提高生物多樣性樣本庫中遺傳資源的可持續(xù)利用水平

美國亞利桑那大學(xué)的E. J. Tuschhoff與堪薩斯大學(xué)的Carl R. Hutter和Richard E. Glor對生物多樣性樣本庫中遺傳資源的使用進(jìn)行了研究。現(xiàn)將他們就此研究發(fā)表的論文摘譯如下。
 

　　生物多樣性樣本收藏庫中保存的遺傳資源對于科學(xué)研究至關(guān)重要，因為從這樣的庫中可以迅速且跨越分類、時間和空間地獲取大量樣本，包括那些今天已經(jīng)很難甚至無法從其他地方得到的樣本。但是，越來越多的研究者越來越依賴于樣本庫的遺傳資源，這也帶來了巨大的挑戰(zhàn)，因為當(dāng)前這些遺傳資源的使用方法是不可持續(xù)的。在大多數(shù)情況下，請求獲得遺傳資源的研究人員會獲得一塊組織，該組織是從永久保存樣本中取出的子樣本。在提取所需DNA的過程中，子樣本會被破壞，提取后剩余的物質(zhì)會被丟棄。因此，每一次遺傳資源的使用請求都會導(dǎo)致樣本消耗，如果不加以控制，將導(dǎo)致樣本完全耗盡和這些資源的永久喪失。由于一些樣本組織的數(shù)量非常少，因此某些遺傳資源在永久喪失之前只能提供給一個或少數(shù)幾個研究人員使用。在當(dāng)前物種滅絕危機(jī)日益嚴(yán)重、科學(xué)收藏的法規(guī)日益嚴(yán)格的情況下，從野生標(biāo)本中補(bǔ)充樣本越來越困難。因此，制定相關(guān)規(guī)程來提高這些資源的可持續(xù)利用水平非常重要。

 

　　由于絕大多數(shù)使用遺傳資源樣本的請求都涉及DNA測序，因此從保藏的樣本組織中提取DNA的協(xié)議顯然是重點。大部分生物多樣性樣本收藏的目的是為研究人員提供足夠進(jìn)行2次DNA提取的遺傳組織材料，但是收藏管理人員和研究人員通常并不知道樣本組織的最佳提取量，因為很少有人研究過樣品的年齡、保存方法、提取方法、組織類型和樣品的大小與DNA的提取量、濃度（concentration）和質(zhì)量的關(guān)系。在生物多樣性樣本收藏滿足了遺傳物質(zhì)的獲取要求時，即使是已知對提取有影響的參數(shù)也很少被量化。例如，雖然已經(jīng)知道樣本組織的質(zhì)量（mass）與提取成功與否有密切關(guān)系，與提取的DNA濃度也有關(guān)聯(lián)，但是收藏管理人員和研究人員在提取組織樣本時通常只是靠粗略的目測估計，而很少對樣本的大小或質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行量化。很少有人在DNA提取之前對組織質(zhì)量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，只是在實驗中對各種方法進(jìn)行比較。在發(fā)表的文章中，研究人員也多是定性地用“兩小塊”等說法來介紹所使用的原材料數(shù)量。

 

　　本研究的目的是制定指南，以便以更加可持續(xù)的方式利用生物多樣性樣本收藏中的遺傳資源，研究的重點是如何確定從兩棲動物組織樣品中提取DNA的最佳數(shù)量。我們通過第1個實驗測試了大多數(shù)人使用的粗略目測估計組織質(zhì)量或大小的采樣方法是否能夠始終如一地得到足夠的DNA用于后續(xù)的測序。在第2個實驗中，我們通過對一系列已知質(zhì)量的樣品進(jìn)行控制提取來找到效率最佳的樣品組織質(zhì)量。在第3個實驗中，我們測試了重復(fù)成功提取子樣本的穩(wěn)定性，這似乎可以既優(yōu)化產(chǎn)量，同時又最大程度地減少單次提取的樣本消耗。在第4個也是最后一個實驗中，我們測試了我們的實驗方案是否適用于從1984年到2001年25年間的樣品，因為研究人員很可能需要使用各種年齡段的組織。過去關(guān)于動物骨骼和植物組織的研究尚未顧及到DNA產(chǎn)量（DNA yield）與樣本組織年齡之間的顯著相關(guān)性，據(jù)我們所知，以前發(fā)表的研究還不曾用低溫保存的脊椎動物軟組織對年齡和總DNA產(chǎn)量之間的相關(guān)性進(jìn)行試驗。然而一項關(guān)于爬行動物標(biāo)本的研究發(fā)現(xiàn)，隨著組織年齡的增加，恢復(fù)序列的長度會顯著減小。

 

　　通過實驗對目前從生物多樣性收藏中的組織樣本二次采樣提取DNA的方法進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用2～8mg組織提取是最有效的方法，并且未發(fā)現(xiàn)DNA產(chǎn)量與組織年齡之間有強(qiáng)相關(guān)性。我們的研究提出了2條關(guān)于改善生物多樣性樣本庫中遺傳資源可持續(xù)利用的具體建議。第1條建議是可以對現(xiàn)有的樣本借出程序進(jìn)行相對較小的調(diào)整來實現(xiàn)，而第2項建議則需要對生物多樣性樣本庫為研究人員提供遺傳資源的途徑方面做出重大改變。

 

　　首先，我們詳細(xì)討論了為研究人員提供已知質(zhì)量（mass）的組織樣本的潛在價值。通過將提供給研究人員的子樣本質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)一，借出機(jī)構(gòu)就能夠更好地確保為研究人員提供足夠的材料，同時也能夠就如何對有限的資源進(jìn)行破壞性取樣做出更明智的決定。

 

　　提出第2條建議的原因是我們發(fā)現(xiàn)即使是非常少量的組織通常也可以提供比大多數(shù)應(yīng)用所需數(shù)量更多的DNA。例如，我們發(fā)現(xiàn)8 mg的二次取樣組織樣本產(chǎn)生的DNA量往往是全基因組鳥槍法測序所需DNA量的13倍以上。在大多數(shù)情況下，研究人員獲得的過量DNA會被丟棄。雖然可以提出退還未使用DNA的要求，但因為很難執(zhí)行，所以實際上很少出現(xiàn)退還的情況。目前的做法是只向研究人員提供非常小的組織樣本供單個測序項目使用，造成有限的資源不能得到最有效的利用。我們發(fā)現(xiàn)，堪薩斯大學(xué)的爬蟲樣本在經(jīng)過多次提供后，目前幾乎已經(jīng)全部用盡。在許多情況下，這些研究人員僅對一個或幾個基因位點進(jìn)行測序，這意味著為他們提供樣本量遠(yuǎn)多于他們的實際需要，使得這些無法彌補(bǔ)的遺傳資源被無謂地浪費了。

 

　　改變這種效率極低的資源使用方式的一種方案是不再向研究人員直接提供樣本組織的二次取樣樣本，而改為根據(jù)具體情況提供適量的DNA提取物。例如，針對一個利用桑格測序法對1個或2個基因位點測序的項目，生物多樣性樣本庫可以向研究人員發(fā)放50～100 ng的DNA提取物，而不再提供含有10 000 ng DNA的破壞性二次采樣組織。這種做法不會導(dǎo)致研究人員丟棄大量的DNA，而且有利于滿足后續(xù)的提取要求。但是這樣做需要由生物多樣性樣本庫管理人員以定量的方式提取DNA，然后將適當(dāng)數(shù)量的DNA提供給有需要的研究人員，同時還要求生物多樣性樣本庫不僅收藏組織樣本，而且還要收藏提取的DNA基因組。

 

　　盡管這種方法可以使有限的資源更可持續(xù)地得到利用，但會大幅增加成本。首先，生物多樣性收集人員需要提取和量化 DNA，而不能像以前那樣僅僅發(fā)放組織樣本。在許多情況下，負(fù)責(zé)制備組織樣本的工作人員不具備必要的專業(yè)知識，沒有時間，也無法使用實驗室設(shè)施。其次，將提取的DNA保藏也需要新的規(guī)程和設(shè)施。是否值得付出這些成本取決于樣本材料的數(shù)量以及研究人員對樣本材料的使用程度。就堪薩斯大學(xué)的爬蟲樣本而言，現(xiàn)在的做法是僅向研究人員提供其所需的DNA基因組提取物，因為我們發(fā)現(xiàn)目前的樣本存量已很少甚至沒有。我們建議其他有遺傳資源過度使用問題的生物多樣性樣本庫考慮采用類似的方法，這樣可以從根本上提高遺傳資源可持續(xù)利用水平。（周吉仲）

 

來源：中國工程科技知識中心林業(yè)分中心、國家林業(yè)和草原局知識產(chǎn)權(quán)研究中心