Promisiunea codului de bare de ADN pentru taxonomie

Câteva specii nu sunt monofiletice din punct de vedere mitocondrial, împărtășind polimorfisme cu taxoni neînrudiți. Cum va afecta acest lucru identificările care utilizează o abordare prin coduri de bare?

Deși schimbul orizontal de mitocondrii între organisme diferite din punct de vedere taxonomic ar putea avea loc teoretic, nu s-au găsit dovezi în acest sens printre miile de specii de animale care au fost codificate cu coduri de bare în prezent. Au fost observate secvențe mitocondriale comune (și, prin urmare, coduri de bare), dar numai în rândul speciilor strâns înrudite și, probabil, ca rezultat al hibridării continue. Impactul taxonomic al unei astfel de partajări este departe de a fi catastrofal – acestea restrâng identificările la un complex mic de congeneri. Codurile de bare partajate nu reprezintă o problemă taxonomică substanțială, deoarece sunt neobișnuite și impactul lor este parohial.

Merită subliniat faptul că testele critice ale partajării secvențelor mitocondriale între specii sunt dificil de executat. Multe studii presupun că discrepanțele dintre identificările făcute cu ajutorul trăsăturilor morfologice și al codurilor de bare ADN semnalează defecte în datele codurilor de bare. Înainte de a accepta în mod critic astfel de concluzii, este necesară o validare mai puternică a atribuirilor bazate pe morfologie. De exemplu, Wahlberg et al. (2003) au raportat conflicte între morfologie și divergențele ADN mitocondrial într-un complex de specii de fluturi strâns aliate, dar această concluzie ar fi fost mult mai puternică dacă atribuirile morfologice ar fi fost confirmate independent de mai mulți taxonomiști (deși acestea ar putea reflecta în continuare o ipoteză taxonomică eronată). Trebuie remarcat faptul că testele oarbe ale codului de bare ADN au fost efectuate în mai multe rânduri. Într-adevăr, codurile de bare ADN au trecut teste dublu-orb, în care taxonomistul care a furnizat specimenele nu și-a dat seama de întreaga diversitate a speciilor prezente într-un eșantion (adică până când o examinare ulterioară inspirată de rezultatele codurilor de bare a dezvăluit diferențe biologice esențiale între acestea; de exemplu, Hebert et al., 2004a, 2004b). Furnizarea de demonstrații empirice că codurile de bare ADN sunt capabile de identificări consecvente, precise și lipsite de ambiguitate este un aspect esențial al cercetării în domeniul codurilor de bare, iar același lucru ar trebui să se aștepte și de la abordările alternative.

Dacă va avea loc vreodată finalizarea unui program de coduri de bare ADN, acest lucru va marca începutul sau sfârșitul cercetării taxonomice și a biodiversității și care va fi rolul sistematicienilor într-o lume în care majoritatea identificărilor se fac cu ajutorul „codului de bare”?

Codurile de bare ADN vor crește amploarea și succesul științei biodiversității prin creșterea considerabilă a accesului la identificările de specii. Un sistem automatizat bazat pe ADN îi va elibera pe taxonomiști de identificările de rutină, permițându-le să își îndrepte eforturile către noi colecții, descrieri și evaluări ale relațiilor taxonomice. Unii opozanți ai codului de bare ADN au susținut că identificările de rutină reprezintă doar o parte minoră a activității unui taxonomist (Lipscomb et al., 2003; Wheeler, 2004; Will și Rubinoff, 2004), în timp ce alții au lăudat utilitatea potențială a sistemelor automatizate de identificare, dar numai dacă se bazează pe morfologie (Gaston și O’Neill, 2004; Wheeler, 2004). Credem că identificările de specii sunt un pas care limitează ritmul pentru multe investigații ecologice și de biodiversitate, precum și pentru cercetarea taxonomică și că, prin urmare, codul de bare ADN va ușura atât o povară pentru taxonomiști, cât și va satisface o nevoie actuală cu beneficii importante atât pentru taxonomie, cât și pentru știința biodiversității.

Într-o lume cu coduri de bare, taxonomiștii își vor păstra rolul de lider în asocierea, integrarea și interpretarea cunoștințelor despre variația stării caracterelor care delimitează speciile și despre ceea ce implică acest lucru pentru taxonomia de nivel superior. După cum s-a menționat mai devreme, munca lor cu privire la noi ansambluri de viață poate fi adesea accelerată prin utilizarea rezultatelor codurilor de bare pentru a permite o abordare a posteriori a recunoașterii speciilor. Taxonomiștii vor continua, bineînțeles, să exploateze și alte abordări moleculare și morfologice pentru a explora relații taxonomice mai profunde.

Este posibil ca extinderea inevitabilă a eforturilor de secvențiere care ar veni odată cu un program de coduri de bare ADN să fie concomitentă cu o scădere a calității cercetării taxonomice?

S-a sugerat că secvențierea este prea scumpă, dificilă sau consumatoare de timp pentru taxonomiști pentru a o efectua (de ex, Dunn, 2003; Mallet și Willmott, 2003; Seberg et al., 2003). Cu toate acestea, taxonomiștii individuali nu sunt nevoiți să efectueze propria secvențiere mai mult decât sunt nevoiți fotografii individuali să își dezvolte propriile fotografii. Codul de bare a trecut deja la stadiul de „fotomate”, zeci de mii de specimene fiind analizate la costuri reduse în instalații de codare de bare de mare volum (de exemplu, la Universitatea din Guelph, Canada, și la Smithsonian Institution, SUA). „Sarcina” directă asupra colaboratorilor taxonomici implică alimentarea trenului analitic prin furnizarea de mici eșantioane de țesut de la specimene identificate și atestate pentru a fi supuse codului de bare. Pe măsură ce tehnologiile microfluidice se vor maturiza în următorul deceniu, ne putem aștepta la dezvoltarea unor dispozitive accesibile, ușor de utilizat, compacte – dacă nu chiar portabile – care să integreze toate etapele, de la extragerea ADN-ului până la analiza secvenței de coduri de bare pentru a obține o identificare (o mișcare spre etapa „Polaroid” în analogia cu fotografia). Deși ne-am putea aștepta ca astfel de instrumente să devină echipamente standard atât pentru cercetarea taxonomică, cât și pentru comunitatea mai largă de organizații și persoane care au nevoie de acces rapid la identificări de specii, acest lucru cu siguranță nu implică faptul că codurile de bare vor transforma taxonomii în biologi moleculari.

Credem că instrumentele furnizate de codurile de bare ADN vor adăuga rigoare la generarea și testarea ipotezelor taxonomice. Taxonomia a fost executată, în general, folosind discontinuități în trăsăturile analogice (de exemplu, morfologice gradate) pentru a deduce limitele speciilor, o abordare care a generat un total de 1,7 milioane de ipoteze taxonomice de-a lungul a 250 de ani. Codurile de bare ADN permit ca aceste ipoteze să fie testate cu ajutorul unui flux de date digitale independente (adică bazate pe nucleotide ADN). Deși a existat o bună corespondență între speciile recunoscute prin abordări morfologice și denumirile bazate pe coduri de bare, există și discordanțe. Aceste cazuri trebuie salutate, deoarece vor consolida atât ipotezele taxonomice, cât și metodele de analiză a diferențelor dintre codurile de bare și pot duce la noi descoperiri privind evoluția și ecologia. Toate aceste beneficii au fost evidențiate în cadrul primelor eforturi de coduri de bare.

În ipoteza în care problemele tehnice ale codurilor de bare ADN pot fi depășite, este acum sau va fi vreodată rentabilă, în raport cu metodele tradiționale, utilizarea codurilor de bare ADN în scopuri de bioinventariere?

Un beneficiu major al codurilor de bare ADN și o justificare a acestora constă în rentabilitatea lor pentru identificarea speciilor, în special în cadrul unor programe ambițioase de bioinventariere și biomonitorizare (Smith et al., 2005). În prezent, sistemele de linie de producție pentru identificarea chiar și a unui grup mic de specii bine cunoscute prin abordări morfologice costă aproximativ 2 dolari pe specimen (de exemplu, programele de monitorizare a țânțarilor care se ocupă de mai puțin de 60 de specii; F. C. Hunter, comunicare personală). Atunci când o echipă de specialiști în taxonomie vizează un ansamblu mai mare de specii dintr-o anumită zonă geografică, costurile cresc substanțial, iar identificarea unui singur specimen poate costa între 50 și 100 de dolari, dacă se internalizează toate costurile. În prezent, un cod de bare ADN poate fi generat pentru aproximativ 5 dolari pe specimen, inclusiv manopera și secvențierea – și se așteaptă ca acest cost să scadă vertiginos. În timp, programele de coduri de bare ADN au potențialul de a deveni autosuficiente prin perceperea unei taxe mici pentru identificări, menținând în același timp accesul liber pentru cercetătorii universitari.

Costul este doar un criteriu în evaluarea utilității unui sistem de suport taxonomic pentru cercetarea biodiversității. Viteza, fiabilitatea și accesibilitatea sunt la fel de importante, iar noi credem că codurile de bare ADN excelează în aceste domenii. În schimb, chiar și programele de biomonitorizare la scară mai mică bazate pe morfologie se confruntă în prezent cu o provocare majoră în ceea ce privește furnizarea de rezultate într-un mod rapid și eficient din punct de vedere al costurilor. Acest lucru poate avea consecințe economice dramatice, cum ar fi dificultatea actuală de a identifica speciile invazive suficient de devreme pentru a suprima un focar. Cu toate acestea, beneficiile economice ale excluderii chiar și a unui singur invadator nociv, cum ar fi midia zebră din America de Nord, ar fi fost suficiente după un deceniu pentru a codifica cu coduri de bare majoritatea speciilor de animale de pe Pământ.

Suntem de acord că știința bazată pe ipoteze domină competițiile de finanțare la scară mică și că taxonomia se descurcă prost din cauza naturii sale bazate pe descoperiri. Pe de altă parte, fiecare inițiativă de „știință mare” – de la fizica subatomică la genomul uman și până la explorarea spațială – a fost axată pe descoperiri, iar aceasta va fi arena de finanțare în care va funcționa programul global de coduri de bare de ADN, dacă va fi la înălțimea provocării. La fel ca în cazul majorității celorlalte proiecte științifice de anvergură, codul de bare ADN s-a confruntat cu afirmații potrivit cărora „nu este știință” și că amenință capacitatea laboratoarelor mai mici de a efectua cercetări bazate pe ipoteze. În cazurile anterioare, astfel de afirmații s-au dovedit întotdeauna mioape. Observația repetată este că știința descoperirilor la scară largă generează ipoteze într-un ritm frenetic și dezvăluie căi de investigație care nu ar fi putut fi anticipate niciodată. În acest sens, multe dintre criticile aduse codului de bare de ADN sunt remarcabil de asemănătoare cu cele formulate în urmă cu un deceniu cu privire la proiectul genomului uman.

Codul de bare de ADN a reușit deja să atragă fonduri substanțiale de la diverse agenții și organizații care nu au fost finanțatori tradiționali ai taxonomiei, dar acest lucru nu a fost realizat prin vânzarea „taxonomiei” în sine. În schimb, inițiativa privind codurile de bare ADN promovează viziunea unui inventar al diversității vieții, accesibil la scară largă. Numai prin sublinierea beneficiilor pentru societate și prin stârnirea interesului în rândul publicului contribuabil se va genera sprijin pentru o inițiativă globală privind biodiversitatea. Desigur, acest lucru nu înseamnă că taxonomia va deveni o „industrie de servicii de înaltă tehnologie” pentru alți biologi, așa cum au sugerat unii (de exemplu, Lipscomb et al., 2003; Wheeler, 2004; Will și Rubinoff, 2004). Un obiectiv major al codului de bare ADN este acela de a permite majorității biologilor non-taxonomiști – și, de fapt, oricui – să acceseze direct informațiile taxonomice, permițând în același timp taxonomiștilor profesioniști să se concentreze pe generarea mai multor cunoștințe de acest tip.

Declarație de poziție

Eforturile de inventariere a diversității eucariote prin analize morfologice s-au bucurat de mult succes. Generarea a aproape două milioane de ipoteze taxonomice în ultimii 250 de ani este o performanță impresionantă care a oferit o înțelegere fundamentală a diversității biologice, dar multe detalii așteaptă să fie clarificate. Codurile de bare ADN sunt poziționate pentru a contribui la inventarierea vieții prin accelerarea descoperirii de specii, prin testarea ipotezelor taxonomice actuale și prin faptul că identificările de specii sunt mai ușor de obținut. Aceste contribuții nu vor fi aduse în detrimentul valorilor taxonomice de bază sau al finanțării. Codul de bare ADN nu urmărește să abandoneze „studiile morfologice în favoarea unui sistem de identificare îngust și complet molecular” (Will și Rubinoff, 2004: 47). Mai degrabă, se străduiește să construiască alianțe între taxonomiștii moleculari și morfologici (Hebert și Barrett, 2005). De asemenea, caută să păstreze principiile linnaiene prin care sunt denumite și clasificate speciile. Codurile de bare ADN necesită nume de specii existente, derivate din punct de vedere morfologic, pentru calibrare, iar aceste nume sunt cele care sunt recuperate atunci când codurile de bare sunt utilizate pentru identificare.

Este în general acceptat faptul că studiul biodiversității este grav subfinanțat (Godfray, 2002). Nu este ușor de atribuit acest lucru temei de investigare, deoarece știința biodiversității este importantă și atrage mult interes public. Cu toate acestea, acest domeniu de cercetare suferă de o cultură a conflictului. În loc să organizeze colaborări grandioase, comunitatea biodiversității are o tradiție de polarizare și lupte interne. Codul de bare de ADN nu este străin de invective – a fost etichetat ca fiind o „tehnologie lipsită de conținut teoretic” și ca un „truc de salon” (Wheler, 2004; Will et al., 2005). Cuplarea unor astfel de comentarii cu atacuri ad hominem la adresa susținătorilor codului de bare ADN nu aduce prea mult credit disciplinei.

Câțiva critici acuză faptul că abordarea codului de bare ADN este fundamental defectuoasă, dar datele disponibile spun o poveste foarte diferită: succesul codului de bare ADN a fost până acum uimitor de impresionant. După cum remarcă Smith (2005), codul de bare s-a descurcat bine într-un test executat în cadrul conferinței PEET. Mai important, o serie de studii au investigat în prezent eficiența codului de bare ADN în ansambluri de specii din medii geografice variate și din numeroase grupuri taxonomice cu istoric de viață și atribute evolutive divergente. Ca o consecință a acestor teste de sensibilitate, în prezent sunt disponibile înregistrări de coduri de bare pentru peste 13 000 de specii de animale (și se acumulează rapid) și acestea dezvăluie o rezoluție care nu este o iluzie (www.barcodinglife.org). În grup după grup, succesul în identificarea speciilor depășește 95%, iar cele câteva cazuri de rezoluție compromisă implică incapacitatea de a discrimina un grup mic de specii strâns aliate (Hebert et al., 2004a, 2004b; Hebert et al., nepublicat). Rezultatele tipice se aseamănă cu cele din figura 1, care prezintă structura divergențelor codurilor de bare ADN pentru 31 de specii de Acronicta, unul dintre cele mai diverse genuri de lepidoptere din America de Nord. În acest caz, nu există nicio dovadă de partajare a secvențelor între taxoni, ceea ce ar fi de așteptat dacă ar avea loc o hibridare sau dacă speciile ar fi prea tinere pentru a fi discriminate. În schimb, există o separare clară a speciilor cu coeziune a codului de bare pentru conspecifici, chiar și atunci când provin din situri disparate din estul Americii de Nord.

Nu este nimic excepțional în ceea ce privește rezultatele codului de bare pentru Acronicta – studiile asupra nevertebratelor de sol din Arctica și asupra lepidopterelor de la tropice arată un succes similar în rezolvarea speciilor (Hogg și Hebert, 2004; Janzen et al., 2005). Această performanță se extinde și în mediile marine: un studiu cu coduri de bare care a examinat peste 200 de specii de pești australieni definite morfologic a generat un succes de 100% în discriminarea acestora (Ward et al., 2005). Testele de sensibilitate pe gradienți de 10 ori mai mari în ceea ce privește ratele de evoluție mitocondrială au relevat un succes ridicat în identificarea speciilor din grupurile de insecte cu cele mai mici și cele mai mari rate de evoluție (Ball et al., 2005; Smith et al., 2005). Schimbările în compoziția nucleotidică a genomului mitocondrial nu reușesc, în mod similar, să aibă un impact asupra rezoluției codului de bare de ADN, după cum a demonstrat succesul în grupuri, cum ar fi păsările, cu o compoziție G+C ridicată și altele, cum ar fi păianjenii, cu o tendință A+T extremă (Hebert et al., 2004b; Barrett și Hebert, 2005).

Dacă aceste studii anterioare reflectă performanța generală a codurilor de bare în regnul animal, un sistem cuprinzător bazat pe cox1 va oferi o rezoluție taxonomică de peste 99,99% atunci când este privit dintr-o perspectivă la nivel de regn. Pentru a înțelege acest lucru, este suficient să ne imaginăm fiecare dintre cele 10 000 de gropi din figura 2 ca un depozit de date de coduri de bare de la o singură specie. Presupunând că există 10 milioane de specii de animale, biblioteca de coduri de bare pentru acest regn ar putea fi reprezentată de doar 1000 dintre aceste pagini. Avifauna globală, care constă din aproximativ 10 000 de specii de păsări, va ocupa doar una dintre aceste pagini. Înregistrările de coduri de bare pentru peștii din lume vor ocupa trei pagini, în timp ce gândacii vor umple câteva sute de pagini. Odată ce toate cele 10 milioane de gropi au fost umplute cu date de coduri de bare, analiza oricărei noi secvențe de coduri de bare va asigura transportul imediat la pagina corectă din 1000, oferind o rezoluție de 99,9%. De fapt, pe baza datelor pentru păsările din America de Nord, secvența de coduri de bare va oferi o rezoluție perfectă, conducând la o groapă individuală a speciei pe o singură pagină de păsări în 96% din cazuri. În restul cazurilor, codul de bare nou adunat va corespunde secvențelor din două sau trei gropi adiacente. Pe scurt, un cod de bare scurt va prăbuși incertitudinea în ceea ce privește identitatea speciilor din oricare dintre cele 10 milioane de specii până la o singură specie în cele mai multe cazuri și până la un mic subset de specii strâns aliate în alte cazuri.

În prezent, există finanțare pentru a se asigura că biblioteca de coduri de bare ADN pentru animale va crește cu cel puțin 500.000 de înregistrări în următorii 5 ani, oferind acoperire pentru aproximativ 50.000 de specii. Deși acest lucru va fi departe de a fi un registru complet al speciilor, va permite codurilor de bare ADN să funcționeze ca un instrument eficient de identificare pentru acele grupuri taxonomice cu înregistrări complete ale codurilor de bare. De exemplu, pe măsură ce acoperirea cu coduri de bare pentru pești, păsări și insecte dăunătoare se apropie de finalizare, acest lucru va oferi acces liber la identificarea acestor specii, indiferent de stadiul de viață sau de starea lor. Pe măsură ce acestui nucleu de înregistrări de specii i se vor alătura coduri de bare de la alte animale, va apărea un sistem global de identificare pentru acest regn al vieții.

Deși credem că generalitatea codurilor de bare a fost acum demonstrată pentru regnul animal, rămâne necesitatea atât de a stabili cât și de a evalua protocoalele de coduri de bare pentru celelalte regnuri ale vieții. Principiile de bază ale analizei codurilor de bare (minimalizarea și standardizarea secvențelor-țintă) sunt cu siguranță aplicabile acestor organisme, dar selecția regiunilor genice și testarea eficacității lor rămân în curs de desfășurare, deși primele rezultate obținute pe plante (Kress et al., 2005) și pe protiști (G.W. Saunders, comunicare personală) oferă un motiv de optimism. În afară de succesul său în separarea speciilor cunoscute, codurile de bare ADN vor fi un ajutor puternic în rezolvarea altor probleme taxonomice. Specii ignorate au fost dezvăluite în mod regulat, chiar și în grupuri bine studiate, cum ar fi păsările nord-americane (Hebert et al., 2004b), fluturii (Hebert et al., 2004a) și moliile de mătase (Janzen et al., 2005). Rolul său în asocierea etapelor de viață (Beskansky et al., 2003) și a genurilor (Janzen et al., 2005), precum și în clarificarea sinonimiei, va fi, de asemenea, de ajutor în multe alte investigații taxonomice.

Activarea oricărui program științific major necesită nu doar o justificare științifică puternică, ci și o demonstrație a relevanței societale. Codurile de bare ADN prezintă o astfel de relevanță prin faptul că oferă un nou acces la identificări în contexte variate. Eforturile de conservare a vieții sunt în prezent constrânse de necesitatea unui sistem de identificare, iar noi credem că această necesitate poate fi satisfăcută doar de codurile de bare ADN (a se vedea, de asemenea, Smith et al., 2005). Capacitatea codurilor de bare de a identifica fragmente de viață are aplicații care variază de la rezolvarea cazurilor de substituire a speciilor pe piață (Marko et al., 2004) până la protecția securității alimentare prin, de exemplu, depistarea deșeurilor de rumegătoare în hrana animalelor. Mai general, capacitatea codului de bare de ADN de a furniza identificări rapide și ieftine are potențialul de a revoluționa relația omenirii cu diversitatea biologică (Janzen, 2004).

Dacă codul de bare de ADN avansează pe scară largă, va genera produse secundare importante pentru comunitatea științifică. Toate extractele de ADN produse în timpul analizei codurilor de bare ale specimenelor cu garanții vor fi stocate, permițând eforturile viitoare de examinare a modelelor de diversitate a secvențelor în alte regiuni genetice, iar programele de colectare instigate de codurile de bare ADN vor extinde numărul de specimene disponibile pentru analiza morfologică. Inițiativa codului de bare va crea, de asemenea, un sistem bazat pe internet care va oferi nu doar identificări automate, ci și un portal de acces la informații biologice pentru toate speciile incluse în registru. Deși codul de bare ADN nu va crea „enciclopedia vieții”, va genera indexul și cuprinsul acesteia.

Din cauza atât a rezultatelor științifice pozitive, cât și a beneficiilor societale recunoscute, există un entuziasm tot mai mare pentru o inițiativă de coduri de bare ADN la scară largă. Două întâlniri la Cold Spring Harbor în cursul anului 2003 au clarificat planurile de acțiune (Stoeckle, 2003) și au urmat alte întâlniri. Cea mai recentă, care a fost găzduită de Muzeul de Istorie Naturală din Londra, a atras peste 230 de cercetători (Marshall, 2005). Mișcarea codului de bare are, de asemenea, o forță organizatoare centrală: Consorțiul pentru codul de bare al vieții (Consortium for the Barcode of Life – CBOL), găzduit de Smithsonian Institution din Washington, care a fost lansat la mijlocul anului 2004. Mai mult de 80 de organizații din 25 de națiuni, inclusiv multe muzee importante, s-au alăturat deja CBOL(www.barcoding.si.edu). Primele campanii globale de coduri de bare au fost activate sub auspiciile sale; acestea includ planuri de codificare cu coduri de bare a tuturor celor 10.000 de specii de păsări și a tuturor celor 15.000 de pești marini până în 2010. În mod evident, activitatea trebuie să se extindă dincolo de laboratoarele individuale pentru a aborda proiecte majore ca acestea, iar rețelele naționale de coduri de bare se formează pentru a stabili lanțuri de aprovizionare cu specimene și pentru a supraveghea instalațiile analitice de bază. Prima dintre acestea, Rețeaua canadiană de coduri de bare a vieții, care a văzut activarea în mai 2005 (www), intenționează să codifice cu coduri de bare cel puțin 10.000 de specii de animale canadiene în următorii 5 ani.

Considerăm aceste semne de creștere a sinergiei între diferitele sectoare ale comunității biodiversității ca fiind extrem de pline de speranță. Dacă vor fi dezvoltate la potențialul lor maxim, istoria ar putea considera întreprinderea codului de bare ADN ca fiind una care nu numai că a îmbunătățit accesul la informații taxonomice, dar a și consolidat alianțele dintre toți cei interesați în documentarea, înțelegerea și conservarea biodiversității – o perspectivă într-adevăr interesantă.

Recunoștințe

Le mulțumim lui Mark Stoeckle și Dan Janzen pentru sugestiile valoroase de revizuire a unor versiuni anterioare ale acestui articol. Suntem, de asemenea, foarte recunoscători Fundației Gordon și Betty Moore, NSERC, CFI și OIT pentru sprijinul acordat cercetării privind codurile de bare ADN la Universitatea din Guelph.