Kod kreskowy DNA pyłku
Kod kreskowy DNA pyłku to proces identyfikacji gatunków roślin będących dawcami pyłku poprzez amplifikację i sekwencjonowanie określonych, konserwatywnych regionów roślinnego DNA . Możliwość dokładnej identyfikacji pyłków ma szeroki zakres zastosowań, chociaż w przeszłości było to trudne ze względu na ograniczenia mikroskopowej identyfikacji pyłków.
Pyłek zidentyfikowany za pomocą kodów kreskowych DNA obejmuje specyficzne ukierunkowanie na regiony genów, które występują w większości wszystkich gatunków roślin, ale wykazują duże zróżnicowanie między przedstawicielami różnych gatunków. Unikalna sekwencja par zasad dla każdego gatunku w tych regionach docelowych może być wykorzystana jako cecha identyfikująca.
Zastosowania kodów kreskowych DNA pyłków obejmują kryminalistykę , bezpieczeństwo żywności i konserwację . Każda z tych dziedzin czerpie korzyści z tworzenia bibliotek referencyjnych kodów kreskowych roślin. Biblioteki te różnią się głównie wielkością i zakresem swoich zbiorów, a także regionami docelowymi, w których się specjalizują.
Jednym z głównych wyzwań związanych z identyfikacją pyłku jest to, że jest on często zbierany jako mieszanina pyłków kilku gatunków. Metabarcoding to proces identyfikowania DNA poszczególnych gatunków z mieszanej próbki DNA i jest powszechnie stosowany do katalogowania pyłków w mieszanych obciążeniach pyłkowych znalezionych na zwierzętach zapylających oraz w DNA środowiskowym (zwanym także eDNA), które jest DNA ekstrahowanym bezpośrednio ze środowiska, np. próbki gleby lub wody.
Zalety
| Część serii o |
| kodowaniu kreskowym DNA |
|---|
|
| Według taksonów |
| Inny |
Niektóre z głównych ograniczeń identyfikacji mikroskopowej to wymagania dotyczące wiedzy i czasu. Identyfikacja pyłku za pomocą mikroskopii wymaga wysokiego poziomu wiedzy specjalistycznej w zakresie właściwości pyłkowych konkretnych badanych roślin. Przy wiedzy specjalistycznej dokładna identyfikacja pyłku z wysoką rozdzielczością taksonomiczną może być nadal niezwykle trudna . Umiejętności wymagane do wykonywania kodów kreskowych DNA są znacznie bardziej powszechne, co ułatwia przyjęcie tego podejścia. Kodowanie kreskowe DNA pyłku to technika, która zyskała na popularności ze względu na obniżone koszty związane z technikami „sekwencjonowania nowej generacji” (NGS) i jest stale ulepszana pod względem wydajności, w tym dzięki zastosowaniu podejścia z podwójnym indeksowaniem. Niektóre z innych głównych zalet obejmują oszczędność czasu i zasobów w porównaniu z identyfikacją mikroskopową. Identyfikacja pyłku jest czasochłonna i wymaga rozprowadzenia pyłku na szkiełku, barwienia pyłku w celu poprawy widoczności, a następnie skupienia się na poszczególnych ziarnach pyłku i identyfikacji ich na podstawie wielkości, kształtu, a także kształtu i liczby porów. Jeśli biblioteka referencyjna pyłków nie jest dostępna, pyłek należy zbierać z dzikich okazów lub z zielnikowych , a następnie jest dodawany do biblioteki referencyjnej pyłków.
Rzadkie rośliny odwiedzane przez niektóre owady zapylające mogą być trudne do określenia, używając kodów kreskowych DNA pyłków, naukowcy mogą odkryć „niewidzialne” interakcje między roślinami a zapylaczami.
Wyzwania
Istnieje wiele wyzwań, jeśli chodzi o genetyczne kody kreskowe pyłku. Proces amplifikacji , w tym pochodzące z zanieczyszczeń do próbki. Ścisłe procedury zapobiegające zanieczyszczeniu są ważne i mogą być ułatwione dzięki odporności powłoki pyłkowej, co pozwala na wypłukanie pyłku z zanieczyszczeń bez uszkadzania wewnętrznego DNA pyłku.
Biblioteki referencyjne kodów kreskowych DNA wciąż są budowane, a standaryzowane regiony docelowe są stopniowo przyjmowane. Wyzwania te są prawdopodobnie spowodowane nowością kodów kreskowych DNA i prawdopodobnie poprawią się wraz z szerszym przyjęciem kodów kreskowych DNA jako narzędzia używanego przez taksonomów.
Określenie ilości każdego czynnika przyczyniającego się do mieszanego obciążenia pyłkiem może być trudne do określenia przy użyciu kodów kreskowych DNA. Jednak naukowcy byli w stanie porównać ilości pyłków według kolejności.
Alternatywy
Innowacje w zautomatyzowanej mikroskopii i oprogramowaniu do obrazowania oferują jedną potencjalną alternatywę w identyfikacji pyłków. Korzystając z oprogramowania do rozpoznawania wzorców, naukowcy opracowali oprogramowanie, które może charakteryzować mikroskopijne obrazy pyłków na podstawie analiz tekstury.
Regiony docelowe
Było kilka różnych regionów roślinnego DNA, które zostały użyte jako cele dla genetycznego kodowania kreskowego, w tym rbcL, matK, trnH-psbA, ITS1 i ITS2. Kombinacja rbcL i matK jest zalecana do stosowania w kodach kreskowych roślinnego DNA. Stwierdzono, że trnL jest lepszy dla zdegradowanego DNA, a ITS1 jest lepszy dla różnicowania gatunków w obrębie rodzaju.
Aplikacje
Zastosowanie w sieciach zapylających
Możliwość identyfikacji pyłku jest szczególnie ważna w badaniu sieci zapylania , na które składają się wszystkie interakcje między roślinami i zwierzętami, które ułatwiają ich zapylanie. Identyfikacja pyłku przenoszonego przez owady pomaga naukowcom zrozumieć, jakie rośliny odwiedzają poszczególne owady. Owady mogą również mieć cechy homologiczne, co utrudnia ich identyfikację, a czasami same są identyfikowane za pomocą genetycznych kodów kreskowych (zwykle regionu CO1). Każdy owad, który odwiedza kwiat, niekoniecznie jest zapylaczem. Wiele z nich nie ma cech, takich jak włosy, które pozwalają im przenosić pyłek, podczas gdy inne unikają zapylonych pylników w celu kradzieży nektaru. Sieci zapylania są dokładniejsze dzięki uwzględnieniu tego, jaki pyłek jest przenoszony przez które owady. Niektórzy naukowcy twierdzą, że skuteczność zapylania (PE), mierzona poprzez badanie szybkości kiełkowania nasion wyprodukowanych z kwiatów odwiedzonych tylko raz przez jedno zwierzę, jest najlepszym sposobem określenia, które zwierzęta są ważnymi zapylaczami, chociaż inni naukowcy wykorzystali kody kreskowe DNA do określić genetyczne pochodzenie pyłku występującego na owadach i argumentowali, że w połączeniu z innymi cechami jest to dobry wskaźnik skuteczności zapylania. Badając skład i strukturę sieci zapylających, obrońcy przyrody mogą zrozumieć stabilność sieci zapylania i określić, które gatunki są najważniejsze, a które są najbardziej narażone na zakłócenia prowadzące do spadku liczebności zapylaczy.
Kolejną zaletą kodów kreskowych DNA pyłków jest to, że można je wykorzystać do określenia źródła pyłku znalezionego na muzealnych okazach owadów, a te zapisy interakcji między owadami a roślinami można następnie porównać ze współczesnymi interakcjami, aby zobaczyć, jak zmieniły się sieci zapylania na przestrzeni lat czasu z powodu globalnego ocieplenia, zmiany użytkowania gruntów i innych czynników.
Kryminalni
Możliwość dokładnego zidentyfikowania pyłku znalezionego na dowodach pomaga badaczom medycyny sądowej określić, z których regionów pochodzą dowody na podstawie roślin endemicznych dla tych regionów. Ponadto naukowcy z powodzeniem wykryli pyłki atmosferyczne pochodzące z nielegalnych upraw konopi indyjskich , co w przyszłości może pozwolić funkcjonariuszom organów ścigania zawęzić obszary poszukiwań nielegalnych upraw.
Starożytny pyłek
Ze względu na wytrzymałą strukturę pyłku, który ewoluował, aby przetrwać transport czasami na duże odległości, zachowując nienaruszoną wewnętrzną informację genetyczną, pochodzenie pyłku znalezionego zmieszanego w starożytnych substratach można często określić za pomocą kodu kreskowego DNA.
Bezpieczeństwo żywności
Pszczoły miodne przenoszą pyłek, a także nektar używany do produkcji miodu. Ze względu na jakość i bezpieczeństwo żywności ważne jest zrozumienie pochodzenia roślinnego produktów pszczelich spożywanych przez ludzi, w tym miodu, mleczka pszczelego i granulek pyłku. Badacze mogą sprawdzić, które rośliny żerowały pszczoły miodne, a tym samym pochodzenie nektaru użytego w miodzie, zbierając pakiety pyłku z ładunków korowych pszczół miodnych i identyfikując pyłek za pomocą metabarkodów DNA .