The Promise of DNA Barcoding for Taxonomy

Čárové kódování DNA je nový systém určený k rychlé, přesné a automatizované identifikaci druhů pomocí krátkých standardizovaných genových oblastí jako vnitřních druhových značek. V důsledku toho zpřístupní linnéovský taxonomický systém, což bude přínosem pro ekology, ochránce přírody a různé agentury pověřené kontrolou škůdců, invazních druhů a bezpečnosti potravin. V širším měřítku umožňuje čárové kódování DNA představit si den, kdy každý zvídavý člověk, od profesionálních biologů až po školáky, bude mít snadný přístup k názvům a biologickým vlastnostem jakéhokoli druhu na planetě. Kromě přiřazování exemplářů ke známým druhům urychlí čárové kódy DNA tempo objevování druhů tím, že umožní taxonomům rychle třídit exempláře a upozorní na odlišné taxony, které mohou představovat nové druhy. Rozšířením svých schopností v těchto směrech nabízí čárové kódování DNA taxonomům možnost výrazně rozšířit a nakonec i dokončit globální soupis rozmanitosti života.

Přes potenciální přínos čárového kódování DNA pro praktiky i uživatele taxonomie je v některých vědeckých kruzích kontroverzní (Wheeler, 2004; Will a Rubinoff, 2004; Ebach a Holdredge, 2005; Will et al., 2005). Někteří dokonce charakterizovali DNA čárový kód jako „antitaxonomii“ a tvrdili, že jeho zavedení bude znamenat zánik systému, který se vytvářel 250 let. Domníváme se, že tato opozice pramení z mylných představ o úsilí o čárové kódování DNA. Proto vítáme tuto příležitost objasnit důvody i potenciální dopady čárového kódování DNA. V odpovědích na tento soubor otázek zdůrazňujeme četné pozitivní dopady tohoto přístupu na taxonomii a vědu o biologické rozmanitosti.

Otázky

Pokud byste měli k dispozici dvě miliardy amerických dolarů (částka, kterou by měl podle odhadů stát komplexní program čárového kódování DNA ), jak byste tyto peníze použili ve prospěch taxonomického výzkumu a výzkumu biologické rozmanitosti a jaký by byl odkaz těchto dat?

Tato otázka ignoruje nevyhnutelnou skutečnost; neexistuje žádná vyhlídka na jednorázový příliv 2 miliard dolarů na podporu jakéhokoli programu výzkumu biodiverzity. Takové výše investic může být nakonec dosaženo – ale pokud ano, bude to odrážet postupný a geograficky rozptýlený proces pozitivních rozhodnutí o financování, který bude do značné míry záviset jak na vědeckém pokroku, tak na společenské poptávce po identifikacích na úrovni druhů. Malý objem finančních prostředků, který byl dosud věnován na čárové kódy DNA, přinesl bohatou úrodu vědeckých poznatků. Tato skutečnost vedla nové organizace k poskytnutí podpory potřebné k prozkoumání rozšiřitelnosti těchto výsledků v celé živočišné říši. První a pozitivní výsledky této druhé vlny zkoumání nyní motivují větší výzkumné skupiny ke sdružování. Ve skutečnosti byly vytvořeny první aliance s celosvětovou působností, které vedou vývoj knihoven sekvencí čárových kódů pro všechny ptáky a ryby. Segmenty mnohem druhově bohatších skupin, jako jsou rostliny a motýli, jsou v raných fázích tohoto procesu (www.barcoding.si.edu). Tyto výzkumné skupiny mohou v delším časovém horizontu vytvořit jaderné jednotky potřebné k tomu, aby se iniciativa čárových kódů přesunula do oblasti „velké vědy“, kde úspěch závisí na spojení jasně formulovaného, společensky významného výzkumného programu se silnými mezinárodními výzkumnými aliancemi.

Je také důležité poznamenat, že snaha o rozsáhlou podporu čárových kódů DNA není prováděna na úkor taxonomického financování. Je totiž zřejmé, že každá úspěšná kampaň za získání této podpory povede k výraznému přílivu finančních prostředků pro instituce a jednotlivce zabývající se taxonomickým výzkumem. Celkově budou náklady spojené se sekvenováním DNA představovat jen malou část úsilí o čárové kódování DNA; většina finančních prostředků bude použita na celosvětové sběry, na péči o výsledné exempláře a na vývoj online databází obsahujících podrobné informace o nich. Kromě toho je třeba zdůraznit, že již získané finanční prostředky pocházejí od velkých nadací a vládních agentur a programů, které nemají tradici v podpoře taxonomického výzkumu, a že v některých případech návrhy na čárové kódování DNA přímo soutěžily s projekty lékařské a srovnávací genomiky, nikoliv s projekty souvisejícími s taxonomickým výzkumem. Z tohoto pohledu bude jakékoli rozsáhlé úsilí v oblasti čárového kódování DNA představovat značný finanční i vědecký přínos pro biodiverzitu a taxonomický výzkum. Zcela jistě zanechá trvalé dědictví v podobě komplexního, široce přístupného systému pro identifikaci druhů.

V celosvětovém měřítku je alfa taxonomický výzkum (objevování a popis nových druhů) v krizi. Je čárový kód DNA účelným řešením tohoto problému, nebo urychlí jeho úpadek?“

Podle našeho názoru není úpadek alfa taxonomie důsledkem rostoucího využívání molekulárních metod, jak se někdy naznačuje (Wheeler, 2004). Ve skutečnosti očekáváme, že čárové kódy DNA napomohou obnově taxonomie. Programy čárového kódování DNA jistě nasměrují nové finanční prostředky do sběru a katalogizace exemplářů. Stejně tak pomohou taxonomickému výzkumu tím, že pomohou odhalit kryptické druhy (Hebert et al., 2004a, 2004b), propojí pohlaví a životní stadia (Beskansky et al., 2003) a vyjasní problémy synonymie, které nyní spotřebovávají mnoho taxonomického úsilí (Alroy, 2002). Novost a vědecký příslib čárového kódování DNA navíc přitáhne zájem veřejnosti k otázkám taxonomie a biodiverzity, což povzbudí mladé vědecké pracovníky ke vstupu do oboru a akademické katedry i agentury pro biomanagement k jejich zaměstnávání.

Jsme přesvědčeni, že čárové kódování DNA bude hrát stále důležitější roli jako nástroj taxonomického screeningu díky své schopnosti rychle odhalit genetické diskontinuity, které běžně oddělují odlišné druhy (např. Janzen et al., 2005; Smith et al., 2005). Jeho použití tímto způsobem umožní převrátit standardní taxonomické přístupy, které fungují apriorním způsobem – hledají morfologické diskontinuity, které signalizují reprodukční izolaci mezi netříděnými soubory organismů. Naproti tomu čárové kódy DNA umožňují účinnější přístup a posteriori, kdy jsou předem definované, geneticky odlišné skupiny zkoumány z hlediska variability znaků. V tomto smyslu bude čárové kódování DNA zjevně mocným nástrojem pro alfa taxonomii.

Překrývající se variabilita znaků mezi druhy a uvnitř druhů je dobře zdokumentována u mnoha znakových systémů. Proč je to pro čárové kódování DNA větší nebo menší problém?“

Překrývání variability jednotlivých znaků není problematické pro žádný taxonomický systém, ať už morfologický nebo molekulární, pokud se pro diagnostiku taxonu používá více znaků. Jedním z častých nedorozumění v souvislosti s čárovým kódováním DNA je, že je založeno na jediném znaku, konkrétně na „jedné sekvenci DNA“. Ve skutečnosti oblast genu pro podjednotku I oxidázy cytochromu c (cox1 nebo COI) o délce 648 pb, která se používá jako standard čárového kódu DNA pro příslušníky živočišné říše, představuje složitý kompozitní znak zahrnující stovky nezávisle se měnících složek. Některé z těchto složek jsou neměnné, a proto není všech 648 bp informativních v rámci daného taxonomického souboru, ale většina z nich je variabilní. Například jsme zjistili variabilitu na 512 z 648 míst ve velkém souboru čárových kódů lepidopter (9715 sekvencí z 2215 druhů a 1047 rodů). To znamená, že i v rámci jednoho řádu hmyzu integrují čárové kódy DNA vzorce podobností a rozdílů mezi stovkami znaků. V jistém smyslu je to jako vzorování vytvářené šupinami na křídle můry – každá šupina nemá téměř žádný význam, ale složený znak vzoru zbarvení křídel je vysoce informativní.

Barkódování DNA pomocí jediné genové oblasti nezajišťuje úplné taxonomické rozlišení, ale slibuje blízkost. Na základě dřívějších výsledků u různorodých skupin živočichů poskytne čárové kódování DNA rozlišení na úrovni druhu v 95 až 97 % případů (Hebert et al., 2004b; Janzen et al., 2005; Ward et al., 2005). Pokud selže, zúží možnosti na malý počet příbuzných taxonů (které by v mnoha případech mohly být plně vyřešeny pomocí dalších genetických nebo jiných údajů). Tento působivý výkon odráží dvě důležitá a možná nečekaná pozorování: vzácnost sdílení mitochondriálních sekvencí mezi druhy a nedostatek hlubokých divergencí čárových kódů v rámci druhů. Omezená vnitrodruhová variabilita u různých skupin živočichů je klíčovým počátečním zjištěním úsilí o čárové kódy DNA; je to zjištění, které si zaslouží hlubší vědecké zkoumání. Je jisté, že cox1 vykazuje mnohem menší variabilitu v rámci druhů, než předpokládali někteří první kritici (např. Mallet a Willmott, 2003), a to může odrážet dopad selekčních zásahů souvisejících s koevolucí jaderného a mitochondriálního genomu. Důležité je, že pro použití čárových kódů jako identifikátorů na úrovni druhů se zdá, že rozdíly v čárových kódech se rychle kumulují, což umožňuje rozlišit všechny sesterské druhy kromě těch nejmladších.

Uvědomujeme si jak obecnou užitečnost genetických dat v taxonomických studiích, tak silnou shodu v taxonomických signálech z různých genů. Zdůrazňujeme však, že nic takového jako „neformální DNA barcoding“ neexistuje. Čárový kód DNA není jen tak nějaká sekvence DNA – je to přísně standardizovaná sekvence minimální délky a kvality z dohodnutého genu, uložená v hlavní sekvenční databázi a připojená k voucherovému exempláři, jehož původ a současný stav jsou zaznamenány. Ve skutečnosti již bylo stanoveno, že pouze ty sekvence cox1, které splňují tato přísná kritéria, budou označeny jako čárové kódy DNA v GenBank Národního centra pro biotechnologické informace (NCBI, GenBank; www.ncbi.nlm.nih.gov/Genbank), Evropské laboratoři molekulární biologie (EMBL; www.embl.org) a DNA Data Bank of Japan (DDBJ; www.ddbj.nig.ac.jp).

Existuje důležitý rozdíl mezi „popisem“ a „vymezením“ druhů, ale záměna těchto dvou pojmů vyvolala znepokojení ohledně používání čárových kódů DNA jako základu budoucích taxonomických popisů. Zdůrazňujeme, že cílem čárových kódů DNA je pouze pomoci při vymezování druhů – zvýraznit geneticky odlišné skupiny, které vykazují úroveň sekvenční divergence naznačující status druhu. Naproti tomu čárové kódy DNA samy o sobě nikdy nestačí k popisu nových druhů. V určité fázi budou jasně divergentní čárové kódy DNA v kombinaci s dalšími informacemi použity jako základ pro poskytnutí nového linnejského jména (Smith et al., 2005) a jako každá taxonomická hypotéza bude i tato podléhat průběžnému přehodnocování. Například při nedávném průzkumu severoamerických ptáků byl práh pro vymezení pravděpodobných nových druhů arbitrárně stanoven na 10× průměrnou vnitrodruhovou variabilitu celého souboru dat čárových kódů. To vedlo k odhalení čtyř pravděpodobných nových druhů (Hebert et al., 2004b), ale rozhodnutí o formálním uznání těchto taxonů je přiměřeně ponecháno na ornitologické komunitě (zejména stávající morfologické a behaviorální informace tyto nové hypotézy podporují). Synergii mezi DNA čárovým kódováním a studiem morfologické/ekologické diverzity dále ilustruje případ motýla skokana skřehotavého, Astraptes fulgerator, u kterého kombinovaný morfologický, přírodovědný a čárově kódovací přístup odhalil komplex 10 druhů v jedné malé oblasti Kostariky. Důležité je, že několik z těchto druhů vykazovalo relativně malou divergenci čárových kódů, ale spojení těchto informací se záznamy o larválních hostitelských rostlinách a morfologii osvětlilo celou diverzitu komplexu (Hebert et al., 2004a).

Navržené geny čárových kódů mohou selhat při obnově přesných druhových stromů. Má to význam pro čárové kódy DNA?“

Zdůrazňujeme, že čárové kódy DNA nemají za cíl obnovit fylogenetické vztahy; jejich cílem je spíše identifikovat známé druhy a pomoci při objevování nových. Navzdory této skutečnosti někteří odpůrci tvrdí, že čárové kódy DNA jako taxonomický přístup selhávají, protože ne vždy obnovují přesné stromy druhů (např. Will a Rubinoff, 2004). V této souvislosti je důležité zdůraznit, že na současné taxonomické zařazení je třeba pohlížet jako na hypotézy, nikoli jako na fakta. Vezměme si primární příklad, který nabízejí Will a Rubinoff (2004) ve své kritice čárových kódů DNA: totiž že čárové kódy DNA naznačují velmi blízkou příbuznost mezi můrou Simyra henrici a některými druhy rodu Acronicta (Hebert et al., 2003). Will a Rubinoff (2004:48) tvrdí, že toto zařazení znemožňuje „získat jakékoli taxonomické informace pod nadrodovou úrovní, dokonce ani příslušnost k rodu“. Domníváme se však, že tento případ spíše než o selhání čárového kódování DNA svědčí o schopnosti tohoto přístupu osvětlit taxonomické zařazení, které je třeba prověřit. Tradiční zařazení druhu S. henrici do samostatného rodu odráží skutečnost, že jeho dospělci mají světle žlutá přední křídla, která vykazují nápadnou odlišnost od šedočerných předních křídel druhů rodu Acronicta. Přesto morfologie larev, kresba předních křídel dospělců, ekologická nika a anatomie pohlavních orgánů naznačují, že S. henrici je blízce příbuzný s druhem Acronicta oblinata (D. Wagner, osobní sdělení), což potvrzují i čárové kódy DNA (obr. 1). Výrazné zbarvení předních křídel pravděpodobně odráží skutečnost, že larvy S. henrici se živí travinami, na rozdíl od stromových potravních zvyklostí typických druhů rodu Acronicta. Rychlý posun ve zbarvení křídel byl pravděpodobně způsoben přirozeným výběrem, který napomáhá přizpůsobení se substrátu během dospělosti. Tento konkrétní příklad tak ukazuje nejen schopnost čárového kódování DNA zpřesnit stávající taxonomické hypotézy, ale také poskytnout nový pohled na evoluční trajektorie (viz Janzen et al., 2005, pro další příklady týkající se tropických lepidopter).

Některé druhy nejsou mitochondricky monofyletické, sdílejí polymorfismy s nepříbuznými taxony. Jak to ovlivní identifikaci pomocí metody čárového kódování?

Ačkoli by teoreticky mohlo docházet k horizontální výměně mitochondrií mezi taxonomicky odlišnými organismy, důkazy pro ni nebyly nalezeny mezi tisíci živočišnými druhy, které byly nyní čárově kódovány. Byly pozorovány společné mitochondriální sekvence (a tedy i čárové kódy), ale pouze mezi blízce příbuznými druhy a pravděpodobně v důsledku probíhající hybridizace. Taxonomické dopady takového sdílení nejsou zdaleka katastrofální – omezují identifikaci na malý komplex příbuzných. Sdílené čárové kódy nepředstavují podstatný taxonomický problém, protože jsou neobvyklé a jejich dopady jsou partikulární.

Je třeba zdůraznit, že kritické testy sdílení mitochondriálních sekvencí mezi druhy je obtížné provést. Mnoho studií předpokládá, že nesrovnalosti mezi identifikacemi provedenými pomocí morfologických znaků a čárových kódů DNA signalizují chyby v datech čárových kódů. Před kritickým přijetím takových závěrů je zapotřebí silnější validace přiřazení na základě morfologie. Například Wahlberg et al. (2003) zaznamenali rozpory mezi morfologií a rozdíly v mitochondriální DNA u těsně příbuzného komplexu druhů motýlů, ale tento závěr by byl mnohem silnější, kdyby morfologická přiřazení potvrdilo nezávisle na sobě několik taxonomů (i když stále mohou odrážet chybnou taxonomickou hypotézu). Je třeba poznamenat, že slepé testy čárového kódování DNA byly provedeny při několika příležitostech. DNA barcoding skutečně prošel dvojitě slepými testy, při nichž si taxonom poskytující vzorky neuvědomil plnou rozmanitost druhů přítomných ve vzorku (tedy dokud další zkoumání inspirované výsledky barcodingu neodhalilo klíčové biologické rozdíly mezi nimi; např. Hebert et al., 2004a, 2004b). Poskytnutí empirických důkazů, že čárové kódy DNA jsou schopny konzistentní, přesné a jednoznačné identifikace, je klíčovým aspektem výzkumu čárových kódů a totéž by se mělo očekávat od alternativních přístupů.

Pokud někdy dojde k dokončení programu čárových kódů DNA, bude to znamenat začátek nebo konec taxonomického výzkumu a výzkumu biodiverzity a jaká bude role systematiků ve světě, kde se většina identifikací provádí pomocí „čárového kódu“?

Čárové kódy DNA zvýší rozsah a úspěšnost vědy o biodiverzitě tím, že výrazně zvýší přístup k identifikacím druhů. Automatizovaný systém založený na DNA osvobodí taxonomy od rutinních identifikací a umožní jim zaměřit své úsilí na nové sběry, popisy a hodnocení taxonomických vztahů. Někteří odpůrci čárového kódování DNA argumentovali tím, že rutinní identifikace tvoří jen menší část práce taxonomů (Lipscomb et al., 2003; Wheeler, 2004; Will a Rubinoff, 2004), zatímco jiní chválili potenciální užitečnost automatizovaných identifikačních systémů, ale pouze pokud jsou založeny na morfologii (Gaston a O’Neill, 2004; Wheeler, 2004). Jsme přesvědčeni, že identifikace druhů je rychlostně limitujícím krokem pro mnoho ekologických a biodiverzitních výzkumů, stejně jako pro taxonomický výzkum, a že čárové kódy DNA proto ulehčí taxonomům a zároveň naplní aktuální potřebu s významným přínosem pro taxonomii i vědu o biodiverzitě.

V čárově kódovaném světě si taxonomové zachovají svou vedoucí úlohu při sdružování, integraci a interpretaci poznatků o variabilitě stavu znaků, které vymezují druhy, a o tom, co z toho vyplývá pro taxonomii vyšší úrovně. Jak již bylo uvedeno dříve, jejich práce na nových skupinách života může být často urychlena použitím výsledků čárových kódů, které umožní a posteriori přístup k rozpoznávání druhů. Taxonomové budou samozřejmě i nadále využívat další molekulární a morfologické přístupy ke zkoumání hlubších taxonomických vztahů.

Bude nevyhnutelné rozšíření sekvenování, které by přišlo s programem čárového kódování DNA, doprovázeno poklesem kvality taxonomického výzkumu?

Bylo naznačeno, že sekvenování je pro taxonomy příliš drahé, obtížné nebo časově náročné (např, Dunn, 2003; Mallet a Willmott, 2003; Seberg et al., 2003). Jednotliví taxonomové však nemusí provádět vlastní sekvenování o nic více, než jednotliví fotografové musí vyvolávat vlastní fotografie. Barkódování se již posunulo do fáze „fotomatu“, kdy se ve velkoobjemových zařízeních pro čárové kódování (např. na University of Guelph, Kanada, a Smithsonian Institution, USA) analyzují desítky tisíc exemplářů za nízké náklady. Přímá „zátěž“ pro taxonomické spolupracovníky spočívá v pohánění analytického vlaku poskytováním malých vzorků tkání z identifikovaných, voucherovaných exemplářů, které mají být čárově kódovány. Jakmile mikrofluidní technologie v příštím desetiletí dozrají, lze očekávat vývoj cenově dostupných, uživatelsky přívětivých, kompaktních – i když ne kapesních – zařízení, která integrují všechny fáze od extrakce DNA přes analýzu sekvence čárového kódu k získání identifikace (posun k fázi „Polaroid“ v analogii s fotografií). Ačkoli lze očekávat, že se takové přístroje stanou standardním vybavením jak pro taxonomický výzkum, tak pro širší komunitu organizací a jednotlivců, kteří potřebují rychlý přístup k identifikaci druhů, rozhodně to neznamená, že se díky čárovému kódu stanou z taxonomů molekulární biologové.

Věříme, že nástroje, které poskytuje čárový kód DNA, přispějí k přísnosti při vytváření a testování taxonomických hypotéz. Taxonomie byla obecně prováděna pomocí diskontinuit v analogových (tj. odstupňovaných morfologických) znacích k odvození hranic druhů, což je přístup, který za 250 let vygeneroval celkem 1,7 milionu taxonomických hypotéz. Čárový kód DNA umožňuje tyto hypotézy testovat pomocí nezávislého digitálního (tj. na nukleotidech DNA založeného) toku dat. Přestože byla zjištěna dobrá shoda mezi druhy rozpoznanými pomocí morfologických přístupů s označeními založenými na čárových kódech, existují i neshody. Tyto případy je třeba uvítat, protože posílí taxonomické hypotézy i metody analýzy rozdílů v čárových kódech a mohou vést k novým objevům týkajícím se evoluce a ekologie. Všechny tyto výhody byly prokázány v počátečních snahách o čárové kódy.

Pokud se podaří překonat technické problémy čárových kódů DNA, je nyní nebo bude někdy použití čárových kódů DNA pro účely bioinventarizace nákladově efektivní ve srovnání s tradičními metodami?

Hlavní výhoda a důvod pro čárové kódy DNA spočívá v jejich nákladové efektivitě pro identifikaci druhů, zejména v ambiciózních bioinventarizačních a biomonitorovacích programech (Smith et al., 2005). V současné době stojí produkční systémy pro identifikaci i malé skupiny důkladně známých druhů pomocí morfologických přístupů přibližně 2 dolary za vzorek (např. programy monitoringu komárů, které se zabývají méně než 60 druhy; F. C. Hunter, osobní sdělení). Pokud se tým taxonomických specialistů zaměří na větší soubor druhů v určité geografické oblasti, náklady výrazně vzrostou a identifikace jednotlivých exemplářů může stát 50 až 100 USD, pokud jsou všechny náklady internalizovány. Dnes lze čárový kód DNA vytvořit za přibližně 5 USD za exemplář včetně práce a sekvenování – a očekává se, že tyto náklady budou prudce klesat. Časem mají programy čárových kódů DNA potenciál stát se soběstačnými tím, že budou za identifikaci vybírat malý poplatek a zároveň zachovají otevřený přístup pro akademické výzkumníky.

Náklady jsou pouze jedním z kritérií při hodnocení užitečnosti systému taxonomické podpory pro výzkum biodiverzity. Stejně důležitá je rychlost, spolehlivost a dostupnost a my se domníváme, že čárové kódy DNA v těchto oblastech vynikají. Naproti tomu i menší programy biomonitoringu založené na morfologii v současné době čelí velké výzvě, pokud jde o rychlé a nákladově efektivní poskytování výsledků. To může mít dramatické ekonomické důsledky, stejně jako současné potíže s identifikací invazních druhů v dostatečném předstihu, aby bylo možné potlačit jejich výskyt. Přesto by ekonomický přínos vyloučení byť jediného škodlivého invazního vetřelce, jako je například slávka zebřička ze Severní Ameriky, stačil po deseti letech na zakódování většiny živočišných druhů na Zemi.

Souhlasíme s tím, že v soutěžích o financování v malém měřítku dominuje věda založená na hypotézách a že taxonomie si vede špatně kvůli své povaze založené na objevech. Na druhou stranu každá „velká vědecká“ iniciativa – od subatomární fyziky přes lidský genom až po výzkum vesmíru – byla založena na objevech, a to bude aréna financování, v níž bude globální program čárového kódování DNA fungovat, pokud se postaví této výzvě. Stejně jako většina ostatních velkých vědeckých projektů se i čárové kódování DNA setkalo s tvrzeními, že „není vědou“ a že ohrožuje schopnost menších laboratoří provádět výzkum založený na hypotézách. V minulých případech se taková tvrzení vždy ukázala jako krátkozraká. Opakovaným zjištěním je, že rozsáhlé vědecké objevy roztáčí hypotézy ve zběsilém tempu a odhalují cesty zkoumání, které nebylo možné nikdy předvídat. V tomto smyslu se mnohé výtky vůči čárovému kódování DNA pozoruhodně podobají těm, které byly před deseti lety vzneseny vůči projektu lidského genomu.

Čárové kódování DNA již úspěšně přilákalo značné finanční prostředky od různých agentur a organizací, které nebyly tradičními sponzory taxonomie, ale toho nebylo dosaženo prodejem „taxonomie“ jako takové. Iniciativa čárového kódování DNA naopak podporuje vizi široce přístupného soupisu rozmanitosti života. Podporu pro celosvětovou iniciativu v oblasti biologické rozmanitosti lze získat pouze zdůrazněním přínosů pro společnost a vyvoláním zájmu u veřejnosti, která platí daně. To samozřejmě neznamená, že se taxonomie stane „high-tech odvětvím služeb“ pro ostatní biology, jak někteří naznačují (např. Lipscomb et al., 2003; Wheeler, 2004; Will a Rubinoff, 2004). Hlavním cílem čárového kódování DNA je umožnit většině biologů, kteří nejsou taxonomy – a vlastně komukoli – přímý přístup k taxonomickým informacím a zároveň umožnit profesionálním taxonomům soustředit se na vytváření dalších takových znalostí.

Poziční prohlášení

Snahy o inventarizaci diverzity eukaryot pomocí morfologických analýz se těší velkému úspěchu. Vytvoření téměř dvou milionů taxonomických hypotéz za posledních 250 let je impozantní výkon, který poskytl základní znalosti o biologické rozmanitosti, ale mnoho detailů ještě čeká na objasnění. Čárový kód DNA může pomoci při inventarizaci života tím, že urychlí objevování druhů, ověří současné taxonomické hypotézy a usnadní identifikaci druhů. Tyto přínosy nebudou realizovány na úkor základních taxonomických hodnot nebo financování. Cílem čárového kódování DNA není opustit „morfologické studie ve prospěch úzkého a zcela molekulárního identifikačního systému“ (Will a Rubinoff, 2004: 47). Spíše usiluje o vytvoření aliance mezi molekulárními a morfologickými taxonomy (Hebert a Barrett, 2005). Stejně tak usiluje o zachování linnéovských principů, podle nichž jsou druhy pojmenovávány a klasifikovány. DNA čárové kódy vyžadují pro kalibraci existující, morfologicky odvozená jména druhů, a právě tato jména se obnovují, když se čárové kódy používají pro identifikaci.

Všeobecně se uznává, že studium biodiverzity je značně podfinancované (Godfray, 2002). Není snadné to přičítat tématu zkoumání, protože věda o biodiverzitě je důležitá a přitahuje velký zájem veřejnosti. Tato oblast výzkumu však trpí kulturou konfliktu. Spíše než navazování velkolepé spolupráce má komunita zabývající se biodiverzitou tradici polarizace a vnitřních bojů. Barcoding DNA není cizí invektivám – byl označen za „teoreticky prázdnou technologii“ a za „salonní trik“ (Wheler, 2004; Will et al., 2005). Spojení takových komentářů s útoky ad hominem na zastánce čárového kódování DNA nepřináší této disciplíně mnoho dobrého.

Někteří kritici obviňují přístup čárového kódování DNA ze zásadních chyb, ale dostupné údaje vypovídají o něčem zcela jiném: úspěch čárového kódování DNA je zatím překvapivě působivý. Jak uvádí Smith (2005), v testu provedeném na konferenci PEET si čárové kódování vedlo dobře. Ještě důležitější je, že řada studií nyní zkoumá účinnost čárového kódování DNA v druhových společenstvech z různých geografických prostředí a z mnoha taxonomických skupin s odlišnou životní historií a evolučními znaky. V důsledku těchto testů citlivosti jsou nyní k dispozici záznamy čárových kódů pro více než 13 000 živočišných druhů (a rychle se hromadí) a odhalují rozlišení, které není iluzí (www.barcodinglife.org). Ve skupině za skupinou přesahuje úspěšnost identifikace druhů 95 % a těch několik málo případů zhoršeného rozlišení se týká neschopnosti rozlišit malou skupinu blízce příbuzných druhů (Hebert et al., 2004a, 2004b; Hebert et al., nepublikováno). Typické výsledky se podobají výsledkům na obrázku 1, který ukazuje vzorce divergence čárových kódů DNA pro 31 druhů rodu Acronicta, jednoho z nejrozmanitějších rodů lepidopter v Severní Americe. V tomto případě není prokázáno sdílení sekvencí mezi taxony, které by se dalo očekávat, pokud by docházelo k hybridizaci nebo pokud by druhy byly příliš mladé na to, aby se daly rozlišit. Místo toho dochází k čistému oddělení druhů se soudržností čárových kódů u konspecifických druhů, i když pocházejí z odlišných lokalit ve východní části Severní Ameriky.

Na výsledcích čárových kódů u rodu Acronicta není nic výjimečného – studie půdních bezobratlých z Arktidy a lepidopter z tropů vykazují podobnou úspěšnost v rozlišení druhů (Hogg a Hebert, 2004; Janzen et al., 2005). Tento výkon se rozšiřuje i do mořského prostředí: studie čárových kódů, která zkoumala více než 200 morfologicky definovaných druhů australských ryb, dosáhla 100% úspěšnosti při jejich rozlišování (Ward a kol., 2005). Testy citlivosti přes desetinásobné gradienty v rychlosti mitochondriální evoluce odhalily vysokou úspěšnost při identifikaci druhů ze skupin hmyzu s nejnižší i nejvyšší rychlostí evoluce (Ball et al., 2005; Smith et al., 2005). Posuny ve složení nukleotidů mitochondriálního genomu podobně neovlivňují rozlišení DNA barcodingu, což dokládá úspěšnost u skupin, jako jsou ptáci, s vysokým složením G+C a u jiných, jako jsou pavouci, s extrémní odchylkou A+T (Hebert et al., 2004b; Barrett a Hebert, 2005).

Pokud tyto minulé studie odrážejí obecnou výkonnost čárových kódů v celé živočišné říši, bude komplexní systém založený na cox1 poskytovat taxonomické rozlišení přesahující 99,99 % z pohledu celé říše. Abychom to pochopili, stačí si představit každou z 10 000 jamek na obrázku 2 jako úložiště dat čárových kódů jednoho druhu. Za předpokladu, že existuje 10 milionů živočišných druhů, by knihovnu čárových kódů pro tuto říši mohlo představovat pouhých 1000 těchto stránek. Celosvětová avifauna, kterou tvoří asi 10 000 druhů ptáků, bude zabírat pouze jednu z těchto stránek. Záznamy čárových kódů pro světové ryby zaberou tři stránky, zatímco brouci zaplní několik set stránek. Jakmile bude všech 10 milionů důlků zaplněno údaji z čárových kódů, analýza každé nové sekvence čárového kódu umožní okamžitý přesun na správnou stránku z 1000, což zajistí rozlišení 99,9 %. Ve skutečnosti, na základě údajů pro severoamerické ptáky, sekvence čárového kódu poskytne dokonalé rozlišení tím, že v 96 % případů povede k jednotlivým druhovým jamkám na jediné stránce ptáka. Ve zbývajících případech bude nově získaný čárový kód odpovídat sekvencím ve dvou nebo třech sousedních jamkách. Souhrnně řečeno, krátký čárový kód srazí nejistotu v druhové identitě kteréhokoli z 10 milionů druhů na jediný druh ve většině případů a na malou podmnožinu blízce příbuzných druhů v ostatních případech.

V současné době je zajištěno financování, které zajistí, že se knihovna čárových kódů DNA pro živočichy v příštích 5 letech rozroste nejméně o 500 000 záznamů, což poskytne pokrytí pro přibližně 50 000 druhů. I když to zdaleka nebude kompletní registr druhů, umožní to, aby čárové kódy DNA fungovaly jako účinný identifikační nástroj pro ty taxonomické skupiny, které mají komplexní záznamy čárových kódů. Například s tím, jak se bude blížit dokončení pokrytí čárovými kódy ryb, ptáků a škodlivého hmyzu, bude zajištěn volný přístup k identifikaci těchto druhů bez ohledu na životní stadium nebo stav. Jakmile se k tomuto jádru druhových záznamů připojí čárové kódy dalších živočichů, vznikne globální identifikační systém pro tuto říši života.

Přestože se domníváme, že obecnost čárových kódů byla nyní prokázána pro živočišnou říši, zůstává potřeba vytvořit i vyhodnotit protokoly čárových kódů pro ostatní říše života. Základní principy analýzy čárových kódů (minimalizace a standardizace cílových sekvencí) jsou jistě použitelné i pro tyto organismy, ale výběr genových oblastí a testování jejich účinnosti stále probíhá, i když první výsledky u rostlin (Kress et al., 2005) a protistů (G.W. Saunders, osobní sdělení) poskytují důvod k optimismu. Kromě úspěchu při oddělování známých druhů bude čárové kódování DNA mocným pomocníkem při řešení dalších taxonomických otázek. Přehlížené druhy jsou pravidelně odhalovány, a to i u dobře prostudovaných skupin, jako jsou severoameričtí ptáci (Hebert et al., 2004b), motýli (Hebert et al., 2004a) a hedvábnice (Janzen et al., 2005). Jeho úloha při spojování životních stadií (Beskansky et al., 2003) a pohlaví (Janzen et al., 2005) a při objasňování synonym bude nápomocná i při mnoha dalších taxonomických výzkumech.

Aktivizace každého významného vědeckého programu vyžaduje nejen silné vědecké zdůvodnění, ale i prokázání společenské relevance. Čárový kód DNA vykazuje takovou relevanci tím, že poskytuje nový přístup k identifikacím v různých souvislostech. Úsilí o zachování života je v současné době omezeno potřebou identifikačního systému a my se domníváme, že tuto potřebu může splnit pouze čárové kódování DNA (viz také Smith et al., 2005). Schopnost čárových kódů identifikovat fragmenty života má široké využití, od řešení případů záměny druhů na trhu (Marko et al., 2004) až po ochranu potravinové bezpečnosti například prostřednictvím screeningu krmiv pro přežvýkavce. Obecněji řečeno, schopnost čárového kódování DNA poskytovat identifikaci rychle a levně má potenciál revolučně změnit vztah lidstva k biologické rozmanitosti (Janzen, 2004).

Pokud bude čárové kódování DNA probíhat ve velkém měřítku, bude generovat důležité vedlejší produkty pro vědeckou komunitu. Všechny extrakty DNA získané při analýze čárových kódů voucherovaných exemplářů budou uloženy, což umožní budoucí snahy o zkoumání vzorců sekvenční diverzity v jiných genových oblastech, a sbírkové programy podnícené čárovým kódováním DNA rozšíří počet exemplářů dostupných pro morfologickou analýzu. Iniciativa čárových kódů rovněž vytvoří webový systém, který bude poskytovat nejen automatické identifikace, ale také portál s biologickými informacemi o všech druzích zahrnutých do registru. Ačkoli čárové kódy DNA nevytvoří „encyklopedii života“, vytvoří její rejstřík a obsah.

Vzhledem k pozitivním vědeckým výsledkům i uznávaným společenským přínosům roste nadšení pro rozsáhlou iniciativu čárových kódů DNA. Dvě setkání v Cold Spring Harbor v průběhu roku 2003 vyjasnila plány činnosti (Stoeckle, 2003) a následovala další setkání. Posledního z nich, které hostilo Přírodovědné muzeum v Londýně, se zúčastnilo více než 230 vědců (Marshall, 2005). Hnutí za čárový kód má také ústřední organizační sílu: Konsorcium pro čárový kód života (Consortium for the Barcode of Life, CBOL), které hostí Smithsonian Institution ve Washingtonu a které bylo založeno v polovině roku 2004. K CBOL se již připojilo více než 80 organizací z 25 zemí, včetně mnoha významných muzeí(www.barcoding.si.edu). Pod její záštitou byly aktivovány první celosvětové kampaně na tvorbu čárových kódů; jejich součástí jsou plány na vytvoření čárových kódů všech 10 000 druhů ptáků a všech 15 000 mořských ryb do roku 2010. Je zřejmé, že pro řešení takovýchto velkých projektů je třeba rozšířit činnost nad rámec jednotlivých laboratoří, a proto vznikají národní sítě čárových kódů, které vytvářejí dodavatelské řetězce vzorků a dohlížejí na základní analytická zařízení. První z nich, Canadian Barcode of Life Network (Kanadská síť čárových kódů života), která byla aktivována v květnu 2005 (www), má v úmyslu během příštích pěti let opatřit čárovým kódem nejméně 10 000 kanadských živočišných druhů.

Vnímáme tyto známky rostoucí součinnosti mezi různými sektory komunity zabývající se biodiverzitou jako velmi nadějné. Pokud se plně rozvinou, může historie považovat čárové kódy DNA za podnik, který nejen zlepšil přístup k taxonomickým informacím, ale také posílil spojenectví mezi všemi, kdo mají zájem na dokumentaci, pochopení a ochraně biologické rozmanitosti – což je skutečně vzrušující vyhlídka.

Poděkování

Děkujeme Marku Stoecklemu a Danu Janzenovi za cenné revizní návrhy k dřívějším verzím tohoto článku. Jsme také velmi vděční nadaci Gordon and Betty Moore Foundation, NSERC, CFI a OIT za podporu výzkumu čárového kódu DNA na University of Guelph.