应用遗传距离确定蠕虫物种边界的创新工具 ——ABIapp

研究人员开发 ABIapp 确定蠕虫物种边界，准确率达 75 - 76%，为蠕虫研究提供重要助力。

　　在神秘的微观世界里，寄生虫蠕虫（Parasitic helminths）如同隐藏的 “小怪兽”，种类繁多且分布广泛。据估计，全球可能存在多达 100,000 种蠕虫，然而其中 85 - 95% 仍是未知的 “神秘物种”。这些小家伙生活习性复杂，它们能在不同宿主间 “切换住所”，在土壤、海洋等各种环境里 “安营扎寨”。

过去，科学家主要依靠观察蠕虫的外形特征来辨别它们的种类。可这方法困难重重，就像给一群 “易容高手” 做身份识别：蠕虫的形态特征常常模糊不清，不同宿主和生活环境会让它们的外形发生变化，标本制作过程中的技术差异以及不完整的标本，都让形态学鉴定难以精准完成。随着科学技术的发展，分子生物学手段为蠕虫鉴定带来了新希望，遗传标记（Genetic marker）成为了有力的 “新武器”。不过，新问题又接踵而至，物种复合体和隐种现象让基于分子的鉴定工作变得复杂，就好比在一堆长得很像的 “双胞胎” 中找不同，基因变异使得确定物种边界成了难题。

为了攻克这些难题，来自泰国玛希隆大学热带医学院（Mahidol University, Bangkok, Thailand）的研究人员开展了一项意义重大的研究。他们成功开发并验证了一款名为应用分类边界进行蠕虫物种鉴定（Applying Taxonomic Boundaries for Species Identification of Helminths，ABIapp）的应用程序，相关研究成果发表在《BMC Bioinformatics》杂志上。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。他们先从 NCBI 数据库中提取了蠕虫的基因序列，这些序列来自十个遗传标记，包括核 18S 和 28S 核糖体 RNA（rRNA）基因、核内转录间隔区 1 和 2（ITS1 和 ITS2）区域以及线粒体相关基因等。通过 ClustalX 2.1 和 Bioedit 7.0 对序列进行比对，再利用 MEGA X 计算遗传距离，最后借助 Wolfram Mathematica 12.1 中的 K - 均值聚类算法（K-means algorithm）确定遗传距离的临界值，这些临界值被用于构建 ABIapp 的数据库。此外，研究人员还使用实际的蠕虫标本进行验证，对标本进行 DNA 提取、PCR 扩增、测序等操作，获取基因序列后与 ABIapp 中的数据进行比对分析 。

下面来看看具体的研究结果：

• 确定分类边界：研究人员利用 K - 均值算法计算出了十个遗传标记在六个蠕虫类群中的遗传距离，这些距离在不同蠕虫类群和遗传标记之间差异明显。例如，线虫第一进化枝（Nematode clade I）使用 COI 基因时，物种间的遗传距离范围是 6.7 - 17.6%，平均为 12.1%；而吸虫斜睾目（Trematode Plagiorchiida）该基因的物种间遗传距离范围是 6.6 - 19.1%，平均为 15.0%。这表明，对于寄生虫蠕虫来说，使用通用的遗传距离值判断标本是否属于同一物种并不可行，而 ABIapp 能帮助研究人员更好地判断分类边界。
• ABIapp 的分类准确性：
  • 计算机模拟验证：研究人员从 117 篇文献中收集了 591 个遗传距离值输入到 ABIapp 中进行验证。结果显示，在六个蠕虫类群、十个遗传标记以及三个分类层级上，ABIapp 的总体分类准确率达到了 76%。不同蠕虫类群和遗传标记的分类准确率有所差异，线虫第五进化枝（Nematode clade V）的准确率最高，达到 90%；线粒体 ND1 基因的平均分类准确率最高，而 ITS1 区域最低。线粒体遗传标记的分类准确率略高于核遗传标记。通过更新数据库，将物种数量从原来的约 91 种增加到 281 种，ABIapp 的分类准确率从最初的 69% 提升到了 76%，这表明扩大物种数量对提高分类准确率至关重要。
  • 实际标本验证：研究人员选取了十个具有代表性的蠕虫标本，对线粒体 COI、12S、16S 以及核 18S 基因进行分析。结果显示，ABIapp 的总体准确率为 75%，在 40 个数据点中有 30 个被正确分类。与其他三个在线平台（ASAP、ABDG 和 bPTP）相比，ABIapp 的准确率更高，其他平台的准确率在 35 - 45% 之间。在不同蠕虫类群中，绦虫和吸虫（斜睾目）的分类准确率较低，而线虫第一进化枝、第五进化枝和吸虫（双腔目）的准确率达到了 100%。在四个遗传标记中，线粒体 COI 和 16S rRNA 基因的分类准确率较高，达到 90%。不过，由于参考数据库中序列数量以及遗传标记序列变异程度等因素的影响，实际结果与预测结果可能存在差异，有时需要辅助遗传标记来确认物种。
  
  

研究结论和讨论部分指出，ABIapp 为蠕虫研究人员提供了一个开创性的工具。它的分类准确率高于其他在线平台，拥有方便易用的界面，用户只需上传 FASTA 文件或输入遗传距离值，就能轻松获得物种边界和系统发育信息，即使是生物信息学知识有限的用户也能操作。ABIapp 还能帮助减少物种误判，在生物多样性调查中辅助发现新物种和确定物种界限。不过，ABIapp 也存在一些局限性，比如数据库更新不及时，无法用于植物寄生蠕虫的鉴定，并且不能进行进化推断等。但与其他在线工具相比，它在蠕虫（线虫、吸虫和绦虫）分类方面的优势明显，为蠕虫分类学研究开辟了新的方向。研究人员计划每年更新 ABIapp 的数据库，以提高其分类准确性和实用性，助力蠕虫学领域的研究不断向前发展。