生物學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科

生物多樣性事業(yè)需要科學(xué)、可操作的物種概念

洪德元

摘要：生物多樣性與人類息息相關(guān)。過去知道，人類的衣食住行離不開生物，現(xiàn)在更知道，人類未來的居住環(huán)境也離不開生物多樣性。人類未來生活的質(zhì)量要看人類如何對待生物多樣性，那就是深入研究它、保護(hù)它、可持續(xù)地利用它。生物多樣性由3個層次組成，即生態(tài)系統(tǒng)多樣性、物種多樣性和遺傳多樣性。其中物種起著承上啟下的作用，向上組成生態(tài)系統(tǒng)，向下是遺傳多樣性的載體。如果對物種多樣性認(rèn)識不到位就不可能真正認(rèn)識生物多樣性，深入研究、有效保護(hù)和可持續(xù)利用就很可能是一句空話。物種概念（species concept）是生物學(xué)家們持續(xù)關(guān)注的中心問題。物種概念決定物種劃分，而物種劃分的合理性關(guān)系到生物多樣性的研究、保護(hù)和可持續(xù)利用。本文把現(xiàn)有較流行的物種概念分為6類，并對它們予以述評后指出：雖然生物學(xué)物種概念、遺傳學(xué)物種概念、進(jìn)化物種概念、系統(tǒng)發(fā)生物種概念等從不同方面認(rèn)識了物種的客觀真實性和物種的本質(zhì)，但在實踐中都難以操作。絕大多數(shù)物種是由分類學(xué)家劃分的，但目前所有的分類學(xué)物種概念都包含有不同程度的主觀因素，從而造成物種劃分的人為性，對生物多樣性研究造成負(fù)面影響。因此，生物多樣性事業(yè)需要科學(xué)、可操作的物種概念。本文在吸收了生物學(xué)物種概念、遺傳學(xué)物種概念、進(jìn)化物種概念以及系統(tǒng)發(fā)生物種概念等的長處，也分析了它們的不足和問題的基礎(chǔ)上提出一個新的物種概念，即形態(tài)-生物學(xué)物種概念。最后，以芍藥屬（paeonia）幾個物種的處理為例，說明這一新的物種概念是可操作的，劃分的物種在形態(tài)上區(qū)別分明，易于鑒別。更重要的是，其結(jié)果得到基于25或26個單拷貝或寡拷貝核基因 DNA序列所作的系統(tǒng)發(fā)生分析的強(qiáng)有力支持。各個物種在系統(tǒng)發(fā)生樹上形成單系和獨立的譜系，表明其間各自形成獨立的基因庫，沒有基因交換，它們獨立進(jìn)化，有各自的生態(tài)位和獨立的分布區(qū)。因此，利用這一新的物種概念能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

來源出版物：生物多樣性, 2016, 24(9)：979-999

入選年份：2016

非模式生物轉(zhuǎn)錄組研究

劉紅亮，鄭麗明，劉青青，等

摘要：轉(zhuǎn)錄組代表細(xì)胞或組織內(nèi)全部的 RNA轉(zhuǎn)錄本（RNA transcripts），反映不同生命階段、不同組織類型、不同生理狀態(tài)以及不同環(huán)境條件下表達(dá)的基因。轉(zhuǎn)錄組研究可以從整體水平上反映細(xì)胞中基因表達(dá)情況及其調(diào)控規(guī)律。非模式生物（non-modelorganism）具有許多模式生物不具備的特征，其轉(zhuǎn)錄組研究對解決基因進(jìn)化、遺傳育種以及生態(tài)等諸多方面的問題具有重要意義。但由于非模式生物缺乏參考基因組信息，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)錄組研究方法操作復(fù)雜，實驗周期長，花費大，使得其轉(zhuǎn)錄組研究進(jìn)展緩慢。新一代高通量 RNA測序技術(shù)（RNA-seq）完全改變了轉(zhuǎn)錄組學(xué)的研究模式，迅速成為研究非模式生物轉(zhuǎn)錄組的先進(jìn)技術(shù)。文章詳細(xì)論述了近年來利用 RNA-seq技術(shù)進(jìn)行非模式生物轉(zhuǎn)錄組研究的進(jìn)展情況，從樣品準(zhǔn)備、高通量 DNA測序以及生物信息學(xué)分析等方面介紹了利用RNA-seq技術(shù)研究非模式生物轉(zhuǎn)錄組的一般流程及方法，并對其中有待進(jìn)一步研究的問題進(jìn)行了展望。廣義的轉(zhuǎn)錄組代表細(xì)胞或組織內(nèi)全部的RNA轉(zhuǎn)錄本，包括編碼蛋白質(zhì)的mRNA和各種非編碼RNA（rRNA、tRNA、microRNA等）。而狹義的轉(zhuǎn)錄組系指所有編碼蛋白質(zhì)的mRNA總和。轉(zhuǎn)錄組研究能夠從整體水平研究基因功能以及基因結(jié)構(gòu)，揭示特定生物學(xué)過程以及疾病發(fā)生過程中的分子機(jī)理，已廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)研究、臨床診斷和藥物研發(fā)等領(lǐng)域。隨著一系列模式生物（model organism）基因組測序的完成，功能基因組學(xué)的研究方興未艾。參照這些模式生物的參考序列（reference sequence），研究人員可以很方便的研究該物種的全基因組轉(zhuǎn)錄情況、不同個體之間的SNP差異、基因拷貝數(shù)差異等。而對于非模式生物而言，情況則不容樂觀。雖然具有許多模式生物缺少的有趣特征，且其轉(zhuǎn)錄組研究對解決基因進(jìn)化、遺傳育種以及生態(tài)等諸多方面的問題具有重要意義。

來源出版物：遺傳, 2013, 35(8)：955-970

入選年份：2016

丙二醛對離體草魚腸道黏膜細(xì)胞的損傷作用

姚仕彬，葉元土，蔡春芳，等

摘要：飼料油脂是水產(chǎn)飼料的重要組成部分，也是養(yǎng)殖魚類重要的能量來源。然而油脂容易發(fā)生氧化酸敗產(chǎn)生多種中間產(chǎn)物、終產(chǎn)物，魚類攝食油脂氧化產(chǎn)物后，生理生化功能會受到破壞，導(dǎo)致魚類生長緩慢。丙二醛（MDA）是油脂氧化酸敗重要的有毒有害物質(zhì)之一，如MDA可以與蛋白質(zhì)產(chǎn)生交聯(lián)作用，修飾蛋白，從而造成蛋白形態(tài)發(fā)生改變，導(dǎo)致細(xì)胞生理功能改變。腸道是飼料消化、吸收的主要器官且為抵御細(xì)胞與毒素的屏障，飼料中有害物質(zhì)首先會對腸道黏膜組織產(chǎn)生作用。研究氧化油脂對魚類腸道的損傷需要將其明確氧化產(chǎn)物分離進(jìn)行逐個研究，本實驗室已建立草魚腸道黏膜細(xì)胞（intestinal epithelial cells，IECs）分離和原代培養(yǎng)的技術(shù)方法，并利用分離培養(yǎng)的草魚腸道黏膜細(xì)胞研究了氧化豆油水溶物整體對腸道黏膜細(xì)胞的存活、生長、細(xì)胞形態(tài)和內(nèi)結(jié)構(gòu)具有全面性的損傷作用，作為油脂氧化后有毒有害物質(zhì)之一的 MDA，是否在氧化油脂損傷腸道黏膜細(xì)胞的過程起到重要的作用？目前關(guān)于MDA對魚類腸道損傷研究尚未見報道，其對腸道的損傷機(jī)理也尚不清楚。本實驗以MDA為實驗材料，在草魚腸道黏膜細(xì)胞培養(yǎng)液中加入不同濃度MDA，研究MDA不同劑量、不同作用時間下對腸道黏膜細(xì)胞生長、細(xì)胞形態(tài)及相關(guān)酶活性的變化，探索MDA對腸道黏膜細(xì)胞的損傷機(jī)制，為研究油脂氧化產(chǎn)物對魚類腸道操作機(jī)制提供基礎(chǔ)。以丙二醛為實驗材料，在草魚Ctenopharyngodon idella腸道黏膜細(xì)胞培養(yǎng)液中加入不同濃度丙二醛，研究丙二醛不同劑量、不同作用時間下對腸道黏膜細(xì)胞生長、細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)及相關(guān)酶活性的變化。結(jié)果顯示：添加（1.23～9.89）μmol/L丙二醛在3～9 h時顯著抑制了離體草魚腸道黏膜細(xì)胞生長及存活率，以6 h時抑制程度較為明顯，導(dǎo)致貼壁細(xì)胞減少，細(xì)胞集落面積減小，其中添加4.94 μmol/L丙二醛細(xì)胞胞漿內(nèi)脂肪滴沉積，空泡變性，同時線粒體腫脹，核固縮；丙二醛對細(xì)胞分化成熟有抑制，且增加細(xì)胞器膜的通透性，導(dǎo)致胞漿酶漏出；6 h時丙二醛處理組培養(yǎng)液中GSH-PX、T-A℃活力顯著降低（P＜0.05）。結(jié)果表明：添加（1.23～9.89）μmol/L丙二醛對草魚腸道黏膜細(xì)胞產(chǎn)生了損傷，表現(xiàn)為抑制細(xì)胞生長，改變細(xì)胞形態(tài)、結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)破壞，且作用程度與添加濃度、作用時間呈正相關(guān)關(guān)系。研究認(rèn)為丙二醛對草魚腸道黏膜細(xì)胞具有顯著性的損傷作用。

來源出版物：水生生物學(xué)報, 2015, 39(1)：133-141

入選年份：2016

CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)在病毒感染疾病治療中的應(yīng)用

殷利眷，胡斯奇，郭斐

摘要：CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)是基于細(xì)菌或古細(xì)菌CRISPR介導(dǎo)的獲得性免疫系統(tǒng)衍生而來，由一段RNA通過堿基互補(bǔ)配對識別DNA，指導(dǎo)Cas9核酸酶切割識別的雙鏈DNA，誘發(fā)同源重組或非同源末端鏈接，進(jìn)而實現(xiàn)在目的 DNA上進(jìn)行編輯。病毒通過特異的受體侵染細(xì)胞，其基因組在細(xì)胞內(nèi)發(fā)生復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯等過程完成其生活周期，某些 DNA病毒或逆轉(zhuǎn)錄病毒基因組會整合到宿主基因組中?；蛑委熓遣《靖腥炯膊≈委煹男纶厔?。因此，基因編輯技術(shù)在持續(xù)感染的病毒或潛伏感染病毒疾病治療中具有重大的潛在意義。文章主要從 CRISPR-Cas9作用機(jī)制以及在病毒感染疾病治療中的應(yīng)用等方面進(jìn)行了綜述。病毒感染是危害人類健康的主要威脅之一，與人類密切相關(guān)的有呼吸道病毒、肝炎病毒和艾滋病病毒等。目前應(yīng)對病毒感染的方法主要依賴疫苗防御和藥物治療。但是，對于很多病毒感染性疾病現(xiàn)在還沒有完全有效或徹底的治療方法，如艾滋病等。隨著全基因組測序技術(shù)的成熟和基因功能的研究，通過基因編輯進(jìn)行抗病毒治療成為可能。最初的基因編輯方法是利用玻璃管注射DNA到細(xì)胞核或者電轉(zhuǎn)DNA進(jìn)入細(xì)胞，進(jìn)入細(xì)胞核中的 DNA通過同源重組的方式插入到細(xì)胞基因組中，從而達(dá)到基因編輯的目的。但是，利用該方法將外源 DNA片段準(zhǔn)確插入到目的位置的效率很低。之后又出現(xiàn)了鋅指核酶（zinc-finger nuclease，ZFN）和轉(zhuǎn)錄激活樣效應(yīng)核酶（transcription activator-like effector nuclease，TALEN），這兩種核酸酶都是由經(jīng)過設(shè)計的、序列特異性的 DNA結(jié)合元件和非特異性的DNA切割結(jié)構(gòu)域結(jié)合而成的嵌合體，其作用機(jī)制分別是鋅指蛋白或者轉(zhuǎn)錄激活樣效應(yīng)蛋白衍生構(gòu)建的 DNA識別蛋白模塊和具有雙鏈DNA切割活性的FokⅠ核酸酶偶聯(lián)，特異的切割目標(biāo)雙鏈DNA，產(chǎn)生雙鏈斷裂DNA，然后激活細(xì)胞內(nèi)的同源重組（homology-directed repair，HDR）或者非同源末端鏈接（nonhomologous end joining，NHEJ），利用細(xì)胞自身的修復(fù)機(jī)制對 DNA進(jìn)行遺傳學(xué)修飾，大大提高了在目的區(qū)域發(fā)生刪除、錯配或插入突變的機(jī)率。

來源出版物：遺傳, 2015, 37(5)：412-418

入選年份：2016