提高生物多样性样本库中遗传资源的可持续利用水平

美国亚利桑那大学的E. J. Tuschhoff与堪萨斯大学的Carl R. Hutter和Richard E. Glor对生物多样性样本库中遗传资源的使用进行了研究。现将他们就此研究发表的论文摘译如下。
 

　　生物多样性样本收藏库中保存的遗传资源对于科学研究至关重要，因为从这样的库中可以迅速且跨越分类、时间和空间地获取大量样本，包括那些今天已经很难甚至无法从其他地方得到的样本。但是，越来越多的研究者越来越依赖于样本库的遗传资源，这也带来了巨大的挑战，因为当前这些遗传资源的使用方法是不可持续的。在大多数情况下，请求获得遗传资源的研究人员会获得一块组织，该组织是从永久保存样本中取出的子样本。在提取所需DNA的过程中，子样本会被破坏，提取后剩余的物质会被丢弃。因此，每一次遗传资源的使用请求都会导致样本消耗，如果不加以控制，将导致样本完全耗尽和这些资源的永久丧失。由于一些样本组织的数量非常少，因此某些遗传资源在永久丧失之前只能提供给一个或少数几个研究人员使用。在当前物种灭绝危机日益严重、科学收藏的法规日益严格的情况下，从野生标本中补充样本越来越困难。因此，制定相关规程来提高这些资源的可持续利用水平非常重要。

 

　　由于绝大多数使用遗传资源样本的请求都涉及DNA测序，因此从保藏的样本组织中提取DNA的协议显然是重点。大部分生物多样性样本收藏的目的是为研究人员提供足够进行2次DNA提取的遗传组织材料，但是收藏管理人员和研究人员通常并不知道样本组织的最佳提取量，因为很少有人研究过样品的年龄、保存方法、提取方法、组织类型和样品的大小与DNA的提取量、浓度（concentration）和质量的关系。在生物多样性样本收藏满足了遗传物质的获取要求时，即使是已知对提取有影响的参数也很少被量化。例如，虽然已经知道样本组织的质量（mass）与提取成功与否有密切关系，与提取的DNA浓度也有关联，但是收藏管理人员和研究人员在提取组织样本时通常只是靠粗略的目测估计，而很少对样本的大小或质量数据进行量化。很少有人在DNA提取之前对组织质量进行标准化，只是在实验中对各种方法进行比较。在发表的文章中，研究人员也多是定性地用“两小块”等说法来介绍所使用的原材料数量。

 

　　本研究的目的是制定指南，以便以更加可持续的方式利用生物多样性样本收藏中的遗传资源，研究的重点是如何确定从两栖动物组织样品中提取DNA的最佳数量。我们通过第1个实验测试了大多数人使用的粗略目测估计组织质量或大小的采样方法是否能够始终如一地得到足够的DNA用于后续的测序。在第2个实验中，我们通过对一系列已知质量的样品进行控制提取来找到效率最佳的样品组织质量。在第3个实验中，我们测试了重复成功提取子样本的稳定性，这似乎可以既优化产量，同时又最大程度地减少单次提取的样本消耗。在第4个也是最后一个实验中，我们测试了我们的实验方案是否适用于从1984年到2001年25年间的样品，因为研究人员很可能需要使用各种年龄段的组织。过去关于动物骨骼和植物组织的研究尚未顾及到DNA产量（DNA yield）与样本组织年龄之间的显著相关性，据我们所知，以前发表的研究还不曾用低温保存的脊椎动物软组织对年龄和总DNA产量之间的相关性进行试验。然而一项关于爬行动物标本的研究发现，随着组织年龄的增加，恢复序列的长度会显著减小。

 

　　通过实验对目前从生物多样性收藏中的组织样本二次采样提取DNA的方法进行分析，结果发现，使用2～8mg组织提取是最有效的方法，并且未发现DNA产量与组织年龄之间有强相关性。我们的研究提出了2条关于改善生物多样性样本库中遗传资源可持续利用的具体建议。第1条建议是可以对现有的样本借出程序进行相对较小的调整来实现，而第2项建议则需要对生物多样性样本库为研究人员提供遗传资源的途径方面做出重大改变。

 

　　首先，我们详细讨论了为研究人员提供已知质量（mass）的组织样本的潜在价值。通过将提供给研究人员的子样本质量进行统一，借出机构就能够更好地确保为研究人员提供足够的材料，同时也能够就如何对有限的资源进行破坏性取样做出更明智的决定。

 

　　提出第2条建议的原因是我们发现即使是非常少量的组织通常也可以提供比大多数应用所需数量更多的DNA。例如，我们发现8 mg的二次取样组织样本产生的DNA量往往是全基因组鸟枪法测序所需DNA量的13倍以上。在大多数情况下，研究人员获得的过量DNA会被丢弃。虽然可以提出退还未使用DNA的要求，但因为很难执行，所以实际上很少出现退还的情况。目前的做法是只向研究人员提供非常小的组织样本供单个测序项目使用，造成有限的资源不能得到最有效的利用。我们发现，堪萨斯大学的爬虫样本在经过多次提供后，目前几乎已经全部用尽。在许多情况下，这些研究人员仅对一个或几个基因位点进行测序，这意味着为他们提供样本量远多于他们的实际需要，使得这些无法弥补的遗传资源被无谓地浪费了。

 

　　改变这种效率极低的资源使用方式的一种方案是不再向研究人员直接提供样本组织的二次取样样本，而改为根据具体情况提供适量的DNA提取物。例如，针对一个利用桑格测序法对1个或2个基因位点测序的项目，生物多样性样本库可以向研究人员发放50～100 ng的DNA提取物，而不再提供含有10 000 ng DNA的破坏性二次采样组织。这种做法不会导致研究人员丢弃大量的DNA，而且有利于满足后续的提取要求。但是这样做需要由生物多样性样本库管理人员以定量的方式提取DNA，然后将适当数量的DNA提供给有需要的研究人员，同时还要求生物多样性样本库不仅收藏组织样本，而且还要收藏提取的DNA基因组。

 

　　尽管这种方法可以使有限的资源更可持续地得到利用，但会大幅增加成本。首先，生物多样性收集人员需要提取和量化 DNA，而不能像以前那样仅仅发放组织样本。在许多情况下，负责制备组织样本的工作人员不具备必要的专业知识，没有时间，也无法使用实验室设施。其次，将提取的DNA保藏也需要新的规程和设施。是否值得付出这些成本取决于样本材料的数量以及研究人员对样本材料的使用程度。就堪萨斯大学的爬虫样本而言，现在的做法是仅向研究人员提供其所需的DNA基因组提取物，因为我们发现目前的样本存量已很少甚至没有。我们建议其他有遗传资源过度使用问题的生物多样性样本库考虑采用类似的方法，这样可以从根本上提高遗传资源可持续利用水平。（周吉仲）

 

来源：中国工程科技知识中心林业分中心、国家林业和草原局知识产权研究中心