稻種資源收集、保存和更新中存在的問題及對策

江 川,朱業(yè)寶,張 丹,鄭蘋立,王金英

(福建省農業(yè)科學院 水稻研究所，福建 福州 350018)

稻種資源是長期自然演化、人工選擇、創(chuàng)造的珍貴活體遺產，是水稻育種、遺傳工程和基礎理論研究不可或缺的物質基礎，更是人類賴以生存和發(fā)展的最重要的物質基礎。稻種資源的發(fā)掘、創(chuàng)新和合理利用在水稻科研育種中發(fā)揮了巨大作用[1]。全球水稻生產的第1次重大突破就是源于對秈稻半矮稈基因sd-1的利用促成了矮化水稻的成功培育，使水稻單產提高了20%。水稻生產的第2次飛躍則依賴于雄性不育野生稻的發(fā)現(xiàn)和雜種優(yōu)勢的利用，使水稻的單產又增加了20%。由此可見水稻生產的重大突破，都與新稻種資源的發(fā)現(xiàn)與利用有著密切的聯(lián)系[2]。野生稻是栽培稻的祖先，作為另一種重要的水稻資源，其蘊藏著抗病、抗蟲、抗逆、高產等可用于栽培稻品種改良的優(yōu)異基因及水稻育種的關鍵性基因[3]。野生稻的優(yōu)異基因在水稻的兩次綠色革命和育種變革中都做出了重大貢獻，使我國的水稻育種工作走在了世界前列。稻種資源的收集、更新和保存既是稻種資源研究的基礎，也是水稻育種可持續(xù)發(fā)展的重要物質保障，對促進我國水稻生產持續(xù)性發(fā)展和新突破將發(fā)揮積極作用[4]。

稻種資源收集、保存和更新對水稻生產意義重大，在稻種資源遺傳多樣性保護中三者相輔相成缺一不可，收集是基礎，更新是途徑，保存是目的。目前稻種資源收集、更新和保存過程中存在較多問題，直接影響水稻生產的發(fā)展。本文就稻種資源收集、更新和保存過程與現(xiàn)實中面臨的一些問題提出了一些相應對策，為補充和豐富我國稻種資源提供參考。

1 稻種資源的收集

我國分別于1956～1957年、1979～1983年對稻種資源進行了2次普查，收集了全國各地的水稻地方品種、育成品種和野生稻資源。近30多年來，氣候、自然環(huán)境、種植結構和土地經營方式等因素的變化，導致了水稻生產上大量的地方稻種迅速消失，野生稻資源也因其賴以生存繁衍地遭受破壞而急劇減少。因此加快稻種資源的再次普查，收集和保護攜帶重要基因的稻種資源顯得十分迫切。

1.1 稻種資源收集中存在的問題

當前水稻生產上主要是推廣雜交水稻，其具有優(yōu)質、高產、抗性好及對自然和生態(tài)環(huán)境高度的適應性，極大地滿足了當?shù)剞r民生產生活的需求，因而對那些產量低、高稈易倒伏、抗性和適應性差的地方品種的種植產生了極大沖擊，從而導致許多地方稻種已經消失。而由其他國家或地區(qū)引入的外來水稻資源雖能反映原產地區(qū)的自然條件和生產特點，但對本地的生態(tài)條件適應性和穩(wěn)定性差，這也對稻農選擇種植品種具有一定的影響。因此，地方稻種和外來稻種的收集難度很大。

由于水稻生產的商業(yè)化和經濟化發(fā)展，水稻育種者的品種權保護意識不斷增強，導致育種工作者新育成的品種及其親本不愿意提供給種質資源工作者進行保存和創(chuàng)新利用。新的水稻資源分散在各育種者手里，得不到流通和再次利用，一旦這些品種不在生產上應用或是育成者退休，這批資源就會丟失殆盡。當前開展新的稻種資源的收集工作困難重重，除了第一次和第二次全國農作物種質資源普查與收集行動中收集到的一些稻種資源保存在國家種子庫和各省市地方種子庫里，很難再收集到新育成的稻種資源。

野生稻作為另一種稻種資源，一般多生長在人跡罕至的沼澤、池塘、灘涂等交通不便的地方，近年來由于受工業(yè)化、城鎮(zhèn)化和農村土地的流失等人為因素的干擾，野生稻原始居群大量消失[5]。目前原生態(tài)環(huán)境中野生稻資源存在數(shù)量越來越少，收集難度也越來越大。據(jù)調查，我國在20世紀80年代初調查記載的野生稻分布點已經消失了近80%的居群[3,6]。廣西壯族自治區(qū)1981年有野生稻分布點1342個，目前僅剩325個[7]。廣東省原有普通野生稻分布點1083個，目前僅剩106個，已經完全消失的野生稻分布點有977個，分布點喪失率高達90.55%，已現(xiàn)嚴重瀕危的趨勢[8]。福建省漳浦野生稻原來有2個原始自然居群，其中一個自然居群因受農事活動等人為因素的影響沒有得到及時保護，于20世紀末就已經完全消失。近30年來未再開展野生稻種質資源的普查，致使我國野生稻資源本底不清，喪失嚴重。

1.2 稻種資源收集的對策

1.2.1 建立稻種資源收集與水稻育種的合作平臺 稻種資源的收集工作要協(xié)調好育種者與資源工作者之間的關系，設立可以相互溝通的交流平臺，育種工作者不僅可以從資源保存者手里交流到所需的稻種資源，也可以得到該水稻品種的農藝性狀和遺傳特性等方面的數(shù)據(jù)，指導水稻育種和水稻生物技術研究，實現(xiàn)種子實物及農藝性狀數(shù)據(jù)的資源共享。育種單位也要同時提供相應的種質，包括育種過程中通過各種手段創(chuàng)制的一批已穩(wěn)定的具有某些特異性狀的遺傳資源和中間材料，交給種質資源研究單位保存，以防止資源流失。這樣既保護了育種單位和育種者的權利和義務，同時也確保了稻種資源的收集、保存和可持續(xù)性發(fā)展。

1.2.2 制定合理的稻種資源收集方法和步驟 首先，水稻地方品種和野生稻種質資源的收集需要有切實可行方法，通過走訪、詢問、調查等方式對當?shù)毓爬?、珍稀、特有、名?yōu)的水稻地方品種和野生稻種質資源的營養(yǎng)品質、食味性、抗病蟲性、抗逆性、對氣候變化的適應性等方面進行詳細了解，明確其可利用性及推廣潛力。其次，收集資源中必須帶好如種子袋、標簽、標本夾等必備物資材料，同時對收集到的每份資源都要仔細填寫種質資源收集表，每份資源樣本對應一個采集號。最后對采集點進行定位、圖像信息處理，將收集的資源及其收集表信息整理好，及時提交省級農科院，由省級農科院妥善保存并按照相關要求開展資源的鑒定評價和入庫(圃)保存等工作。

野生稻種質資源的收集必須以居群遺傳學和居群生物學為指導進行科學合理的取樣，對一定群體范圍內的野生稻個體進行取樣時，所取樣本應盡可能多地包含該范圍內野生稻的遺傳變異[9-10]。一般在不知道某一物種生物學特性和遺傳背景的情況下，采用隨機取樣方式對某一居群進行取樣并且數(shù)量在30個左右比較能代表該居群的遺傳變異[11]。Xie等在進行遺傳多樣性研究和異位保護研究后認為對每個居群普通野生稻取樣數(shù)應多于25株，相鄰取樣個體間的距離應大于12 m[12]。野生稻在自然界部分是靠種莖無性繁殖，居群內的遺傳變異有可能呈斑塊狀分布。這時應該采用分層隨機取樣。普通野生稻由于生存環(huán)境的特性及其本身的生長特性，在原生境進行種子收集的難度很大，一般采用的方法是對異地保護的群體植株進行套袋留種。

2 稻種資源的保存

我國進行了2次全國性大規(guī)模的農作物種質資源收集及多次專項考察收集，挽救了一大批瀕臨滅絕的地方稻種和野生稻資源。目前已建立了國家農作物種質資源保存的長期庫、中期庫、種質圃、原生境保護點和國家基因庫相結合的種質資源保護體系。中國農業(yè)科學院作物所韓龍植研究員統(tǒng)計得到：截止2010年我國共整理編目稻種資源82386份，其中包括野生稻種、地方稻種、選育稻種、國外引進稻種、雜交稻資源、遺傳材料等稻種資源[13]；國家種質庫盧新雄研究員統(tǒng)計得出：從1998年開始，中國農業(yè)科學院作物所、云南省農科院、山西省農科院等十幾個單位的地方水稻種子庫因保存條件差或人員變動，保存的種子喪失發(fā)芽率或丟失導致絕種，重新申請從國家種子庫取出他們早期存入國家?guī)斓姆N子進行繁種更新，補足曾經缺失的資源。2000年左右，國家中期庫中保存的約有4萬份各類稻種資源，由于所保存的每份種質資源數(shù)量少，且經過20幾年長時間保存種子發(fā)芽率逐漸降低，因此在科技部基礎性工作和農業(yè)部作物種質資源保護項目的資助下，2001年開始重新組織廣東、廣西、福建等十幾個省農科院在原產地開展了國家中期庫稻種資源的繁種更新，2001～2004年3年間共繁殖更新19412份稻種資源，其中福建地方稻種就有1950份左右重新種植更新送入國家中期庫保存。

福建省農業(yè)科學院水稻研究所種質資源室科技人員為了了解貯藏在本所0～5 ℃短期庫內水稻種子的活力情況，于2010年分別對2001～2008年田間種植更新貯藏到冷庫的種子隨機分別取20份做發(fā)芽實驗，結果表明：經過2～10年不同時間的貯藏，平均發(fā)芽率只有81%，發(fā)芽率均有不同程度的下降。

2.1 稻種資源保存中存在的問題

栽培稻種質資源多以種子形式保存于種質庫中，裝入紙袋，保存于溫度10 ℃、濕度50%的短期庫中的種子可保存5～10年；裝入密封容器，保存于溫度0～5 ℃、濕度40%～50%的中期庫的種子可保存20～50年；裝入真空包裝，保存于溫度-15～-10 ℃、濕度<35%的長期庫的種子可保存70～100年。但在保存過程中種子的活力會有所下降，這是由于染色體畸變的累積引起的[14-16]。另有研究發(fā)現(xiàn)，低活力種子繁殖的后代中有基因突變現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為隱性突變[16-17]，偶爾也有顯性突變[18]。此外，低活力的種子還會喪失種質資源的遺傳完整性[14,19]。

野生稻資源有原生境保存和異位保存2種方法。原生境保存可以保存其完整的遺傳多樣性和固有的遺傳進化途徑，因此被認為是最佳的保存方法[20-22]。異位保存包括種質庫保存和種質圃保存。異位保存因野生稻種質自然進化終止，遺傳多樣性的發(fā)展受阻，還可能由于遺傳漂移和重組致使有潛在利用價值的基因受到破壞或丟失。

2.2 稻種資源保存中問題的對策

國際水稻研究所主要采用種子復份異地保存法，該方法有利于種子的安全貯藏和利用，但由于野生稻種子的遺傳異質性和雜合性，其有性繼代樣本會產生分離，這種保存法無法代表原生境種質的遺傳組成。而日本國立遺傳所則主要采用種質庫和種質圃相結合的保存法。我國政府非常重視作物資源的保存、保護工作，先后在北京和青海建立了2個國家長期種質庫，1個國家中期庫和20多個地方或專業(yè)作物中期庫以及32個多年生種質資源保存圃。我國各省(市)科研院所的栽培稻資源主要以種子的方式保存在地方中短期庫內。野生稻資源保存有異地保存和原生境保護2種方式，異地保存有種子庫保存和野生稻種莖保存2種方式。農業(yè)部從2001年開始正式啟動野生稻原生境保護工作，已在廣東、廣西、海南、云南、江西、湖南和福建等有野生稻資源的7個省份建立了野生稻原生境保護點[23]，并在廣東、廣西建立了兩個野生稻資源國家異位保存圃，同時有野生稻的省(市)也在當?shù)亟⒘艘吧井愇槐４嫫浴?/p>

3 稻種資源的更新

針對不同的種質資源類型，制定科學規(guī)范的保存及更新方法，對水稻資源遺傳多樣性的完整、持久及安全保存，對水稻遺傳育種具有十分重要的意義，然而在收集、保存及更新過程中，由于遺傳漂移、遺傳漂變、適合度選擇和污染(花粉、種子等)而造成種質資源完整性的喪失已被廣泛認識[24-27]，因此，對種質資源更新策略的研究是非常必要的。

對栽培稻而言，可定期對種質資源進行繁殖更新，以降低貯藏種子基因突變和田間選擇對種質資源遺傳完整性的影響，材料多時可進行輪換種植。我國農作物種質資源長期庫以發(fā)芽率下降到60%作為自花授粉作物繁殖更新的臨時執(zhí)行標準；而對于地方種，更新標準為起始發(fā)芽率的85%。野生稻也必須定期收集更新，前蘇聯(lián)植物育種學家和遺傳學家瓦維洛夫認為野生資源在自然環(huán)境下每隔15～20年會出現(xiàn)新的遺傳變異，因此每隔一定時間必須對野生稻進行重新收集、考察、鑒定評價[23]。

3.1 稻種資源更新中存在的問題

栽培稻的天然異交率為0.2%～4%，最高可達5%[27]；野生稻的天然異交率(t)變化范圍在0.2777～0.889之間[28-31]，且分蘗力強，會過分消耗其周圍的水分及營養(yǎng)；種子的落粒性強，易出苗，造成混雜。因此在種植更新過程中要考慮的問題就是避免相鄰小區(qū)間因天然異交而引起種質資源樣本遺傳特性的變化。

3.2 稻種資源繁殖更新中問題的對策

合理的種植方式及適宜的收種方式可以保存種質資源遺傳的完整性。就種植規(guī)模來說，一般來說50～172個單株可以保持群體中頻率不低于0.05的稀有類型基因[18,22,24,32]。為保證繁殖樣本的遺傳特性，每一繁殖小區(qū)要淘汰兩個邊行[33]。種子收獲時主要采用混合法，即混合收獲全部植株的種子，隨機取樣形成下一輪保存樣本。該法田間操作容易，又可降低種質資源保存過程中基因突變的累積效應[34]。

野生稻的異交率很高，在種莖更新保存過程中，應適時割葉留茬，在生長旺季必須每月割葉1次，在生長淡季每2～3月割葉1次，這樣既可抑制野生稻開花，又可防止串粉異交及種子落粒出苗造成混亂，從而保持野生稻遺傳的完整性和種質的存活率。需要留種時，要在野生稻已經抽穗?yún)s尚未開花時適時給每穗套上牛皮紙袋，以防串粉異交[11]。由于光照對種子的質量有重要影響，所以，要待野生稻稻穗開花結束閉穎后，以網袋代替牛皮紙袋[35]。野生稻分蘗力強，生長旺盛，對周圍的養(yǎng)分消耗很大，隨著養(yǎng)分的消耗，生長會減緩甚至停滯，因此最好每年的4、5月份進行種莖移栽更新，盆栽的野生稻要重新?lián)Q盆換土，以保證其正常生長對養(yǎng)分的需要。

4 展望

稻種資源收集、保存和更新是一項長期性基礎工作，責任重大、任務繁重、工作量大，必須有一支穩(wěn)定的從事種質資源研究的科研隊伍，并能持久地開展種質資源的收集、更新、保存與鑒定工作。今后種質資源研究的重點是繼續(xù)全面普查收集稻種資源，引進起源中心和多樣性中心的優(yōu)異種質資源，并對新收集的資源進行更新、編目、入庫(圃)保存。在更新和保存過程中，要保證稻種資源遺傳多樣性和完整性，減少遺傳漂移和漂變，對于抗蟲、抗病、抗逆以及不以顯性性狀出現(xiàn)的變異需要采用DNA手段與常規(guī)技術相結合的方法進行及時檢測。在廣泛收集、妥善更新和保存的同時繼續(xù)深入挖掘和開拓利用新的稻種資源，建立稻種資源精準鑒定評價體系，對稻種資源進行規(guī)?；途珳驶b定評價，發(fā)掘能滿足現(xiàn)代育種需求的優(yōu)異資源和關鍵基因[36]。通過對水稻資源進行深入評價、積極創(chuàng)新，形成規(guī)范的資源獲取和利益共享機制，為水稻優(yōu)質、高產、高抗、廣適性育種創(chuàng)造和提供可有效利用的優(yōu)異稻種資源。