汇集公众科学智慧 交流科学思想见解点燃科学智慧火花 构建互动交流平台
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【主持人致辞】
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【主旨报告】
【邀请报告】
【讨论与交流】
目录
【精彩发言】
1、葛学军：群落系统发育与DNA条形码应用
DNA条形码的主要作用就是物种鉴定，特别是对采用传统系统学方法难以鉴定的物种特别有用，例如，对于植物的幼苗、碎片、根系以及植物制成品(如茶饮料、中药)等非常有用，对于一个区域内物种的快速鉴定的作用也很大。由于目前分子系统学分析采用的主要片段，特别是APG系统采用的片段，很大程度上与条形码片段相同。因此，应用DNA条形码的序列资料可以进行类群的系统发育重建。此外，昆虫的食性，如普食性昆虫还是专一食性昆虫，它们吃什么植物，以前很难进行准确定性，只能根据观察进行估计。目前，可以采用植物DNA条形码引物，从昆虫整体DNA中进行扩增，然后对目标片段进行序列测序、鉴定，从而了解昆虫的食物是什么。最后，DNA条形码目前在群落生态学领域，在研究物种组成和维持机制方面应用很多，是一个新的学科增长点。
群落生态学主要研究群落内物种共存机制。目前，研究的重点是确定究竟哪些因素，如环境过滤、竞争排除，还是随机灭绝，导致了现存群落的物种共存格局。传统的研究方法很难将进化历史因素考虑进去。以往群落生态学和系统发育生物学这两个学科的研究方向和内容是相对分离的。Webb等首次将系统发育、性状进化和群落结构三种分析相结合(Webb， 2000； Webb et al.，2002)，并列举了一系列可解决的生态学问题。具体来说：①群落的系统发育结构分析；②生态位分化的系统发育基础探讨；③将群落内容与性状进化及生物地理一起进行分析。
Webb等(2002)定义了系统发育群落生态学这个新的学科。它的定义为：基于群落水平，运用系统发育分析方法来探讨局域范围(如样地为尺度)内物种共存和生物多样性的维持机制，或者区域范围内(如不同气候带为尺度)不同类型群落的构建规则。通过研究，可以确定群落的系统发育结构，即在一个样方或生境内，物种间的系统发育关系是否为非随机的，或者说，这些物种在系统发育关系上是否具有关联性，现在有充分的证据表明，植物个体之间的相互作用的确影响特殊类群的共存。
Webb(2000)采用两个群落系统发育关系指数—净亲缘指数(net relatedness index，NRI)和最近亲缘指数(nearest taxon index，NTI)来描述群落的系统发育结构(有关这两个指数的推导及计算过程详见 Webb et al. ，2002)和Swen-son et al. ，2006 )。当生境过滤作用是群落的主导过程时，群落主要由系统发育关系较近的物种构成，此时群落的NRI和NTI比较高；而当种间竞争是群落的主导过程时，群落主要由系统发育关系较远的物种构成，此时群落的NRI比较低，而NTI比较高。这两个指数从不同侧面反映了两个相反的群落生态过程。
在DNA条形码应用之前，物种间的系统发育关系通过采用基于APG系统的Phylomatic软件进行估计。Webb编写了在线Phylomatic程序(http：//www.phylodiversity. net/phylomatic/phylomatic. html) ，用户只需要输人相应格式的物种名录，即可获得基于APG系统的物种系统发育关系。由于APG系统中数据量的限制，Phylomatic软件通常只能解析到属或科一级的水平。特别是对于热带群落，在种一级水平上大多数数据比较缺乏。这种估算存在许多弊端，即当同一科属下分类单元较多时，运算结果会出现多分枝结构(polytomy，给群落系统发育结构分析带来较大偏差，得出错误结果的几率升高。
用DNA条形码序列构建群落系统发育关系的优势在于，处理系统树的末端分枝时能为分类单元提供准确的系统位置，可根据所用的DNA片段计算整个群落内所有类群内部真实的分枝长度。相比由Phylomatic软件产生系统树和采用Phylocom软件中的“bladj”程序模拟运算分枝长度，基于DNA条形码的分子系统树在进化树的分辨率和进化时间的准确性上都更胜一筹。通过得到分辨率更高的系统树，可以增加对于群落系统结构零假设的检验能力。
在巴拿马BCI(Barro Colorado Island)50公顷的样地内有282种树木，Kress等(2009)采用了rbcL， matK和trnH—psbA3个植物DNA条形码构建了该群落的系统发育树。他们认为，用3个植物DNA条形码组成的超级矩阵重建的BCI大样地群落内物种的系统发育关系，其结果要比直接使用APGIII更好。其具体表现在：①在大的系统发育框架上，由DNA条形码重建的系统发育关系与APG的拓扑结构基本一致，样地中所包含的全部24个目都被分配在适当的系统位置上，说明对于局域尺度下的植物群落而言，利用多片段条形码组合所提供的信息可满足系统发育树的构建，其效果已接近APG系统。②在系统发育框架末端(例如科、属和物种水平上)，得益于3个DNA条形码组成的超级矩阵(包含进化速率快的片段trnH - psbA )，此时获得的末端节点二歧分枝结构比仅由Phylomatic自动生成的多分枝效果好，说明在具体的样地中，如果有充分的序列信息，加上科研人员的分类学背景知识，DNA条形码可发挥出巨大的优势。通过利用Barcode Phylogeny和Phylomatic Phylogeny对样地内的7类生境进行比较，Kress等(2009)得出了不同的群落聚集方式，他们认为利用Barcode Phylogeny得到的结果更为可靠。
鼎湖山自然保护区是我国建立的第一个自然保护区，位于东经112°30'112033' E，北纬23°09’一23°11' N，最高海拔1000. 3米，年均温20. 9°C，平均年降雨量1929毫米。鼎湖山20公顷森林动态样地有60科，120属，226种树木。其中樟科植物23种，大戟科植物21种，茜草科植物15种，桑科植物15种。由于大约66%的属只有一个种，因此，容易采用DNA条形码鉴定。通过采用rbcL ， matK和trnH一psbA三位点DNA条形码片段，我们构建了鼎湖山20公顷样地的群落系统发育树，并探讨了群落内不同尺度(20m x20m， 0. 04 ha； 100mx 100m， lha)的构建方式。通过与Phylomatic构建的群落系统树得到的结果比较，采用DNA条形码方法能更准确地研究群落的物种组成与维持机制(Peiet al. ，2011)。
DNA条形码的应用主要反映在三个方面，一个是系统发育群落生态学，这个学科发展很快。在Web of Science上，以community， phylogenetic diversity， ecology为主题，截至2012年7月30口，一共查到243篇相关论文，其中很多发表在生态和进化领域的顶级刊物上，如Ecology Letters ， Ecology， Molecular Ecol-ogy， Annual Review of Ecology， Evolution and Systematics。从发表年份上看，2010年以来发表论文数目快速增加，反映了这个学科的快速发展。
除了系统发育群落生态学以外，DNA条形码发展对于群落系统发育与植物功能性状的关系的研究发展也很快。利用分子系统发育树，探讨植物功能性状的进化及其与环境的关系是当前生态学研究的热点之一。决定植物的哪些生态相关性状是系统发育保守的，还是趋同的，在什么时间尺度上等问题，对于理解群落系统发育结构的形成原因，以及进化和生态系统后果非常重要。植物的功能性状是植物系统发育历史影响生态过程的一个重要联系。最近，西双版纳热带植物园曹坤芳课题组在《全球生态学和生物地理学》( Global Ecology and Biogeography)上发表论文(Zhang et al. ， 2011)。他们通过对中国境内98个采样点618种树木的木材密度和力学相关性状的空间分布与环境因子和系统发育的关系进行了分析。结果表明，所有11个木材性状都表现出了显著的系统发育信号，即受系统发育控制。他们研究认为，我国森林树木木材性状的空间分布式样受环境与系统发育共同作用的影响，系统发育影响物种的环境耐受性及其地理分布，并且年降雨比年均温能更多地解释木材性状的空间分布。
DNA条形码还与保护生物学密切相关。20世纪90年代，澳大利亚科学家Faith DP创建了一个生物多样性参数，称为“谱系多样性”( phylogenetic diversity ，PD )。这个参数测量一个区域内研究分类群的进化途径的长度。以往我们研究一个区域生物多样性时，通常只是比较物种数量多少、珍稀濒危物种多少，很少考虑这些物种间的系统进化关系，也很难度量这些物种间的系统进化关系。DNA条形码的应用可以使得我们对一个区域研究类群建立系统发育树，定量反映这些物种间的谱系多样性。这个参数近年来被逐渐接受，并被应用到保护生物学研究中。例如Forest等(2007)在Nature上发表论文，就采用此参数研究了生物多样性热点地区植物区系的进化潜力。2012年中科院植物研究所马克平课题组采用此参数研究了我国特有木本种子植物的多样性，并鉴定了热点地区(Huang et al. ， 2012 ， Diversity and Distribution ) 。
除了以上介绍以外，DNA条形码还可以用来研究系统发育beta多样性。该多样性指的是任何两个地点的生物个体间的系统发育距离(也即系统树上的分枝长度)，可以被看作是包含(演化)时间维度的beta多样性(Graham & Fine ，2008 ； Gomez et al.，2010)。通过比较系统发育beta多样性即不相似性，就可以分析出不同群落所处的生境类型及其相互作用关系，结合各自群落内的物种组成，共同探讨物种构建机制、生物多样性格局等诸多重要生态学问题。
2、王雨华：植物DNA条形码数据库的建设现状
数据库是植物DNA条形码研究和建设的核心。在进行DNA条形码研究和建设中，无论是从测序开始，还是做物种鉴定、统计分析、系统演化等研究和应用工作，最终都要形成数据并利用数据。因此，数据库建设是DNA条形码研究和建设中的重要内容。目前国际上做得最多的是动物类群的DNA条形码，在国际著名的数据库网站BOLD (barcode of life data systems)和GenBank中，植物类群的条形码数据相对较少，中国DNA条形码工作小组因在PNAS上发表论文而提交了1. 5万条数据，从而成为最多的植物DNA条形码数据提交者，这也从另一方面给了中国进行植物DNA条形码数据库建设的机会。
不拥有DNA条形码数据就会受制于人。从2009年起，BOLD启动了2. 5版新用户界面和数据引擎，拥有大量的DNA条形码数据，包括图像、CPS、序列、测序图谱等丰富的信息。同时，还内置了许多分析工具，研究人员可以轻松利用这些工具分析序列重复度、分类地位准确度、核背酸多样度等。中国是国际生命条形码四个中心结点之一，希望能与BOLD建立镜像站点，但经过多次努力之后，BOLD负责人仍然没有答应让中国做到网站和数据的镜像。
国家重大科学装置—中国西南野生生物种质资源库为我国植物DNA条形码标准数据库的建设提供了条件和机遇。中国要利用DNA条形码认识、研究和利用自己的植物，就必须尽快建立自己的条形码标准数据库(reference 1ibrary )。但必须解决两个难题：①规范化采样；②数据库和网站的建设。正在运行的“中国西南野生生物种质资源库”首先解决了采样难题，在此基础上为数据库的建设提供了大量的试验数据和示范机会。在参考国际DNA条形码数据库建设的同时，结合中科院昆明植物研究所及其他参与单位承担的生物DNA条形码数据库系统前期建设经验，广泛征求专家意见，从中国国情出发，兼顾国际化需求，进行我国生物DNA条形码数据库的研究和开发。首先，选择分类基础好，具有一定样品积累，对我国社会和经济发展具有重要意义和代表性的重要类群为对象开始建设。在一定经验积累基础上，进行中国生物DNA条形码数据库的标准规范研究，从而指导整个系统的建设。目前，已经完成了适合中国团队、方便用户整理数据的EXCEL模式的客户端工具，完成了近6万条DNA条形码数据库的建设，初步建立了运行服务网站，该网站能够实现数据的查询、展示和序列比对等功能。在后续开发中，除了在3年内尽可能建成中国常见植物物种标准数据库外，将重点放在模型工具的开发上，能为物种鉴定、科学研究提供更加方便、实用的工具。
植物DNA条形码数据库的建设将带动“iFlora”的应用。随着信息化、网络化的高速发展，人们的认知方式已经发生了很大的改变。认识植物是人类认识世界的强烈需求，当我们到达西双版纳或丽江时，看到一个植物就要问这个植物是什么名字，作为普通公众来说这是一个很大的挑战，因为我们大部分人都不可能像吴征锰院士一样能有这么广阔的知识，能够马上告诉你是什么植物。但随着信息化的发展，随着电脑及智能终端的推广和应用，达到吴征锰院士这种认知植物的能力就越来越近了。这种观点认为，吴院士在这个认识植物方面的智商可能是140，而一般人认识植物方面的智商可能也就是60一80，这样智商的普通人在认识植物方面可能永远也赶不上吴征锰院士，但是现在可以用智能终端进行辅助认知，即终端设备能够拥有160智商。即使普通人只有认知植物的60的智商，如果能将人和智能终端巧妙地结合起来，说不定就能等同或越过吴院士的140的智商。今天上午西部植物学会议上李德侏老师谈了在线植物志，谈到DNA条形码，进而谈到“iFlora"。可能目前我们还无法实现理想中的“iFlora"，但我们可以把《中国植物志》的信息、基于图形分类的信息初步集成，让人们借助智能终端进行初步判断。如苹果应用程序Leafsnap，就可以实现拍照叶形来识别树木了。DNA条形码的发展可以引发植物界认知的模式，但真正做到可能还有一个很长的路程，因为目前测序仍需要在实验室里做。不过，第三代测序仪正在研制，一旦形成芯片，" iFlora”的目标就实现了。
3、何兴金：植物DNA条形码与介子系统发育研究及其应用前景
植物DNA条形码与独活属分子系统发育
系统与进化是生物学中最令人着迷的领域之一。人们一直想要知道，有哪些物种与我们共同生活在这颗星球上，这些形形色色的物种从哪里来，它们之间存在怎样的关系，又怎样演化至今，它们怎样扩散到世界每个角落。本研究从中国伞形科(Apiaceae)独活属(Heracleum)的系统发育出发，对其DNA条码和分类进行了系统研究和分类系统的修订，进而研究其起源和扩散，并对已有的生物地理算法进行了改进。在此基础上，提出了新的贝叶斯分析法和时间一事件曲线分析法并编制了软件，从而能够对生物的祖先分布、形态学和生态学祖先性状等进行分析和重建。
独活属是伞形科(Apiaceae)芹亚科(Apioideae)环翅芹族(Tribe Tordylieae)的重要类群，全世界共有65一120种(按小种概念)。在中国，独活属共有29种4变种，主要分布在西南部的横断山区，其中19种1变种为我国特有种。很久以来，独活属都被认为是一个自然的类群；然而在近年的分子系统学和细胞学研究中，独活属已被证明并非单系群。已有的研究中尽管只涉及了少数中国的种类，但仍暴露出诸多问题：部分中国种类形成了独立的世系且与模式种远离，有些种类甚至与其他属交叉。对中国独活属植物进行全面的系统发育研究，对解决该属乃至环翅芹族的系统发育具有重要的意义。该属的许多植物都具有药用价值，对其分类学的研究也有助于中药的正本清源。
独活属植物分布广泛，在世界上有两个主要分布中心：一是高加索地区，另一个是中国喜马拉雅地区。其演化和迁徙与横断山区的避难所地位以及陆桥的变迁密切相关。在现有的生物地理学研究中，扩散一隔离分化分析(Dispersal一Vicariance Analysis， DIVA)是应用最为广泛的方法之一。然而，DIVA方法无法估计系统发育树的不确定性，而且会给出大量的等价结果。因此，我们在DIVA方法的基础上进行了改进，并应用到了独活属的生物地理学研究中。主要进行了以下几个方面的研究。
(1)采集了独活属全部29种和4变种植物样品，使用贝叶斯法和最大简约法对核糖体DNA ( nrDNA )ITS序列以及5个叶绿体的非编码区序列(cpDNA )( rps16一trnK，rps16 intron，trnQ一rps16，rp132一trnL和psbA一trnH)进行了分析。基于DNA条码对独活属进行了深人的分类和系统发育研究，所构建的ITS数据集包含了88个种，114个居群;当归属的4个种被用作外类群，其中55条ITS序列为首次发表。cpDNA数据集包含了环翅芹亚族和当归属的36个种42条序列，每条序列都由5个cpDNA片段拼接而成，全部cpDNA片段的序列均为首次发表。在两个数据集中，部分采自横断山区的独活属种类都测定了不止一个居群，以此判断这些种类的不同居群间已出现的形态学差异，是否达到种级分类等级，以及在分子系统发育上是否具有清晰的种间界限。作为对分子证据的补充，研究了36种独活属植物及其近缘类群的果实结构，将nrDNA和cpNDA进行综合分析，并结合果实形态和已有的形态学、细胞学进行综合分析，首次提出了狭义独活属的概念并总结出了环翅芹亚族的8个分支。研究结果部分支持了Mandenova的分组系统。多管组并非一个单系，我们不支持多管组的建立。不完全的谱系筛选和杂交，造成了核基因ITS和叶绿体基因建立系统发育树的不一致性。
(2)首次在亚族级水平的大背景框架下(环翅芹亚族)，对独活属及其近缘类群进行了分子系统发育、DNA条码研究，给出了独活属及其近缘类群的分类修订和狭义独活属分支的属下分类系统，以及其他分支的属下等级排列。现有中国独活属中有9个种被排除在的狭义独活属分支之外，它们是灰白独活H.cauesceus，白亮独活H. caudicaus，裂叶独活H.millefolium，二管独活H. bivittatum，尼泊尔独活H. uepaleuse，云南独活H. yuuuaueuse，大叶独活H. olgae，贡山独活H. kiugdouii和小金独活H. xiapjinense。这9个种在系统发育树中散布在四带芹属(Tetrataeuium，大瓣芹属(Semeuovia)和当归属(Angelica)的分支中。有两个产自高加索地区的单型属(Maudeuovia和Symphyoloma )也被包含在了狭义独活属中。小金独活应与法落海归并，放人当归属中；灰白独活、白亮独活及其变种、二管独活、尼泊尔独活、大叶独活和贡山独活应转移人四带芹属；裂叶独活及其变种应转移人大瓣芹属。修订后的中国独活属共包括23种2变种，大瓣芹属包括6种，四带芹属包括7种。
(3)使用S一DIVA方法对独活属的起源与迁徙进行了研究，结果表明：狭义独活属的起源地并非以前研究者所认为的中国喜马拉雅地区(尤其横断山区)，而是起源于西古北区，从西古北区起源地在向外扩散的过程中，独活属植物在历史上可能通过三条路线完成其迁徙，从而形成了现有的地理分布格局。这三条迁徙路线为：①西古北区一东古北区一东南亚一西南亚；②从东南亚通过白令陆桥(Bering land bridge)到达北美；③西古北区通过北大西洋路桥( North Atlantic land bridge)到达北美。
DNA条形码的应用前景及展望
研究结果显示，只要选择DNA条码的分子标记合适，可以得出很好的结果，并解决系统学问题。通过植物DNA条码研究的结论，可以反过来寻找形态特征上的间断，即DNA条码研究结果可以为分类服务。
在应用中，植物DNA条码究竟用多少个分子片段更合适，或在更高水平和种下水平中寻找？本研究认为，宜采用组合DNA条码，即核基因和叶绿体基因组合，可以达到预期效果。
由于植物种类多，要对中国所有植物的DNA条码进行研究需要加大研究经费投人力度。虽然有一些困难和问题，但通过植物分类学家的不懈努力，相信植物DNA条形码的大厦，在不久的将来会建成的。
能否像动物一样找到一个或几个通用的植物DNA条码片段，或是利用核心DNA条码，如何将DNA条形码研究工作向前推进一步，使之成为植物学界的一个标志性成果，这都需要中国科学家不懈努力，在做好大量分类和系统育研究工作的基础上，对植物DNA条形码做出里程碑意义的贡献。
4、杭悦宇：植物DNA条形码研究的瓶颈与思考
这两天很多专家对条形码研究的现状及应用前景作了很好的发言，对于研究的瓶颈问题也已经有了诸多涉及，和大家重复的看法我这里就不再谈。
目前国内DNA条形码的研究已广泛开展，特别是在中科院昆明植物研究所的领衔和组织下的大协作项目，已经取得了良好的研究成果。但是近年来此主题的研究论文数量剧增，尤其是对于小类群进行DNA条形码研究的论文，没有正确认识和运用DNA条形码，以至于一些刊物已经表明不再接受类似主题论文的投稿。那么，除了对DNA条形码的正确认识、对现有片段的优劣评价和选择等问题，在植物DNA条形码的研究中还存在怎样的一些问题呢?
很多专家已经指出，实验材料是DNA条形码研究的基础问题和根本问题，我们面对的植物是一个庞大的、复杂的体系，没有正确的分类认识和采集方法，就不能保证植物DNA条形码的准确构建。
通过两年多来对薯锁科薯锁属(相关研究已发表于PNAS，PLoS ONE ) ，寥科何首乌(种下居群)、唇形科夏枯草属、十字花科一些属的DNA条形码的研究，我想就DNA条形码研究的实验材料体系谈点认识和体会。
对植物“种”在DNA条形码研究中的概念的认识
这个问题中包括了已获得DNA条形码的未知种、错定种如何定位，但较突出的问题是广布种。对于广布种，由于经常无法进行连续分布地采样，因此往往会忽略连续变化特征而把1个种在分布区端点的居群鉴定为不同种，如夏枯草属的夏枯草、硬毛夏枯草和山菠菜这3个“小种”，其多个分子标记包括DNA条形码4个通用片段完全一致；反过来看它们的形态特征区别，仅在茎毛被的多少及叶片的一些数量特征(相关研究已发表于Journal of Medicinal Plants Research )。这样的问题在基于形态的分类中大量存在，因此，虽然DNA条形码的鉴定目标是种，但这些能获得完全一致的条形码的结果及分析值得关注，包括所选片段是否合适，实验技术有无问题，是否确实是同种的分类问题等。
植物遗传特性的影响
比如专家们提到的多拷贝问题、自然杂交问题、倍性问题等，均会影响到DNA条形码的研究结果，其中倍性问题尤其麻烦，例如薯锁科的野生黄独、薯锁的染色体倍性有2，4，8直至64倍等，其同种不同倍性个体的4个片段DNA条形码序列有的一致，有的有很大差异。因此，大量关于种的倍性的前期研究以及如何确定准确的目的材料就成为DNA条形码研究的难点。
居群问题
居群问题一直是植物研究材料采集中的重要问题，研究中发现，一些物种的DNA条形码有些片段在居群间的差异大于亲缘关系相近的种间，如盾叶薯锁居群间及小花盾叶薯锁(相关研究已发表于PLoS ONE )，而DNA条形码有些片段在个体间的差异大于居群间，如何首乌全分布区居群及每居群各10个个体的DNA条形码研究。因此，作为最小实验材料单位的个体，如何解释或完好体现其穷举性，怎样采集是合理而有代表性的，是DNA条形码研究的又一个难点。
一些特殊问题
如，雌雄异株植物是陆地生态系统的重要组成部分，据报道，被子植物中有14620个种是雌雄异株植物，而雌雄异株植物在很多分子标记或DNA标记上存在差异，如薯锁科植物。
再如，和化学成分相关联的所谓化学型问题。苍术在江苏茅山采集样品中以苍术酮为主要成分，在湖北采集样品中以苍术醇为主要成分，研究表明，4个DNA条形码片段中有2个在上述两个样品群体中存在明显差异，当然，究竟导致差异的原因是成分、环境还是居群遗传特性，值得探讨，但这里就提出是否应该建立以植物模式标本或模式标本采集地的样品为材料的“标准条形码”。植物条形码在植物生态学、进化学、分类学上已渐渐显现出研究的重要性但还很不完善，也因此成为了值得探索的、前景宽广的领域。
【总结与建议】
目录
【精彩发言】
1、葛学军：群落系统发育与DNA条形码应用
DNA条形码的主要作用就是物种鉴定，特别是对采用传统系统学方法难以鉴定的物种特别有用，例如，对于植物的幼苗、碎片、根系以及植物制成品(如茶饮料、中药)等非常有用，对于一个区域内物种的快速鉴定的作用也很大。由于目前分子系统学分析采用的主要片段，特别是APG系统采用的片段，很大程度上与条形码片段相同。因此，应用DNA条形码的序列资料可以进行类群的系统发育重建。此外，昆虫的食性，如普食性昆虫还是专一食性昆虫，它们吃什么植物，以前很难进行准确定性，只能根据观察进行估计。目前，可以采用植物DNA条形码引物，从昆虫整体DNA中进行扩增，然后对目标片段进行序列测序、鉴定，从而了解昆虫的食物是什么。最后，DNA条形码目前在群落生态学领域，在研究物种组成和维持机制方面应用很多，是一个新的学科增长点。
群落生态学主要研究群落内物种共存机制。目前，研究的重点是确定究竟哪些因素，如环境过滤、竞争排除，还是随机灭绝，导致了现存群落的物种共存格局。传统的研究方法很难将进化历史因素考虑进去。以往群落生态学和系统发育生物学这两个学科的研究方向和内容是相对分离的。Webb等首次将系统发育、性状进化和群落结构三种分析相结合(Webb， 2000； Webb et al.，2002)，并列举了一系列可解决的生态学问题。具体来说：①群落的系统发育结构分析；②生态位分化的系统发育基础探讨；③将群落内容与性状进化及生物地理一起进行分析。
Webb等(2002)定义了系统发育群落生态学这个新的学科。它的定义为：基于群落水平，运用系统发育分析方法来探讨局域范围(如样地为尺度)内物种共存和生物多样性的维持机制，或者区域范围内(如不同气候带为尺度)不同类型群落的构建规则。通过研究，可以确定群落的系统发育结构，即在一个样方或生境内，物种间的系统发育关系是否为非随机的，或者说，这些物种在系统发育关系上是否具有关联性，现在有充分的证据表明，植物个体之间的相互作用的确影响特殊类群的共存。
Webb(2000)采用两个群落系统发育关系指数—净亲缘指数(net relatedness index，NRI)和最近亲缘指数(nearest taxon index，NTI)来描述群落的系统发育结构(有关这两个指数的推导及计算过程详见 Webb et al. ，2002)和Swen-son et al. ，2006 )。当生境过滤作用是群落的主导过程时，群落主要由系统发育关系较近的物种构成，此时群落的NRI和NTI比较高；而当种间竞争是群落的主导过程时，群落主要由系统发育关系较远的物种构成，此时群落的NRI比较低，而NTI比较高。这两个指数从不同侧面反映了两个相反的群落生态过程。
在DNA条形码应用之前，物种间的系统发育关系通过采用基于APG系统的Phylomatic软件进行估计。Webb编写了在线Phylomatic程序(http：//www.phylodiversity. net/phylomatic/phylomatic. html) ，用户只需要输人相应格式的物种名录，即可获得基于APG系统的物种系统发育关系。由于APG系统中数据量的限制，Phylomatic软件通常只能解析到属或科一级的水平。特别是对于热带群落，在种一级水平上大多数数据比较缺乏。这种估算存在许多弊端，即当同一科属下分类单元较多时，运算结果会出现多分枝结构(polytomy，给群落系统发育结构分析带来较大偏差，得出错误结果的几率升高。
用DNA条形码序列构建群落系统发育关系的优势在于，处理系统树的末端分枝时能为分类单元提供准确的系统位置，可根据所用的DNA片段计算整个群落内所有类群内部真实的分枝长度。相比由Phylomatic软件产生系统树和采用Phylocom软件中的“bladj”程序模拟运算分枝长度，基于DNA条形码的分子系统树在进化树的分辨率和进化时间的准确性上都更胜一筹。通过得到分辨率更高的系统树，可以增加对于群落系统结构零假设的检验能力。
在巴拿马BCI(Barro Colorado Island)50公顷的样地内有282种树木，Kress等(2009)采用了rbcL， matK和trnH—psbA3个植物DNA条形码构建了该群落的系统发育树。他们认为，用3个植物DNA条形码组成的超级矩阵重建的BCI大样地群落内物种的系统发育关系，其结果要比直接使用APGIII更好。其具体表现在：①在大的系统发育框架上，由DNA条形码重建的系统发育关系与APG的拓扑结构基本一致，样地中所包含的全部24个目都被分配在适当的系统位置上，说明对于局域尺度下的植物群落而言，利用多片段条形码组合所提供的信息可满足系统发育树的构建，其效果已接近APG系统。②在系统发育框架末端(例如科、属和物种水平上)，得益于3个DNA条形码组成的超级矩阵(包含进化速率快的片段trnH - psbA )，此时获得的末端节点二歧分枝结构比仅由Phylomatic自动生成的多分枝效果好，说明在具体的样地中，如果有充分的序列信息，加上科研人员的分类学背景知识，DNA条形码可发挥出巨大的优势。通过利用Barcode Phylogeny和Phylomatic Phylogeny对样地内的7类生境进行比较，Kress等(2009)得出了不同的群落聚集方式，他们认为利用Barcode Phylogeny得到的结果更为可靠。
鼎湖山自然保护区是我国建立的第一个自然保护区，位于东经112°30'112033' E，北纬23°09’一23°11' N，最高海拔1000. 3米，年均温20. 9°C，平均年降雨量1929毫米。鼎湖山20公顷森林动态样地有60科，120属，226种树木。其中樟科植物23种，大戟科植物21种，茜草科植物15种，桑科植物15种。由于大约66%的属只有一个种，因此，容易采用DNA条形码鉴定。通过采用rbcL ， matK和trnH一psbA三位点DNA条形码片段，我们构建了鼎湖山20公顷样地的群落系统发育树，并探讨了群落内不同尺度(20m x20m， 0. 04 ha； 100mx 100m， lha)的构建方式。通过与Phylomatic构建的群落系统树得到的结果比较，采用DNA条形码方法能更准确地研究群落的物种组成与维持机制(Peiet al. ，2011)。
DNA条形码的应用主要反映在三个方面，一个是系统发育群落生态学，这个学科发展很快。在Web of Science上，以community， phylogenetic diversity， ecology为主题，截至2012年7月30口，一共查到243篇相关论文，其中很多发表在生态和进化领域的顶级刊物上，如Ecology Letters ， Ecology， Molecular Ecol-ogy， Annual Review of Ecology， Evolution and Systematics。从发表年份上看，2010年以来发表论文数目快速增加，反映了这个学科的快速发展。
除了系统发育群落生态学以外，DNA条形码发展对于群落系统发育与植物功能性状的关系的研究发展也很快。利用分子系统发育树，探讨植物功能性状的进化及其与环境的关系是当前生态学研究的热点之一。决定植物的哪些生态相关性状是系统发育保守的，还是趋同的，在什么时间尺度上等问题，对于理解群落系统发育结构的形成原因，以及进化和生态系统后果非常重要。植物的功能性状是植物系统发育历史影响生态过程的一个重要联系。最近，西双版纳热带植物园曹坤芳课题组在《全球生态学和生物地理学》( Global Ecology and Biogeography)上发表论文(Zhang et al. ， 2011)。他们通过对中国境内98个采样点618种树木的木材密度和力学相关性状的空间分布与环境因子和系统发育的关系进行了分析。结果表明，所有11个木材性状都表现出了显著的系统发育信号，即受系统发育控制。他们研究认为，我国森林树木木材性状的空间分布式样受环境与系统发育共同作用的影响，系统发育影响物种的环境耐受性及其地理分布，并且年降雨比年均温能更多地解释木材性状的空间分布。
DNA条形码还与保护生物学密切相关。20世纪90年代，澳大利亚科学家Faith DP创建了一个生物多样性参数，称为“谱系多样性”( phylogenetic diversity ，PD )。这个参数测量一个区域内研究分类群的进化途径的长度。以往我们研究一个区域生物多样性时，通常只是比较物种数量多少、珍稀濒危物种多少，很少考虑这些物种间的系统进化关系，也很难度量这些物种间的系统进化关系。DNA条形码的应用可以使得我们对一个区域研究类群建立系统发育树，定量反映这些物种间的谱系多样性。这个参数近年来被逐渐接受，并被应用到保护生物学研究中。例如Forest等(2007)在Nature上发表论文，就采用此参数研究了生物多样性热点地区植物区系的进化潜力。2012年中科院植物研究所马克平课题组采用此参数研究了我国特有木本种子植物的多样性，并鉴定了热点地区(Huang et al. ， 2012 ， Diversity and Distribution ) 。
除了以上介绍以外，DNA条形码还可以用来研究系统发育beta多样性。该多样性指的是任何两个地点的生物个体间的系统发育距离(也即系统树上的分枝长度)，可以被看作是包含(演化)时间维度的beta多样性(Graham & Fine ，2008 ； Gomez et al.，2010)。通过比较系统发育beta多样性即不相似性，就可以分析出不同群落所处的生境类型及其相互作用关系，结合各自群落内的物种组成，共同探讨物种构建机制、生物多样性格局等诸多重要生态学问题。
2、王雨华：植物DNA条形码数据库的建设现状
数据库是植物DNA条形码研究和建设的核心。在进行DNA条形码研究和建设中，无论是从测序开始，还是做物种鉴定、统计分析、系统演化等研究和应用工作，最终都要形成数据并利用数据。因此，数据库建设是DNA条形码研究和建设中的重要内容。目前国际上做得最多的是动物类群的DNA条形码，在国际著名的数据库网站BOLD (barcode of life data systems)和GenBank中，植物类群的条形码数据相对较少，中国DNA条形码工作小组因在PNAS上发表论文而提交了1. 5万条数据，从而成为最多的植物DNA条形码数据提交者，这也从另一方面给了中国进行植物DNA条形码数据库建设的机会。
不拥有DNA条形码数据就会受制于人。从2009年起，BOLD启动了2. 5版新用户界面和数据引擎，拥有大量的DNA条形码数据，包括图像、CPS、序列、测序图谱等丰富的信息。同时，还内置了许多分析工具，研究人员可以轻松利用这些工具分析序列重复度、分类地位准确度、核背酸多样度等。中国是国际生命条形码四个中心结点之一，希望能与BOLD建立镜像站点，但经过多次努力之后，BOLD负责人仍然没有答应让中国做到网站和数据的镜像。
国家重大科学装置—中国西南野生生物种质资源库为我国植物DNA条形码标准数据库的建设提供了条件和机遇。中国要利用DNA条形码认识、研究和利用自己的植物，就必须尽快建立自己的条形码标准数据库(reference 1ibrary )。但必须解决两个难题：①规范化采样；②数据库和网站的建设。正在运行的“中国西南野生生物种质资源库”首先解决了采样难题，在此基础上为数据库的建设提供了大量的试验数据和示范机会。在参考国际DNA条形码数据库建设的同时，结合中科院昆明植物研究所及其他参与单位承担的生物DNA条形码数据库系统前期建设经验，广泛征求专家意见，从中国国情出发，兼顾国际化需求，进行我国生物DNA条形码数据库的研究和开发。首先，选择分类基础好，具有一定样品积累，对我国社会和经济发展具有重要意义和代表性的重要类群为对象开始建设。在一定经验积累基础上，进行中国生物DNA条形码数据库的标准规范研究，从而指导整个系统的建设。目前，已经完成了适合中国团队、方便用户整理数据的EXCEL模式的客户端工具，完成了近6万条DNA条形码数据库的建设，初步建立了运行服务网站，该网站能够实现数据的查询、展示和序列比对等功能。在后续开发中，除了在3年内尽可能建成中国常见植物物种标准数据库外，将重点放在模型工具的开发上，能为物种鉴定、科学研究提供更加方便、实用的工具。
植物DNA条形码数据库的建设将带动“iFlora”的应用。随着信息化、网络化的高速发展，人们的认知方式已经发生了很大的改变。认识植物是人类认识世界的强烈需求，当我们到达西双版纳或丽江时，看到一个植物就要问这个植物是什么名字，作为普通公众来说这是一个很大的挑战，因为我们大部分人都不可能像吴征锰院士一样能有这么广阔的知识，能够马上告诉你是什么植物。但随着信息化的发展，随着电脑及智能终端的推广和应用，达到吴征锰院士这种认知植物的能力就越来越近了。这种观点认为，吴院士在这个认识植物方面的智商可能是140，而一般人认识植物方面的智商可能也就是60一80，这样智商的普通人在认识植物方面可能永远也赶不上吴征锰院士，但是现在可以用智能终端进行辅助认知，即终端设备能够拥有160智商。即使普通人只有认知植物的60的智商，如果能将人和智能终端巧妙地结合起来，说不定就能等同或越过吴院士的140的智商。今天上午西部植物学会议上李德侏老师谈了在线植物志，谈到DNA条形码，进而谈到“iFlora"。可能目前我们还无法实现理想中的“iFlora"，但我们可以把《中国植物志》的信息、基于图形分类的信息初步集成，让人们借助智能终端进行初步判断。如苹果应用程序Leafsnap，就可以实现拍照叶形来识别树木了。DNA条形码的发展可以引发植物界认知的模式，但真正做到可能还有一个很长的路程，因为目前测序仍需要在实验室里做。不过，第三代测序仪正在研制，一旦形成芯片，" iFlora”的目标就实现了。
3、何兴金：植物DNA条形码与介子系统发育研究及其应用前景
植物DNA条形码与独活属分子系统发育
系统与进化是生物学中最令人着迷的领域之一。人们一直想要知道，有哪些物种与我们共同生活在这颗星球上，这些形形色色的物种从哪里来，它们之间存在怎样的关系，又怎样演化至今，它们怎样扩散到世界每个角落。本研究从中国伞形科(Apiaceae)独活属(Heracleum)的系统发育出发，对其DNA条码和分类进行了系统研究和分类系统的修订，进而研究其起源和扩散，并对已有的生物地理算法进行了改进。在此基础上，提出了新的贝叶斯分析法和时间一事件曲线分析法并编制了软件，从而能够对生物的祖先分布、形态学和生态学祖先性状等进行分析和重建。
独活属是伞形科(Apiaceae)芹亚科(Apioideae)环翅芹族(Tribe Tordylieae)的重要类群，全世界共有65一120种(按小种概念)。在中国，独活属共有29种4变种，主要分布在西南部的横断山区，其中19种1变种为我国特有种。很久以来，独活属都被认为是一个自然的类群；然而在近年的分子系统学和细胞学研究中，独活属已被证明并非单系群。已有的研究中尽管只涉及了少数中国的种类，但仍暴露出诸多问题：部分中国种类形成了独立的世系且与模式种远离，有些种类甚至与其他属交叉。对中国独活属植物进行全面的系统发育研究，对解决该属乃至环翅芹族的系统发育具有重要的意义。该属的许多植物都具有药用价值，对其分类学的研究也有助于中药的正本清源。
独活属植物分布广泛，在世界上有两个主要分布中心：一是高加索地区，另一个是中国喜马拉雅地区。其演化和迁徙与横断山区的避难所地位以及陆桥的变迁密切相关。在现有的生物地理学研究中，扩散一隔离分化分析(Dispersal一Vicariance Analysis， DIVA)是应用最为广泛的方法之一。然而，DIVA方法无法估计系统发育树的不确定性，而且会给出大量的等价结果。因此，我们在DIVA方法的基础上进行了改进，并应用到了独活属的生物地理学研究中。主要进行了以下几个方面的研究。
(1)采集了独活属全部29种和4变种植物样品，使用贝叶斯法和最大简约法对核糖体DNA ( nrDNA )ITS序列以及5个叶绿体的非编码区序列(cpDNA )( rps16一trnK，rps16 intron，trnQ一rps16，rp132一trnL和psbA一trnH)进行了分析。基于DNA条码对独活属进行了深人的分类和系统发育研究，所构建的ITS数据集包含了88个种，114个居群;当归属的4个种被用作外类群，其中55条ITS序列为首次发表。cpDNA数据集包含了环翅芹亚族和当归属的36个种42条序列，每条序列都由5个cpDNA片段拼接而成，全部cpDNA片段的序列均为首次发表。在两个数据集中，部分采自横断山区的独活属种类都测定了不止一个居群，以此判断这些种类的不同居群间已出现的形态学差异，是否达到种级分类等级，以及在分子系统发育上是否具有清晰的种间界限。作为对分子证据的补充，研究了36种独活属植物及其近缘类群的果实结构，将nrDNA和cpNDA进行综合分析，并结合果实形态和已有的形态学、细胞学进行综合分析，首次提出了狭义独活属的概念并总结出了环翅芹亚族的8个分支。研究结果部分支持了Mandenova的分组系统。多管组并非一个单系，我们不支持多管组的建立。不完全的谱系筛选和杂交，造成了核基因ITS和叶绿体基因建立系统发育树的不一致性。
(2)首次在亚族级水平的大背景框架下(环翅芹亚族)，对独活属及其近缘类群进行了分子系统发育、DNA条码研究，给出了独活属及其近缘类群的分类修订和狭义独活属分支的属下分类系统，以及其他分支的属下等级排列。现有中国独活属中有9个种被排除在的狭义独活属分支之外，它们是灰白独活H.cauesceus，白亮独活H. caudicaus，裂叶独活H.millefolium，二管独活H. bivittatum，尼泊尔独活H. uepaleuse，云南独活H. yuuuaueuse，大叶独活H. olgae，贡山独活H. kiugdouii和小金独活H. xiapjinense。这9个种在系统发育树中散布在四带芹属(Tetrataeuium，大瓣芹属(Semeuovia)和当归属(Angelica)的分支中。有两个产自高加索地区的单型属(Maudeuovia和Symphyoloma )也被包含在了狭义独活属中。小金独活应与法落海归并，放人当归属中；灰白独活、白亮独活及其变种、二管独活、尼泊尔独活、大叶独活和贡山独活应转移人四带芹属；裂叶独活及其变种应转移人大瓣芹属。修订后的中国独活属共包括23种2变种，大瓣芹属包括6种，四带芹属包括7种。
(3)使用S一DIVA方法对独活属的起源与迁徙进行了研究，结果表明：狭义独活属的起源地并非以前研究者所认为的中国喜马拉雅地区(尤其横断山区)，而是起源于西古北区，从西古北区起源地在向外扩散的过程中，独活属植物在历史上可能通过三条路线完成其迁徙，从而形成了现有的地理分布格局。这三条迁徙路线为：①西古北区一东古北区一东南亚一西南亚；②从东南亚通过白令陆桥(Bering land bridge)到达北美；③西古北区通过北大西洋路桥( North Atlantic land bridge)到达北美。
DNA条形码的应用前景及展望
研究结果显示，只要选择DNA条码的分子标记合适，可以得出很好的结果，并解决系统学问题。通过植物DNA条码研究的结论，可以反过来寻找形态特征上的间断，即DNA条码研究结果可以为分类服务。
在应用中，植物DNA条码究竟用多少个分子片段更合适，或在更高水平和种下水平中寻找？本研究认为，宜采用组合DNA条码，即核基因和叶绿体基因组合，可以达到预期效果。
由于植物种类多，要对中国所有植物的DNA条码进行研究需要加大研究经费投人力度。虽然有一些困难和问题，但通过植物分类学家的不懈努力，相信植物DNA条形码的大厦，在不久的将来会建成的。
能否像动物一样找到一个或几个通用的植物DNA条码片段，或是利用核心DNA条码，如何将DNA条形码研究工作向前推进一步，使之成为植物学界的一个标志性成果，这都需要中国科学家不懈努力，在做好大量分类和系统育研究工作的基础上，对植物DNA条形码做出里程碑意义的贡献。
4、杭悦宇：植物DNA条形码研究的瓶颈与思考
这两天很多专家对条形码研究的现状及应用前景作了很好的发言，对于研究的瓶颈问题也已经有了诸多涉及，和大家重复的看法我这里就不再谈。
目前国内DNA条形码的研究已广泛开展，特别是在中科院昆明植物研究所的领衔和组织下的大协作项目，已经取得了良好的研究成果。但是近年来此主题的研究论文数量剧增，尤其是对于小类群进行DNA条形码研究的论文，没有正确认识和运用DNA条形码，以至于一些刊物已经表明不再接受类似主题论文的投稿。那么，除了对DNA条形码的正确认识、对现有片段的优劣评价和选择等问题，在植物DNA条形码的研究中还存在怎样的一些问题呢?
很多专家已经指出，实验材料是DNA条形码研究的基础问题和根本问题，我们面对的植物是一个庞大的、复杂的体系，没有正确的分类认识和采集方法，就不能保证植物DNA条形码的准确构建。
通过两年多来对薯锁科薯锁属(相关研究已发表于PNAS，PLoS ONE ) ，寥科何首乌(种下居群)、唇形科夏枯草属、十字花科一些属的DNA条形码的研究，我想就DNA条形码研究的实验材料体系谈点认识和体会。
对植物“种”在DNA条形码研究中的概念的认识
这个问题中包括了已获得DNA条形码的未知种、错定种如何定位，但较突出的问题是广布种。对于广布种，由于经常无法进行连续分布地采样，因此往往会忽略连续变化特征而把1个种在分布区端点的居群鉴定为不同种，如夏枯草属的夏枯草、硬毛夏枯草和山菠菜这3个“小种”，其多个分子标记包括DNA条形码4个通用片段完全一致；反过来看它们的形态特征区别，仅在茎毛被的多少及叶片的一些数量特征(相关研究已发表于Journal of Medicinal Plants Research )。这样的问题在基于形态的分类中大量存在，因此，虽然DNA条形码的鉴定目标是种，但这些能获得完全一致的条形码的结果及分析值得关注，包括所选片段是否合适，实验技术有无问题，是否确实是同种的分类问题等。
植物遗传特性的影响
比如专家们提到的多拷贝问题、自然杂交问题、倍性问题等，均会影响到DNA条形码的研究结果，其中倍性问题尤其麻烦，例如薯锁科的野生黄独、薯锁的染色体倍性有2，4，8直至64倍等，其同种不同倍性个体的4个片段DNA条形码序列有的一致，有的有很大差异。因此，大量关于种的倍性的前期研究以及如何确定准确的目的材料就成为DNA条形码研究的难点。
居群问题
居群问题一直是植物研究材料采集中的重要问题，研究中发现，一些物种的DNA条形码有些片段在居群间的差异大于亲缘关系相近的种间，如盾叶薯锁居群间及小花盾叶薯锁(相关研究已发表于PLoS ONE )，而DNA条形码有些片段在个体间的差异大于居群间，如何首乌全分布区居群及每居群各10个个体的DNA条形码研究。因此，作为最小实验材料单位的个体，如何解释或完好体现其穷举性，怎样采集是合理而有代表性的，是DNA条形码研究的又一个难点。
一些特殊问题
如，雌雄异株植物是陆地生态系统的重要组成部分，据报道，被子植物中有14620个种是雌雄异株植物，而雌雄异株植物在很多分子标记或DNA标记上存在差异，如薯锁科植物。
再如，和化学成分相关联的所谓化学型问题。苍术在江苏茅山采集样品中以苍术酮为主要成分，在湖北采集样品中以苍术醇为主要成分，研究表明，4个DNA条形码片段中有2个在上述两个样品群体中存在明显差异，当然，究竟导致差异的原因是成分、环境还是居群遗传特性，值得探讨，但这里就提出是否应该建立以植物模式标本或模式标本采集地的样品为材料的“标准条形码”。植物条形码在植物生态学、进化学、分类学上已渐渐显现出研究的重要性但还很不完善，也因此成为了值得探索的、前景宽广的领域。
