Although much biological research depends upon species diagnoses, taxonomic expertise is collapsing.We are convinced that the sole prospect for a sustainable identification capability lies in the construction of systems that employ DNA sequences as taxon 'barcodes'.We establish that the mitochondrial gene cytochrome c oxidase I (COI) can serve as the core of a global bioidentification system for animals.First, we demonstrate that COI profiles, derived from the low-density sampling of higher taxonomic categories, ordinarily assign newly analysed taxa to the appropriate phylum or order.Second, we demonstrate that species-level assignments can be obtained by creating comprehensive COI profiles.A model COI profile, based upon the analysis of a single individual from each of 200 closely allied species of lepidopterans, was 100% successful in correctly identifying subsequent specimens.When fully developed, a COI identification system will provide a reliable, cost-effective and accessible solution to the current problem of species identification.Its assembly will also generate important new insights into the diversification of life and the rules of molecular evolution.

Abstract Although commercial kits are available for automated DNA extraction, ‘artisanal’ protocols are not. In this study, we present a silica‐based method that is sensitive, inexpensive and compliant with automation. The effectiveness of this protocol has now been tested on more than 5000 animal specimens with highly positive results.

Large-scale DNA barcoding projects are now moving toward activation while the creation of a comprehensive barcode library for eukaryotes will ultimately require the acquisition of some 100 million barcodes. To satisfy this need, analytical facilities must adopt protocols that can support the rapid, cost-effective assembly of barcodes. In this paper we discuss the prospects for establishing high volume DNA barcoding facilities by evaluating key steps in the analytical chain from specimens to barcodes. Alliances with members of the taxonomic community represent the most effective strategy for provisioning the analytical chain with specimens. The optimal protocols for DNA extraction and subsequent PCR amplification of the barcode region depend strongly on their condition, but production targets of 100K barcode records per year are now feasible for facilities working with compliant specimens. The analysis of museum collections is currently challenging, but PCR cocktails that combine polymerases with repair enzyme(s) promise future success. Barcode analysis is already a cost-effective option for species identification in some situations and this will increasingly be the case as reference libraries are assembled and analytical protocols are simplified.

The ability of a 650 base pair section of the mitochondrial cytochrome c oxidase I (COI) gene to provide species-level identifications has been demonstrated for large taxonomic assemblages of animals such as insects, birds, and fishes, but not for the subphylum Crustacea, one of the most diverse groups of arthropods. In this study, we test the ability of COI to provide identifications in this group, examining two disparate levels in the taxonomic hierarchy — orders and species. The first phase of our study involved the development of a sequence profile for 23 dominant crustacean orders, based upon the analysis of 150 species, each belonging to a different family. The COI amino acid data placed these taxa into cohesive assemblages whose membership coincided with currently accepted boundaries at the order, superorder, and subclass levels. Species-level resolution was subsequently examined in an assemblage of Decapoda and in representatives of the genera Daphnia (Cladocera) and Gammarus (Amphipoda). These studies revealed that levels of nucleotide sequence divergence were from 19 to 48 times greater between congeneric species than between individuals of a species. We conclude that sequence variation in the COI barcode region will be very effective for discriminating species of Crustacea.

Recent estimates suggest that the global insect fauna includes fewer than six million species, but this projection is very uncertain because taxonomic work has been limited on some highly diverse groups. Validation of current estimates minimally requires the investigation of all lineages that are diverse enough to have a substantial impact on the final species count. This study represents a first step in this direction; it employs DNA barcoding to evaluate patterns of species richness in 27 orders of Canadian insects. The analysis of over one million specimens revealed species counts congruent with earlier results for most orders. However, Diptera and Hymenoptera were unexpectedly diverse, representing two-thirds of the 46 937 barcode index numbers (=species) detected. Correspondence checks between known species and barcoded taxa showed that sampling was incomplete, a result confirmed by extrapolations from the barcode results which suggest the occurrence of at least 94 000 species of insects in Canada, a near doubling from the prior estimate of 54 000 species. One dipteran family, the Cecidomyiidae, was extraordinarily diverse with an estimated 16 000 species, a 10-fold increase from its predicted diversity. If Canada possesses about 1% of the global fauna, as it does for known taxa, the results of this study suggest the presence of 10 million insect species with about 1.8 million of these taxa in the Cecidomyiidae. If so, the global species count for this fly family may exceed the combined total for all 142 beetle families. If extended to more geographical regions and to all hyperdiverse groups, DNA barcoding can rapidly resolve the current uncertainty surrounding a species count for the animal kingdom. A newly detailed understanding of species diversity may illuminate processes important in speciation, as suggested by the discovery that the most diverse insect lineages in Canada employ an unusual mode of reproduction, haplodiploidy. This article is part of the themed issue ‘From DNA barcodes to biomes’.

DNA barcoding systems employ a short, standardized gene region to identify species. A 648-bp segment of mitochondrial cytochrome c oxidase 1 ( CO1 ) is the core barcode region for animals, but its utility has not been tested in fungi. This study began with an examination of patterns of sequence divergences in this gene region for 38 fungal taxa with full CO1 sequences. Because these results suggested that CO1 could be effective in species recognition, we designed primers for a 545-bp fragment of CO1 and generated sequences for multiple strains from 58 species of Penicillium subgenus Penicillium and 12 allied species. Despite the frequent literature reports of introns in fungal mitochondrial genomes, we detected introns in only 2 of 370 Penicillium strains. Representatives from 38 of 58 species formed cohesive assemblages with distinct CO1 sequences, and all cases of sequence sharing involved known species complexes. CO1 sequence divergences averaged 0.06% within species, less than for internal transcribed spacer nrDNA or β-tubulin sequences ( BenA ). CO1 divergences between species averaged 5.6%, comparable to internal transcribed spacer, but less than values for BenA (14.4%). Although the latter gene delivered higher taxonomic resolution, the amplification and alignment of CO1 was simpler. The development of a barcoding system for fungi that shares a common gene target with other kingdoms would be a significant advance.

The Barcode of Life initiative represents an ambitious effort to develop an identification system for eukaryotic life based on the analysis of sequence diversity in short, standardized gene regions. Work is furthest advanced for members of the animal kingdom. In this case, a target gene region has been selected (cytochrome c oxidase I) and pilot studies have validated its effectiveness in species discovery and identification. Based on these positive results, there is now a growing effort to both gather barcode records on a large-scale for members of this kingdom and to identify target barcode regions for the other kingdoms of eukaryotes. In this chapter, we detail the protocols involved in the assembly of DNA barcode records for members of the animal kingdom, but many of these approaches are of more general application.

This study reports DNA barcodes for more than 1300 Lepidoptera species from the eastern half of North America, establishing that 99.3 per cent of these species possess diagnostic barcode sequences. Intraspecific divergences averaged just 0.43 per cent among this assemblage, but most values were lower. The mean was elevated by deep barcode divergences (greater than 2%) in 5.1 per cent of the species, often involving the sympatric occurrence of two barcode clusters. A few of these cases have been analysed in detail, revealing species overlooked by the current taxonomic system. This study also provided a large-scale test of the extent of regional divergence in barcode sequences, indicating that geographical differentiation in the Lepidoptera of eastern North America is small, even when comparisons involve populations as much as 2800 km apart. The present results affirm that a highly effective system for the identification of Lepidoptera in this region can be built with few records per species because of the limited intra-specific variation. As most terrestrial and marine taxa are likely to possess a similar pattern of population structure, an effective DNA-based identification system can be developed with modest effort.

Although high-throughput sequencers (HTS) have largely displaced their Sanger counterparts, the short read lengths and high error rates of most platforms constrain their utility for amplicon sequencing. The present study tests the capacity of single molecule, real-time (SMRT) sequencing implemented on the SEQUEL platform to overcome these limitations, employing 658 bp amplicons of the mitochondrial cytochrome c oxidase I gene as a model system. By examining templates from more than 5000 species and 20,000 specimens, the performance of SMRT sequencing was tested with amplicons showing wide variation in GC composition and varied sequence attributes. SMRT and Sanger sequences were very similar, but SMRT sequencing provided more complete coverage, especially for amplicons with homopolymer tracts. Because it can characterize amplicon pools from 10,000 DNA extracts in a single run, the SEQUEL can reduce greatly reduce sequencing costs in comparison to first (Sanger) and second generation platforms (Illumina, Ion). SMRT analysis generates high-fidelity sequences from amplicons with varying GC content and is resilient to homopolymer tracts. Analytical costs are low, substantially less than those for first or second generation sequencers. When implemented on the SEQUEL platform, SMRT analysis enables massive amplicon characterization because each instrument can recover sequences from more than 5 million DNA extracts a year.

DNA barcoding protocols require the linkage of each sequence record to a voucher specimen that has, whenever possible, been authoritatively identified. Natural history collections would seem an ideal resource for barcode library construction, but they have never seen large-scale analysis because of concerns linked to DNA degradation. The present study examines the strength of this barrier, carrying out a comprehensive analysis of moth and butterfly (Lepidoptera) species in the Australian National Insect Collection. Protocols were developed that enabled tissue samples, specimen data, and images to be assembled rapidly. Using these methods, a five-person team processed 41,650 specimens representing 12,699 species in 14 weeks. Subsequent molecular analysis took about six months, reflecting the need for multiple rounds of PCR as sequence recovery was impacted by age, body size, and collection protocols. Despite these variables and the fact that specimens averaged 30.4 years old, barcode records were obtained from 86% of the species. In fact, one or more barcode compliant sequences (>487 bp) were recovered from virtually all species represented by five or more individuals, even when the youngest was 50 years old. By assembling specimen images, distributional data, and DNA barcode sequences on a web-accessible informatics platform, this study has greatly advanced accessibility to information on thousands of species. Moreover, much of the specimen data became publically accessible within days of its acquisition, while most sequence results saw release within three months. As such, this study reveals the speed with which DNA barcode workflows can mobilize biodiversity data, often providing the first web-accessible information for a species. These results further suggest that existing collections can enable the rapid development of a comprehensive DNA barcode library for the most diverse compartment of terrestrial biodiversity – insects.