
  • v
  • т
  • е

Некоторыми из основных ограничений микроскопической идентификации являются требования к опыту и времени. Идентификация пыльцы с помощью микроскопии требует высокого уровня знаний в характеристиках пыльцы конкретных изучаемых растений. Имея опыт, все еще может быть чрезвычайно сложно точно идентифицировать пыльцу с высоким таксономическим разрешением . [1] Навыки, необходимые для выполнения штрих-кодирования ДНК, гораздо более распространены [4], 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) [5], и его эффективность постоянно улучшается, в том числе за счет использования подхода двойной индексации. [6]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. [7] 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 [8] . Используя штрих-кодирование ДНК пыльцы, исследователи могут обнаружить «невидимые» взаимодействия между растениями и опылителями. [9]

Проблемы [ править ]

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 без повреждения внутренней 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 внедрением 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. [10]

Альтернативы [ править ]

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. [11]

Целевые регионы [ править ]

Было несколько различных областей 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 рекомендована для использования в штрих-кодировании ДНК растений. Было обнаружено, что trnL лучше для деградированной ДНК, а ITS1 лучше для дифференциации видов внутри рода. [15]

Приложения [ править ]

Бабочки собирают нектар из цветка в китайских Гималаях

Использование в сетях опыления [ править ]

Возможность идентифицировать пыльцу особенно важна при изучении сетей опыления, которые состоят из всех взаимодействий между растениями и животными, которые облегчают их опыление. [16] [17] Определение пыльцы, переносимой насекомыми, помогает ученым понять, какие растения посещают какие насекомые. Насекомые также могут иметь гомологичные особенности, затрудняющие их идентификацию, и сами иногда идентифицируются с помощью генетического штрих-кодирования [18] (обычно области CO1 [19] [20] ). Не каждое насекомое, которое посещает цветок, является опылителем. [21]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 только одно животное, является лучшим способом определить, какие животные являются важными опылителями [22], хотя другие ученые использовали Штрих-кодирование ДНК для определения генетического происхождения пыльцы, обнаруженной на насекомых, и утверждали, 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 нарушения [24], ведущего к сокращению количества опылителей. [25]

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

Судебная экспертиза [ править ]

Возможность точно идентифицировать пыльцу, обнаруженную на доказательствах, помогает судебным следователям определять, из каких регионов были получены доказательства, на основе растений, эндемичных для этих регионов. [28] В дополнение к этому, атмосферная пыльца, происходящая из незаконных ферм по выращиванию каннабиса, была успешно обнаружена учеными [29], что в будущем может позволить сотрудникам правоохранительных органов сузить районы поиска незаконных ферм.

Древняя пыльца [ править ]

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.

Безопасность пищевых продуктов [ править ]

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 . [30]

См. Также [ править ]

  • Аэропланктон

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Белл, Карен Л .; де Вер, Наташа; Келлер, Александр; Ричардсон, Родни Т .; Гус, Аннемари; Берджесс, Кевин С .; Броси, Берри Дж. (13 апреля 2016 г.). «Штрих-кодирование пыльцевой ДНК: современные приложения и перспективы на будущее» . Геном . 59 (9): 629–640. DOI : 10.1139 / GEN-2015-0200 . hdl : 1807/72815 . ISSN  0831-2796 . PMID  27322652 .
  2. ^ a b Белл, Карен Л .; Loeffler, Virginia M .; Броси, Берри Дж. (2017-03-01). «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 . PMC 5357121 . PMID 28337390 .  
  3. ^ Кристеска, Мелания Е. (2014). «От штрих-кодирования отдельных лиц до метабаркодирования биологических сообществ: к интегративному подходу к изучению глобального биоразнообразия». Тенденции в экологии и эволюции . 29 (10): 566–571. DOI : 10.1016 / j.tree.2014.08.001 . PMID 25175416 . 
  4. ^ Адамович, Сара Дж .; Стейнке, Дирк (10 ноября 2015 г.). «Расширение глобального участия в генетических исследованиях с помощью штрих-кодирования ДНК». Геном . 58 (12): 519–526. DOI : 10.1139 / GEN-2015-0130 . ЛВП : 1807/70679 . ISSN 0831-2796 . PMID 26642251 .  
  5. ^ Пак, Сан Тэ; Ким, Джаюн (ноябрь 2016 г.). «Тенденции секвенирования следующего поколения и новая эра секвенирования всего генома» . Международный невроурологический журнал . 20 (Дополнение 2): S76–83. DOI : 10.5213 / inj.1632742.371 . PMC 5169091 . PMID 27915479 .  
  6. ^ Сикель, Вибке; Анкенбранд, Маркус Дж .; Гриммер, Гудрун; Holzschuh, Андреа; Хертель, Стефан; Ланзен, Джонатан; Штеффан-Девентер, Ингольф; Келлер, Александр (22.07.2015). «Повышенная эффективность идентификации смешанных образцов пыльцы с помощью мета-штрих-кодирования с использованием подхода двойной индексации» . BMC Ecology . 15 : 20. DOI : 10,1186 / s12898-015-0051-у . ISSN 1472-6785 . PMC 4509727 . PMID 26194794 .   
  7. ^ Чжао, Ян-Хуэй; Рен, Цзун-Синь; Лазаро, Ампаро; Ван, Хун; Бернхардт, Питер; Ли, Хай-Донг; Ли, Де-Чжу (24.05.2016). «Цветочные особенности влияют на выбор переносчиков пыльцы в высокогорных сообществах в Гималаях и Хэндуане» . BMC Ecology . 16 : 26. DOI : 10,1186 / s12898-016-0080-1 . ISSN 1472-6785 . PMC 4879733 . PMID 27221235 .   
  8. ^ Уилсон, Эрин Э .; Сидху, К. Шина; LeVan, Katherine E .; Холуэй, Дэвид А. (ноябрь 2010 г.). «Собирание пыльцы одиночных гавайских пчел выявлено с помощью молекулярного анализа пыльцы». Молекулярная экология . 19 (21): 4823–4829. DOI : 10.1111 / j.1365-294X.2010.04849.x . ISSN 1365-294X . PMID 20958818 . S2CID 1862758 .   
  9. ^ Pornon, Андре; Андало, Кристоф; Буррус, Моник; Escaravage, Натали (2017-12-04). «Данные метабаркода ДНК раскрывают невидимые сети опыления» . Научные отчеты . 7 (1): 16828. Bibcode : 2017NatSR ... 716828P . DOI : 10.1038 / s41598-017-16785-5 . ISSN 2045-2322 . PMC 5715002 . PMID 29203872 .   
  10. ^ Ричардсон, Родни Т .; Линь, Чиа-Хуа; Quijia, Juan O .; Рюсеч, Наталья С .; Гуделл, Карен; Джонсон, Рид М. (30 октября 2015 г.). «Ранговая характеристика скоплений пыльцы, собранных медоносными пчелами, с использованием подхода метабарочного кодирования с несколькими локусами» . Приложения в науках о растениях . 3 (11): 1500043. DOI : 10,3732 / apps.1500043 . PMC 4651628 . PMID 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 . 
  12. ^ Hollingsworth, Питер М .; Форрест, Лаура Л .; Spouge, John L .; Хаджибабаи, Мехрдад; Ратнасингхам, Судживан; ван дер Банк, Мишель; Чейз, Марк В .; Cowan, Robyn S .; Эриксон, Дэвид Л. (2009-08-04). «Штрих-код ДНК для наземных растений» . Труды Национальной академии наук . 106 (31): 12794–12797. DOI : 10.1073 / pnas.0905845106 . PMC 2722355 . PMID 19666622 .  
  13. ^ Пан, Сяохуэй; Лю, Чанг; Ши, Линьчунь; Лю, Руи; Лян, Донг; Ли, Хуан; Черный, Стейси С .; Чен, Шилин (14 ноября 2012 г.). «Полезность межгенного спейсерного региона trnH – psbA и его комбинаций в качестве штрих-кодов ДНК растений: метаанализ» . PLOS ONE . 7 (11): e48833. Bibcode : 2012PLoSO ... 748833P . DOI : 10.1371 / journal.pone.0048833 . ISSN 1932-6203 . PMC 3498263 . PMID 23155412 .   
  14. ^ Ван, Синь-Цунь; Лю, Чанг; Хуанг, 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. DOI : 10.1111 / 1755-0998.12325 . ISSN 1755-0998 . PMID 25187125 . S2CID 41941842 .   
  15. ^ Pornon, Андре; Эскараваж, Натали; Буррус, Моник; Голота, Элен; Химун, Орели; Мариетт, Жером; Пеллиццари, Шарлен; Ирибар, Амайя; Этьен, Розелин (2016). «Использование метабаркодирования для выявления и количественной оценки взаимодействий растений и опылителей» . Научные отчеты . 6 (1): 27282. Bibcode : 2016NatSR ... 627282P . DOI : 10.1038 / srep27282 . ISSN 2045-2322 . PMC 4891682 . PMID 27255732 .   
  16. ^ Белл, Карен Л .; Фаулер, Джули; Берджесс, Кевин С .; Доббс, Эмили К .; Грюневальд, Дэвид; Лоули, Брайс; Морозуми, Коннор; Броси, Берри Дж. (2017-06-01). «Применение метабаркодирования пыльцевой ДНК для изучения взаимодействий растений и опылителей» . Приложения в науках о растениях . 5 (6): 1600124. DOI : 10,3732 / apps.1600124 . PMC 5499302 . PMID 28690929 .  
  17. ^ Галиот, Жан-Ноэль; Брюнель, Доминик; Берар, Орели; Шово, Орели; Бланшет, Андре; Ланоре, Лоран; Фарруджа, Энн (01.12.2017). «Исследование сети собирателей насекомых-цветов в сообществе горных лугов с использованием штрих-кодирования ДНК пыльцы». Журнал сохранения 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, Мейхуа; Ян, Шэньчжоу; Moss, Ellen D .; Ван, Цзясинь (01.09.2015). «Высокопроизводительный мониторинг разнообразия и численности диких пчел с помощью митогеномики» . Методы экологии и эволюции . 6 (9): 1034–1043. DOI : 10.1111 / 2041-210x.12416 . ISSN 2041-210X . PMC 5111398 . PMID 27867467 .   
  19. ^ Хеберт, Пол DN; Цивинская, Алина; Болл, Шелли Л .; ДеВаард, Джереми Р. (07.02.2003). «Биологическая идентификация с помощью штрих-кодов ДНК» . Труды Лондонского королевского общества B: биологические науки . 270 (1512): 313–321. DOI : 10.1098 / rspb.2002.2218 . ISSN 0962-8452 . PMC 1691236 . PMID 12614582 .   
  20. ^ Рэйч, Джессика; Бергманн, Тьярд; Пакния, Омид; ДеСалле, Роб; Шируотер, Бернд; Хадрис, Хайке (2017-04-13). «Выбор маркера: неожиданная разрешающая способность неисследованной области CO1 для подходов многослойного штрих-кодирования ДНК» . PLOS ONE . 12 (4): e0174842. Bibcode : 2017PLoSO..1274842R . DOI : 10.1371 / journal.pone.0174842 . ISSN 1932-6203 . PMC 5390999 . PMID 28406914 .   
  21. ^ Ballantyne, G .; Бэлдок, Кэтрин CR; Виллмер, П.Г. (07.09.2015). «Создание более информативных сетей растений-опылителей: сети посещений и осаждения пыльцы в сообществе растений вересковых пустошей» . Proc. R. Soc. B . 282 (1814): 20151130. DOI : 10.1098 / rspb.2015.1130 . ISSN 0962-8452 . PMC 4571695 . PMID 26336181 .   
  22. ^ Король, Кэролайн; Баллантайн, Гэвин; Уиллмер, Пэт Г. (01.09.2013). «Почему посещение цветов является плохим показателем опыления: измерение осаждения пыльцы за одно посещение с последствиями для сетей опыления и сохранения» (PDF) . Методы экологии и эволюции . 4 (9): 811–818. DOI : 10.1111 / 2041-210x.12074 . ЛВП : 10023/5299 . ISSN 2041-210X .  
  23. ^ Мацуки, Ю; Татено, Рюноскэ; Шибата, Мицуэ; Исаги, Юджи (1 августа 2008 г.). «Эффективность опыления насекомыми, посещающими цветы, как определено прямым генетическим анализом происхождения пыльцы» . Американский журнал ботаники . 95 (8): 925–930. DOI : 10,3732 / ajb.0800036 . ISSN 0002-9122 . PMID 21632415 .  
  24. ^ Вайнер, Кристиан Натали; Вернер, Майкл; Линсенмайр, Карл Эдуард; Блютген, Нико (01.02.2014). «Воздействие землепользования на сети растения-опылители: сила взаимодействия и специализация предсказывают сокращение количества опылителей». Экология . 95 (2): 466–474. DOI : 10.1890 / 13-0436.1 . ISSN 1939-9170 . PMID 24669739 .  
  25. ^ Vamosi, Jana C .; Гун, Янь-Бин; Адамович, Сара Дж .; Пакер, Лоуренс (апрель 2017 г.). «Прогнозирование уменьшения опыления с помощью штрих-кодирования ДНК: потенциальный вклад макроэкологического и макроэволюционного масштабов исследования». Новый фитолог . 214 (1): 11–18. DOI : 10.1111 / nph.14356 . ISSN 1469-8137 . PMID 27901268 .  
  26. ^ Шепер, Иерун; Ремер, Менно; ван Кац, Рууд; Ozinga, Wim A .; ван дер Линден, Гиль Т.Дж.; Schaminée, Joop HJ; Зипель, Хенк; Клейн, Дэвид (9 декабря 2014 г.). «Музейные образцы показывают, что потеря растений-хозяев пыльцы является ключевым фактором сокращения численности диких пчел в Нидерландах» . Труды Национальной академии наук . 111 (49): 17552–17557. Bibcode : 2014PNAS..11117552S . DOI : 10.1073 / pnas.1412973111 . PMC 4267333 . PMID 25422416 .  
  27. ^ Burkle, Laura A .; Марлин, Джон С .; Найт, Тиффани М. (29 марта 2013 г.). «Взаимодействие растений и опылителей в течение 120 лет: потеря видов, совместное появление и функция» . Наука . 339 (6127): 1611–1615. Bibcode : 2013Sci ... 339.1611B . DOI : 10.1126 / science.1232728 . ISSN 0036-8075 . PMID 23449999 . S2CID 14660808 .   
  28. ^ Миллер Койл, H .; Ladd, C .; Пальмбах, Т .; Ли, ХК (июнь 2001 г.). «Зеленая революция: вклад ботаники в судебно-медицинскую экспертизу и борьбу с наркотиками». Хорватский медицинский журнал . 42 (3): 340–345. ISSN 0353-9504 . PMID 11387649 .  
  29. ^ Aboulaich, Надь; 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 годы». Наука об окружающей среде в целом . 443 : 413–419. Bibcode : 2013ScTEn.443..413A . DOI : 10.1016 / j.scitotenv.2012.10.075 . PMID 23208276 . 
  30. ^ Галимберти, Андреа; Маттиа, Фабрицио Де; Бруни, Илария; Скаккабароцци, Даниэла; Сандиониги, Анна; Барбуто, Микела; Казираги, Маурицио; Лабра, Массимо (2014-10-08). «Подход штрих-кодирования ДНК для характеристики пыльцы, собранной пчелами» . PLOS ONE . 9 (10): e109363. Bibcode : 2014PLoSO ... 9j9363G . DOI : 10.1371 / journal.pone.0109363 . ISSN 1932-6203 . PMC 4190116 . PMID 25296114 .