DNA条码技术对于小作物和食品可追溯性

文摘

这篇论文展望地址小作物的可追溯性的问题。这些类型的本地查看由大量的植物分布与适度生产的最终产品的数量和耕地面积。因为全球化,小作物的扩散增加是由于对人类健康的有益或其作为食品补充剂。这种现象表明物种主要风险为替换或不受控制的外加剂生产植物产品与消费者健康的严重后果。因此需要一个可靠的识别系统基本评估的质量和来源小农产品。基于dna的技术可以帮助实现这一使命。尤其是DNA条码技术方法获得了一个角色最重要的由于其普遍性和通用性。在这里,我们提出利用DNA条码技术的优势特征和可追溯性的小作物ZooPlantLab基于我们之前或正在进行的研究(意大利米兰)。我们还将讨论如何DNA条码技术可能被从实验室转移到食品供应链,从田地到餐桌。

1。为植物识别DNA条码技术

植物作为初级生产者从远古以来人类营养的基础。据估计,大约7000种植物种植了消费在人类历史上(粮农组织数据)和大量的品种,品种也认可。粮食和农业遗传资源委员会(http://www.fao.org/nr/cgrfa/cthemes/plants/en/目前)估计,30作物通常被称为人类食物的主要农业产品,因为他们提供95%能源需求(例如,大米、小麦、玉米和马铃薯)。这些资源被广泛关注,具有每个品种的DNA标记的分析特别发达(见,例如,1- - - - - -3])。相反,可靠的描述工具小品种远非定义。小作物包括植物食品,药品,化妆品,和装饰性的目的与适度生产的最终产品的数量和耕地面积(4]。没有固定标准的值来定义一个较小的作物;然而,传统,当地所有的品种可以放置在这个类别。大多数这些物种或品种展示从食物特有的特征,制药或装饰的观点。一些轻微的例子现在广泛种植的作物和全球分布式Goji (枸杞l . (5]),北美沙果(Aronia melanocarpa(Michx), (6]),桃子棕榈(Bactris gasipaes肯(7]),画眉草(Eragrostis微软(调查)。8]),秋葵(现esculentus(l)Moench [9])。大量的小作物通常是本地生产和消费(10),但如今,发达国家不断需求的识别新活性代谢产物对人类健康和营养增加了他们在全球范围内扩散11- - - - - -14]。这种现象意味着物种替代的主要风险或不受控制的外加剂生产植物产品。替换或掺假可以深思熟虑的(例如,财务收益最大化)或无意的(例如,由于农民知识不足的)但他们可以在任何速度(对消费者造成严重后果14- - - - - -19]。

鉴于这些前提,很明显,一个可靠的定义可追溯系统是主要关心的一个方面当植物,植物,或植物提取物在食品工业中使用。需要一个明确的识别也是至关重要的,开始为农产品质量保证程序,来验证他们的地理来源(在保护原产地名称的情况下),并防止商业欺诈和掺假情况。

农产品遭受强大的加工制造之前发布的最终产品的消费者。这些过程改变植物结构,从而阻碍形态特征识别的使用大部分的农产品。为了克服这个限制,蛋白质和/或DNA的分析是现在用作植物的主要工具可追溯性。然而,尽管化学或蛋白质的方法是有用的在描述新产品的构成,这些方法可以偏见等几个因素强烈的食品生产过程,可检测同功酶的数量有限,或高组织和发育阶段特异性的标记20.]。DNA标记比蛋白质更有益的或化学的基础方法,因为DNA更好的抵制等工业流程分解,沸腾,压力烹饪,或转换由化学药剂(见,例如,18,21,22])。这个属性允许一个成功识别的植物材料,即使它存在于小痕迹(23,24]。此外,先进的技术和有效的商业工具的可用性遗传物质DNA提取允许获得一个可以接受的收益率从处理或退化的植物原料(25]。

DNA标记结果,迅速成为最常用的工具在作物和品种的遗传分析,以及跟踪和认证的原材料在食品工业流程26- - - - - -32]。pcr方法更敏感和速度比其他技术在描述农产品1- - - - - -3]。其中,如rapd分子标记不连续,妊娠,及其变体(如ISSR、SSAP)已经成功地采用作物物种的特征24]。此外,sequencing-based系统,如单核苷酸多态性(snp)和简单序列重复(SSRs)也使用,因为他们的高水平的多态性和高重现性(30.]。然而,被高度特定物种,这些方法需要访问正确的DNA序列的生物和他们的应用程序往往局限于单一的物种。

在过去的十年中,DNA条码技术作为一个通用的基于DNA工具提出了物种鉴定(33]。名称“DNA条码技术”比喻是指一个红外扫描仪意义明确的标识产品通过使用通用产品代码的条纹(UPC)。同时,这种方法是基于可变性的分析在一个或几个标准的基因组区域称为“DNA条形码/ s”(33]。该方法的基本原理是,DNA条码技术序列/ s意义明确的对应于每个物种(即。、低种内变异),但主要类群之间(即不同。、种间高可变性)[33,34]。DNA条码技术的优点相结合的三个重要的创新:molecularization(即识别的方法。,the investigation of DNA variability to differentiate taxa), standardization of the process (from sample collection to the analysis of molecular results), and computerization (i.e., the not redundant transposition of the data using informatics) [34]。

提出了几个plastidial和核地区作为植物条形码区域(35- - - - - -37),他们中的一些人现在用于作物物种的鉴定,最近看过的(38]。CBOL的2009年,工厂工作小组(联盟生命条形码)定义了一个标准core-barcode面板标记的基础上,结合部分两个编码plastidial区域:matK和:(39,40]。尽管他们高普遍性的扩增和测序成功,这些编码区域的分析失败在某些情况下由于种间共享序列(41]。内部转录间隔区地区核核糖体DNA(其)被推荐为附加标记在被子植物高度的变量(40]。其作品在许多植物组织,但在某些情况下,不完整的协同进化和个体内的变异使它不适合作为统一的植物条形码(40]。然而,的结合matK和:与plastidial基因间的非编码区域trnH-psbA增加DNA条码的识别性能。因此,使用trnH-psbA增长由于其简单的放大,其高之间的遗传变异性密切相关类群(15,35,42]。

Milano-Bicocca大学(意大利米兰),ZooPlantLab组(http://www.zooplantlab.btbs.unimib.it/)是最活跃的中心之一,DNA条码技术作为通用的可追溯系统。ZooPlantLab研究小组调查具体问题处理小作物的农业生产分析管道从实验室转移到食品供应链。这种方法旨在克服技术跟踪问题以向市场提供坚实的解决方案。

在下面几节中,我们提出的一些潜在的应用和优势DNA条码技术识别和可追溯性的食品供应链小作物。我们还检查最创新的方法处理DNA条码技术最近被用来描述这些类型的农产品。

2。小作物在供应链的可追溯性:香料

香料代表小作物的一个明显的例子。这些属于唇形科,264属的一个大家庭和近7000种描述78年]芳烃油和次生代谢物的特征。由于其独特的化学资料,这些植物通常用作烹饪,口味香精化妆品,药物的活性成分。考虑到他们的经济重要性,唇形科的许多成员广泛调查与不同的方法从形态到化学和遗传学为了描述他们的可变性和提高栽培品种的质量25,26,79年,80年]。

尽管有些物种显示独特的形态特征,这个家庭包括很多重要的属等胸腺(43),差异密切相关类群仅限于几次要的形态特征。然而,形态可能是无效的跟踪香料沿着供应链(即。,from the crop cultivation sites to the final products) which usually encompasses strong manufacturing processes such as crushing, powdering, or aqueous/alcoholic extraction of plant material.

国际机构如美国香料贸易协会(旅行社协会、http://www.astaspice.org)和欧洲香料协会(ESA,http://www.esa-spices.org/)支持的表征植物化学的资料来评估质量的药草和香料。化学特性的评估是至关重要的标准化的工业生产spices-derived产品;然而,在大多数情况下,化合物的分析不能意义明确的识别原始植物物种水平(26]。出于这个原因,我们提出了DNA条码技术方法作为一个普遍和合适的工具来描述和微量芳香物种。进行了DNA分析从不同的植物部分(22)或其衍生产品(如油、提取)存储在不同条件下(即。、干燥、冷冻)。在我们的研究(22),我们调查了6主要烹饪调味料(即组。,mint, basil, oregano, sage, thyme, and rosemary) also including their most relevant cultivars and hybrids. We collected samples at different stages of the industrial supply chain starting from seeds and plants cultivated by private farmers or in garden centers to commercial dried spices or other manufactured products. We also tested the performances of DNA barcoding starting from plant extracts. A good yield of high quality DNA was obtained through extraction protocols from all of the considered samples and then used for the next steps of the analysis (i.e., PCR and sequencing). A sufficient amount of DNA was also extracted from several of the plant extracts (Labra M., unpublished data) by using commercial kits. This first result confirmed that the industrial processes to transform the raw plant material such as drying, crushing, and aqueous or alcoholic extractions do not excessively degrade DNA. Among the four tested DNA barcoding regions (i.e.,:,matK,trnH-psbA,和rpoB),trnH-psbA物种间的遗传差异值排名第一,紧随其后的是matK和:。相反,rpoB显示测试分类单元之间的序列散度最低(见[22为进一步的细节)。

我们的研究结果部分支持提供的指导方针CBOL [40]。事实上,两个core-barcode标记(例如,matK +:)合理分配测试预期属和香料,在大多数情况下,他们也达到了物种水平。然而,最高的表演是通过使用额外的识别trnH-psbA条形码区域。一个明显的例子是罗勒(属罗勒属30 - 160组成的),一组物种与许多公认的品种(81年]。在我们的研究中,排斥trnH-psbA测试单,发现几乎所有的品种,提供一个可靠的系统识别。这个结果值得强调,因为它是第一个证据支持的有用性DNA条码技术在识别生物分类学水平低于物种之一。

其他重要的数据揭示了我们分析有关DNA条码技术的能力确定亲本和杂交物种唇形科的一些成员。一个例子就是用薄荷的情况(m .、l .),无菌间的混合m . aquatical×m . spicatal . (82年,83年]。在这项研究中证实,使用的plastidial标记m . spicatal .孕产妇的父母m .、l .因为两个类群显示相同的DNA。然而,确认明确的杂交起源m .、l .确定确切的父母的遗传,ITS2测序(外唇米共显性的标志。未公开的数据)。

总的来说,我们的工作最相关的结果的评估由DNA条码技术在一个上下文的普遍性小作物的可追溯性。使用单一引物组合对每个为数不多的DNA条码标记和标准实验室协议后,可以认识到原始物种从不同的植物部分或派生的加工材料。同样的方法也适用于验证其他草药产品通常分布在市场如茶(50],藏红花[44,84年),人参(69年],黑胡椒[59),和其他(见表1)。这些情况下清楚地强调高通用性的DNA条码技术。这是一个真实的功能性分子农产品可追溯性的工具,因为大多数的小作物尚未具有私人如SSR标记或SNP为了允许可靠的DNA指纹分析系统。此外,DNA条码技术不需要任何以前的知识的植物基因组物种调查和分析方法可以很容易地通过任何分子生物学实验室装备。

3所示。商业欺诈行为和危险的替换

如今,全球扩散的几个小作物在缺乏合适的可追溯性协议导致频繁情况下植物替换,无意或故意掺假。有几个记录商业欺诈的例子,小作物取代了相关类群显示更高的生产率或生物量但没有原始的物种的性状和营养特征/品种[27,85年,86年(参见表1)。令人震惊的情况下这种现象观察的一些最常见的香料,如地中海牛至掺入岩蔷薇incanusl悬钩子属植物caesiusl . (87年- - - - - -89年)和藏红花代替番红花vernus(l)山,Carthamus,和姜黄(19,44,84年]。在这种背景下,利用DNA条码技术可以是决定性的,因为它不仅可以验证的存在/没有原始的物种,而且识别取代了物种的性质。有史以来最震撼的替代情况下揭示了我们的调查是指鱼肉类(如卖片、鱼片、块,鱼肉酱、鱼糕、和鳍)。在这个产品类别,制造过程往往会导致损失的任何形态诊断功能,可以正确识别最初的物种。在分子的调查90年),我们记录了频繁替换帕隆博(即。,意大利方言的名字美国美国和美国阿斯忒瑞亚)和其他有价值的鲨鱼。我们的测试表明,大约80%的筛选鱼类产品没有对应于这两个物种但其他物种或属,其中一些非法捕捞或销售。从这次经历,我们测试了DNA条码技术的有效性评估植物性产品的污染。例如,在一个试点研究香料由我们组,我们发现污染物DNA在商业样品的圣人(例如,鼠尾草)由当地农民。这个DNA与物种属于家庭禾本科(例如,羊茅属sp)。我们假设这些污染物的植物是不小心一起成长的圣人和片段都错误地收集,粉碎,因此混到最后商业产品(外唇米。未公开的数据)。这些条件是危险的污染物分类单元是否对人类有毒或过敏。一个典型的例子是,坚果和杏仁,导致很多人过敏(91年]。一些商业食品(如面包、糕点、小吃)显示受这些植物污染(见,例如,76年,92年])。也在这种情况下,DNA条码技术作为一个非常通用的工具,允许检测两个物种(和许多其他过敏类群)也当他们出现在[痕迹76年]。

同样,DNA条码技术可以有效地识别这些植物物种导致消费者中毒或中毒。近年来,植物接触最频繁的中毒病例报道中毒控制中心(15,93年,94年]。其中很多是由于疏忽误认报道(95年]的作者记录了交换自发沙拉(摘要以高山(l)Wallr。)乌头种虫害和野生大蒜(葱属植物ursinuml .)秋水仙sp。乌头和秋水仙含有有毒代谢产物对人类健康有严重后果后摄入(96年,97年]。我们的分析表明,DNA条码技术允许我们探测有毒植物的存在和识别特定sequence-characterized放大区域(疤痕)有用的实时PCR方法快速诊断在毒物中心(60]。

4所示。植物分子识别在复杂的矩阵

大多数食品和化妆品是由植物物种的池,主要和次要的作物,自发的物种。这些被认为是复杂的矩阵(31日),建立可追溯性,可用性的普遍工具能够意义明确的识别每一个植物物种是必要的。我们强调DNA条码技术的假设区域(s)和是普遍使用的引物33)暗示,当该方法应用于复杂的矩阵,PCR扩增会产生一些DNA条码技术扩增子,对应于不同的物种。因为这个原因我们测试了这种诊断方法来识别植物成分制成的混合物在不同的混合产品,如商业(14)和多流的蜂蜜(布吕尼et al .,提交)。这些草药产品,详细的成分不是标签上报道;因此,很难理解哪些物种用于他们的准备,特别是如何对人类健康安全的这些。制成的混合物的情况下,我们的结果表明,主成分是简单的芳香植物(如种唇形科)有时可食用(例如,鼠尾草officinalisl;罗勒属basilicuml .)或装饰性的(例如,一串红Sellow J.A.舒尔特,交货薰衣草花angustifoliaMiller)没有对人体健康的负面影响。这些产品在其他情况下披露的存在产生自然的植物有毒的代谢产物,如生物碱,对人体健康有害的(14,98年- - - - - -One hundred.]。然而,主要关键因素识别植物复杂的矩阵是DNA条码技术参考数据库的可用性101年,102年]。迄今为止,生命的条码数据系统(即。大胆的,http://www.boldsystems.org/(103年)包含52767个植物DNA序列虽然有几个小作物和当地品种失踪。我们实验室最近的工作,编辑和其他组织,强调需要专门的档案参考这些种类的植物DNA条码技术数据(31日,67年,101年,102年,104年,105年]。在另一项研究中,我们表明,从一个健壮的本地数据库,可以描述多流的蜂蜜,花粉组成最复杂的矩阵的食物之一。我们的测试,进行蜂蜜样品生产的意大利阿尔卑斯山,显示了明显的特有类群的存在。这个结果允许我们评估不仅蜂蜜的成分,而且他们的地理起源(布吕尼et al .,提交)。参见表1为进一步的例子。

农产品由一个单一的植物相比,复杂的分子特征矩阵需要一些技术进步,特别是关于测序步骤。传统的dna测序方法(106年]只能采用直接序列扩增子源于一个分类单元。复杂的矩阵通常包含DNA混合物从属于某个分类的许多个人组(例如,被子植物)和DNA扩增可能产生相同大小的扩增子一定轨迹(如DNA条形码区域植物鉴别),因此阻碍与桑格直接测序的方法。初步的可能的解决方案是采用单独的单一DNA模板克隆一步但是这个策略有其自身的限制(例如,高成本)和可以介绍测序的偏见(例如,低表示殖民地的高度复杂的矩阵(107年,108年])。恢复到成千上万的标本的DNA序列存在于一个复杂食品基质需要并行读取从多个模板DNA的能力。自2005年以来,进步领域的下一代测序(上天)技术109年)一直在帮助与低成本解决这个问题。迄今为止,商业引入了模型的高通量测序设备根据不同的化学反应和检测技术108年]。门店技术可以产生高达数千万并行测序读,这些方法被用于各种各样的应用程序,包括食品的可追溯性矩阵包含农产品(73年,74年,110年]。

总之,鉴于门店的快速发展和标准化进展,我们认为,一个普遍的方法如DNA条码技术结合他们可以提供一个新的机会的可追溯性小作物从田地到餐桌。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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