種質(zhì)庫(kù)

盧新雄

“世界末日”這個(gè)詞近來很時(shí)髦，天文學(xué)家不斷探討小行星撞擊地球的可能，電影導(dǎo)演們則爭(zhēng)相拍攝有關(guān)末日危機(jī)的電影。對(duì)于世界末日，最為人們所熟知的記載，大概就是《圣經(jīng)》中諾亞方舟的故事了。盡管我們不知世界末日是否會(huì)來臨，也不知這一天何時(shí)來臨，但科學(xué)家們也在為“世界末日”做著準(zhǔn)備，他們將各種植物的“種子”收集儲(chǔ)存起來，并把相關(guān)設(shè)施比喻為植物界的諾亞方舟。

據(jù)報(bào)道，為避免自然災(zāi)害、戰(zhàn)爭(zhēng)或毀滅性災(zāi)難等導(dǎo)致植物滅絕，確保植物多樣性以及人類食物的來源，挪威政府與有關(guān)機(jī)構(gòu)聯(lián)合在挪威靠近北極的偏遠(yuǎn)島嶼斯瓦爾巴群島建造了一座“末日糧倉(cāng)”種質(zhì)庫(kù)。這座種質(zhì)庫(kù)于當(dāng)?shù)貢r(shí)間2月26號(hào)舉行了落成典禮。在此之前，已經(jīng)陸續(xù)有種子樣品運(yùn)抵那里，截止到開幕式這天，已經(jīng)有來自100多個(gè)國(guó)家的約27萬份種子、超過1億枚種子經(jīng)過編目、加條形碼之后入庫(kù)保存。什么是種質(zhì)和種質(zhì)庫(kù)，種質(zhì)庫(kù)什么樣，我國(guó)是否也有種質(zhì)庫(kù)，它的基本情況又是怎樣的呢?

農(nóng)作物種質(zhì)資源是植物種質(zhì)資源最主要的組成部分，國(guó)際上大多種質(zhì)庫(kù)是以保存農(nóng)作物種質(zhì)資源為主的。這里主要介紹的是農(nóng)作物種質(zhì)庫(kù)及種質(zhì)資源的情況。

種質(zhì)、種質(zhì)資源、種質(zhì)庫(kù)

“種質(zhì)”是指親代傳給子代的遺傳物質(zhì)，即基因。種質(zhì)載體形式不僅包括種子，還包括植株、根、莖、胚芽、細(xì)胞、原生質(zhì)體等等，甚至是DNA片段。攜帶各種種質(zhì)的材料總和被稱為“種質(zhì)資源”，也可以叫做“遺傳資源”。因種質(zhì)是攜帶基因的載體，所以種質(zhì)資源又稱基因資源。由于早期收集的種質(zhì)資源大多是品種，因此在我國(guó)，種質(zhì)資源常常被俗稱為“品種資源”。我國(guó)常把植物種質(zhì)資源劃分為農(nóng)作物、林木、藥用植物種質(zhì)資源等。

農(nóng)作物種質(zhì)資源通常包括農(nóng)家品種、育成品種(品系)、特殊遺傳材料(包括細(xì)胞、DNA)，以及野生近緣種的居群等。大多數(shù)農(nóng)作物種質(zhì)資源的種質(zhì)載體是種子。保存種質(zhì)資源的低溫冷庫(kù)及其輔助實(shí)驗(yàn)設(shè)施就被稱為種質(zhì)庫(kù)。通俗地講，種質(zhì)庫(kù)就是一個(gè)大的基因庫(kù)，是為子孫后代留下一個(gè)取之不盡、用之不完的活的生物資源寶庫(kù)。

一粒種子改變世界

種質(zhì)資源是在漫長(zhǎng)的歷史過程中，由自然演化和人工創(chuàng)造而形成的一種重要的自然資源，它積累了由于自然和人工引起的、極其豐富的遺傳變異信息，即蘊(yùn)藏著各種性狀的遺傳基因，是人類用于選育新品種和發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是進(jìn)行生物科學(xué)研究的重要材料。它不僅為人類社會(huì)提供食物、纖維等生存所需的基本物質(zhì)，還為高產(chǎn)、抗病、節(jié)水、環(huán)保等優(yōu)質(zhì)新品種的選育提供豐富多彩的親本遺傳材料。作物育種成效的大小，很大程度上決定于掌握種質(zhì)資源的數(shù)量和對(duì)其性狀表現(xiàn)及遺傳規(guī)律的研究深淺，品種培育的突破性進(jìn)展，往往都是由于找到了具有關(guān)鍵性基因的種質(zhì)資源。小麥、水稻等矮稈基因的發(fā)現(xiàn)和第一次“綠色革命”的實(shí)現(xiàn)，以及水稻“野敗”型資源的發(fā)現(xiàn)和我國(guó)在水稻雜種優(yōu)勢(shì)利用上獲得的舉世矚目的成就，都充分說明了這一點(diǎn)。

世界育種史上也不乏這樣的例子。20世紀(jì)，小麥矮稈基因Rht1、Rht2的發(fā)現(xiàn)和利用，使墨西哥由一個(gè)傳統(tǒng)的小麥進(jìn)口國(guó)一躍而成為小麥出口國(guó)；水稻半矮稈基因Sd1的發(fā)現(xiàn)并由此育成一系列IR系列水稻品種，使菲律賓、印尼、印度等幾個(gè)亞洲國(guó)家由稻米進(jìn)口國(guó)變?yōu)樽越o有余或出口國(guó)；我國(guó)人豆抗孢囊線蟲病、抗根腐病和耐濕基因在美國(guó)大豆抗病育種中的成功利用，被認(rèn)為是“挽救了美國(guó)的大豆生產(chǎn)”。

這些事例都充分說明“一個(gè)基因或一粒種子可以改變世界”、“一個(gè)優(yōu)異種質(zhì)可以改變一個(gè)國(guó)家的貧窮面貌”。

另一方面，近年來，對(duì)種質(zhì)資源新基因的發(fā)掘及產(chǎn)權(quán)保護(hù)的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。一般來說，種質(zhì)資源雖有主權(quán)，但沒有知識(shí)產(chǎn)權(quán)，而從種質(zhì)資源中對(duì)某個(gè)基因進(jìn)行標(biāo)記或克隆可獲得專利權(quán)或知識(shí)產(chǎn)權(quán)。孟山都公司從上海野生大豆中發(fā)掘出高產(chǎn)QTL，并將與此相關(guān)的64項(xiàng)內(nèi)容在101個(gè)國(guó)家申請(qǐng)了專利保護(hù)，以此制約他國(guó)。又如美國(guó)某公司利用其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，“掠奪”原產(chǎn)于印度的香米基因資源并搶注“基因知識(shí)產(chǎn)權(quán)”。這些事件的發(fā)生，都充分表明了種質(zhì)資源的極端重要性，對(duì)種質(zhì)資源的占有和有效保護(hù)利用可以說是一個(gè)國(guó)家國(guó)力的象征。

種質(zhì)危機(jī)

在過去的一年，我們聽到最多的是關(guān)于全球氣候變暖，很多研究也表明，氣候變化會(huì)對(duì)全球包括我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生很大影響，不少現(xiàn)有品種極可能不再適應(yīng)變化的氣候條件，最終結(jié)果是導(dǎo)致農(nóng)作物的減產(chǎn)或一些品種的消亡。此外，大氣臭氧層變薄也會(huì)造成農(nóng)作物減產(chǎn)。

在此背景下，有專家提出，雖然人類不太可能阻止未來二三十年內(nèi)出現(xiàn)的氣候變化，但是在一定程度上減少氣候變化對(duì)人類社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的沖擊是可能的，手段之一就是培育“更具氣候適應(yīng)力的農(nóng)作物”。而這需要從現(xiàn)有的種質(zhì)資源中著手。據(jù)國(guó)際水稻所的報(bào)告，用100多個(gè)水稻品種試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在臭氧層變薄后，不同品種受到的影響程度不同?，F(xiàn)有水稻品種資源有10多萬份，如果可以選出對(duì)臭氧層變薄不敏感的品種用做育種親本，就可以應(yīng)對(duì)環(huán)境改變這一不利影響。

不過，自20世紀(jì)以來，隨著新品種大量推廣、人口增長(zhǎng)、環(huán)境變化、濫伐森林和耕地沙漠化，以及經(jīng)濟(jì)建設(shè)等方面的原因，作物種質(zhì)資源的多樣性正不斷遭到破壞或喪失，而且數(shù)量巨大。像美國(guó)，在過去100年間，玉米、西紅柿、蘋果的種植品種喪失程度分別達(dá)到91％、81％、86％。這意味著那些長(zhǎng)期通過自然選擇和人工選擇而形成的某些重要的基因資源也隨之消失。

此外，許多國(guó)家種植的地方特有作物和品種也正在被外來作物和新品種替代或喪失，結(jié)果是農(nóng)作物種植基因源多樣性的減少和一致性的增強(qiáng)。我們知道，近親結(jié)婚會(huì)加大后代患遺傳疾病的風(fēng)險(xiǎn)，使人口質(zhì)量下降，作物也是一樣。隨著少數(shù)遺傳上有關(guān)聯(lián)的優(yōu)良品種的人面積推廣，作物基因資源變得單、狹窄，一旦發(fā)生災(zāi)難，所產(chǎn)生的嚴(yán)重后果是病蟲害的大面積暴發(fā)，進(jìn)而危及人類的生存。最著名例子是19世紀(jì)40年代馬鈴薯晚疫病的流行成為愛爾蘭“大饑荒”的生物致因。這一誘因大約造成50萬愛爾蘭人餓死，200萬人為了生存，遠(yuǎn)離故土，移居美國(guó)。近代的例子則是1970年，一種危害葉片的病菌突變體引起玉米小斑病，給美國(guó)農(nóng)民造成數(shù)億美元的損失。

在我國(guó)，作物種質(zhì)資源多樣性的破壞和喪失也異常嚴(yán)重。1949年，全國(guó)有1萬個(gè)小麥品種(主要是農(nóng)家種)在種植使用，到上世紀(jì)70年代僅有1000個(gè)品種在使用。不少報(bào)道也指出，目前我國(guó)種植的玉米、甜菜、水稻等作物雜交種的遺傳基礎(chǔ)日趨狹

窄，存在著遺傳上的脆弱性和突發(fā)毀滅性病害的隱患。據(jù)估計(jì)，農(nóng)作物栽培品種正以每年15％的速度遞減，這對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)將不可估量。調(diào)查顯示，我國(guó)分布的普通野生稻、藥用野生稻和疣粒野生稻的棲息地和種群數(shù)量，大約分別減少了70％、50％、30％；原黃河入海口附近有近萬畝的野生大豆，因開發(fā)油田現(xiàn)僅零星可見；湖北巴東、秭歸一帶豐富的砂梨資源隨三峽大壩的截留而被淹沒。

同處在一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中，生物的命運(yùn)與我們息息相關(guān)。一旦作物不能適應(yīng)外界環(huán)境的變化，人類同時(shí)也就失去了選擇的權(quán)利和抵抗的能力。整個(gè)人類的生存將會(huì)受到直接的威脅。所以有專家表示，人類的命運(yùn)取決于人類理解和發(fā)掘作物種質(zhì)資源的能力。

但如果我們沒有對(duì)各種作物的資源品種進(jìn)行收集保存，則其就可能永遠(yuǎn)消失。

保存“火種”

農(nóng)作物種質(zhì)資源保存途徑有原生境保護(hù)(原地保護(hù))和非原生境保護(hù)(異地保護(hù))兩種。

原生境保護(hù)指在其原生存環(huán)境中保護(hù)物種的群體及其所處的，豐態(tài)系統(tǒng)。方式包括自然保護(hù)區(qū)、原生境保護(hù)區(qū)(點(diǎn))和農(nóng)家保護(hù)區(qū)(點(diǎn))等。非原生境保護(hù)指把生物體從原生存環(huán)境轉(zhuǎn)移到具有不同條件的設(shè)施中保存，包括低溫種質(zhì)庫(kù)、試管苗種質(zhì)庫(kù)、超低溫種質(zhì)庫(kù)和種質(zhì)圃(植物園)等方式。

目前世界上已建成了1400多座種質(zhì)庫(kù)(圃)，保存了700多萬份(含重復(fù))作物種質(zhì)資源，其中約有90％的資源是以種子方式保存在低溫種質(zhì)庫(kù)中的，可以說種質(zhì)庫(kù)是種質(zhì)資源最主要的保護(hù)途徑。

需要說明的是，種質(zhì)庫(kù)(genebank，也稱基因庫(kù)、種子銀行)與貯藏良種或糧食的種子庫(kù)有很大區(qū)別。種質(zhì)庫(kù)是指專門用于種質(zhì)資源保存的設(shè)施，包括低溫種質(zhì)庫(kù)、試管苗種質(zhì)庫(kù)和超低溫種質(zhì)庫(kù)，一般情況下指低溫種質(zhì)庫(kù)。其保存對(duì)象是豐富多彩的遺傳多樣性資源，保存目的是提供當(dāng)代和后代人所利用。所采取的技術(shù)措施(包括入庫(kù)初始的高活力、適宜干燥處理和密封包裝，貯藏條件的低溫低濕等)是為了盡可能延長(zhǎng)種子壽命，避免頻繁種質(zhì)更新以維持種質(zhì)遺傳的完整性，且每份資源保存數(shù)量是有限的，僅幾千粒。因低溫種質(zhì)庫(kù)多以種子方式保存農(nóng)作物及其野生近緣植物種質(zhì)資源，因而常被誤稱為種子庫(kù)。

我國(guó)的種質(zhì)家底

我國(guó)是世界上最古老的農(nóng)業(yè)國(guó)之一，具有豐富的栽培和野生植物資源，被認(rèn)為是栽培植物遺傳多樣性中心之一。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，我國(guó)重要栽培作物有600多種，其中糧食作物30多種，經(jīng)濟(jì)作物約90種，蔬菜120余種，花卉140余種，果樹約150種，牧草約50種，綠肥約20種。在現(xiàn)有作物中起源于我國(guó)或史前就已栽培的有300余種。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)農(nóng)作物種質(zhì)資源擁有總量近60萬份，居世界前列。

在有關(guān)部門的支持下，我國(guó)已初步建立了以國(guó)家作物種質(zhì)庫(kù)為核心的農(nóng)作物種質(zhì)資源保護(hù)體系，包括國(guó)家種質(zhì)庫(kù)長(zhǎng)期庫(kù)、復(fù)份庫(kù)各1座，中期庫(kù)國(guó)家級(jí)10座、省級(jí)29座，種質(zhì)圃30個(gè)，試管苗庫(kù)2個(gè)，原生境保護(hù)區(qū)(點(diǎn))106個(gè)。

國(guó)家種質(zhì)庫(kù)長(zhǎng)期庫(kù)和復(fù)份庫(kù)分別位于北京市中國(guó)農(nóng)科院和西寧市青海農(nóng)科院。

國(guó)家中期庫(kù)建在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院有關(guān)作物專業(yè)研究所。

國(guó)家種質(zhì)圃分別建在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院有關(guān)作物專業(yè)研究所和有關(guān)省級(jí)農(nóng)科院。目前已建立30個(gè)國(guó)家種質(zhì)圃，幾乎涵蓋了所有農(nóng)作物和經(jīng)濟(jì)作物。至2006年底，32個(gè)種質(zhì)圃保存種質(zhì)資源達(dá)4.5萬余份，隸屬1058個(gè)物種(含亞種)。

國(guó)家試管苗庫(kù)包括甘薯(江蘇徐州)、馬鈴薯(黑龍江克山)兩種作物。兩庫(kù)保存的試管苗種質(zhì)資源近2000份。

另有86個(gè)原生境保護(hù)點(diǎn)(區(qū))收集保護(hù)的野生近緣植物物種約2500個(gè)，主要涉及野生稻、野生大豆、小麥野生近緣植物、野生蓮、野生蘋果、柑橘、苦丁茶、獼猴桃等野生近緣植物。

在這一保存體系中，國(guó)家長(zhǎng)期庫(kù)負(fù)責(zé)全國(guó)作物種質(zhì)資源的長(zhǎng)期保存，貯存的資源作為國(guó)家戰(zhàn)略資源，一般不對(duì)外供種，只有當(dāng)種質(zhì)材料在中期庫(kù)或供種單位無法找到時(shí)，才可動(dòng)用長(zhǎng)期庫(kù)保存的種質(zhì)。國(guó)家復(fù)份庫(kù)負(fù)責(zé)國(guó)家長(zhǎng)期種質(zhì)庫(kù)貯存種質(zhì)的備份安全保存。各作物的國(guó)家中期庫(kù)的任務(wù)是負(fù)責(zé)某一種或某一類作物種質(zhì)資源的中期保存，并負(fù)責(zé)所保存作物種質(zhì)資源的收集、鑒定、研究、編目、繁殖更新和提供利用。種質(zhì)圃及試管苗庫(kù)負(fù)責(zé)無性繁殖作物及多年生作物種質(zhì)的保存、特性鑒定、繁殖和分發(fā)。此外，由國(guó)家種質(zhì)信息中心(依托中國(guó)農(nóng)科院作物科學(xué)所)負(fù)責(zé)貯存種質(zhì)的信息收集與管理。

種質(zhì)庫(kù)有多安全

有了種質(zhì)庫(kù)，我們是不是就能高枕無憂了呢?答案是否定的。因?yàn)樗鼈冞€要面臨各種不確定因素的威脅。例如戰(zhàn)爭(zhēng)便摧毀掉伊拉克及阿富汗的種子銀行，菲律賓的一家種子銀行也因?yàn)?006年臺(tái)風(fēng)引發(fā)的洪水而遭到毀壞。

文章開頭提到的挪威種質(zhì)庫(kù)便充分考慮了諸多不利因素的影響，希望給予種質(zhì)庫(kù)最周全的保護(hù)。該庫(kù)建于山體內(nèi)部，從外面只能看到種質(zhì)庫(kù)的大門。整個(gè)種質(zhì)庫(kù)由堅(jiān)固的混凝土高墻和鋼鐵大門建成，內(nèi)部裝有傳感警報(bào)系統(tǒng)，即使受到核彈頭或高強(qiáng)度地震襲擊也安然無恙。據(jù)悉，之所以將“末日糧倉(cāng)”種質(zhì)庫(kù)建在斯瓦爾巴群島上，是因?yàn)檫@里遠(yuǎn)離戰(zhàn)亂，而且具備得天獨(dú)厚的自然條件。島上的永久凍土層以及厚厚的巖石層，將保證即使在斷電或制冷設(shè)備出現(xiàn)故障的情況下，種質(zhì)庫(kù)里仍能保證0℃以下的溫度。此外，由于種質(zhì)庫(kù)建在山體里，即使出現(xiàn)極端的氣候變化，也不太容易對(duì)庫(kù)中的種子產(chǎn)生影響。

之所以在種質(zhì)庫(kù)的設(shè)計(jì)和建設(shè)中將安全性放在首位，是由于種質(zhì)資源的戰(zhàn)略地位決定的。比如，種質(zhì)庫(kù)應(yīng)選擇建在作物物種多樣性較為豐富的非地震頻發(fā)地區(qū)，能夠避開山體滑坡、洪水及風(fēng)害等。在防震上，除在建筑設(shè)計(jì)上有防震措施外，聚胺脂保溫冷庫(kù)、種子架的設(shè)計(jì)也應(yīng)考慮防震措施，以免種子架倒塌造成盛放種子的鋁箔袋破裂而導(dǎo)致各品種種子相互混雜。

另外，環(huán)保因素也是種質(zhì)庫(kù)建設(shè)前需要特別注意的要件之一。比如，對(duì)于淘汰和廢棄的種子，要防止可能造成的病蟲害傳播。對(duì)于建設(shè)離體庫(kù)和DNA庫(kù)，更要在設(shè)計(jì)時(shí)考慮環(huán)保和安全性的問題，對(duì)某些有害的微生物和基因工程材料更需重點(diǎn)考慮安全性問題。

目前，對(duì)于一些突發(fā)事件，各庫(kù)一般采用備份保存加以防控。像我國(guó)青海的國(guó)家復(fù)份庫(kù)就是基于上述因素建立的。該庫(kù)于1982年建成并投入使用，保存容量40萬份，2006年國(guó)家又投資擴(kuò)建至可保存60萬份的保存容量。

需要說明的是，雖然低溫庫(kù)的貯藏條件可以大大延長(zhǎng)種子的壽命，但種子的生活力仍會(huì)緩慢下降直至消失。還有報(bào)道稱，因種子生活力的下降，有可能誘導(dǎo)種子發(fā)生遺傳變化，從而改變了親本材料的遺傳特征。此外，貯藏過程中的種子生活力監(jiān)測(cè)及提供應(yīng)用，也會(huì)導(dǎo)致庫(kù)存種子數(shù)目減少。因此必要時(shí)候，需對(duì)種質(zhì)庫(kù)中的種質(zhì)進(jìn)行繁殖更新并重新入庫(kù)保存，進(jìn)而使寶貴的種質(zhì)資源代代相傳。

責(zé)任編輯趙菲