林木種質(zhì)資源保存技術(shù)探討

戴 薛 張家來

(湖北省林業(yè)科學(xué)研究院 武漢 430075)

林木種質(zhì)資源即森林植物種質(zhì)資源，作為林木種質(zhì)資源載體的森林，負(fù)載著野生植物、野生動(dòng)物和微生物的種質(zhì)資源，是陸地生物(包括農(nóng)作物、野生種及近緣種)基因的“避護(hù)所”和“主基因庫”。森林植物物種及種質(zhì)丟失，將引起鄰舍生物種及種質(zhì)以4～13倍的速率丟失，因此林木種質(zhì)資源保護(hù)不僅事關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)的平衡與發(fā)展，而且直接影響到野生生物種質(zhì)資源保護(hù)，是生物種質(zhì)資源的基礎(chǔ)型種質(zhì)，關(guān)系到生態(tài)環(huán)境建設(shè)和國(guó)家可持續(xù)發(fā)展。

1 背景

近年來，生物種質(zhì)資源保護(hù)與保存的研究方興未艾，種質(zhì)保存工作越來越受到重視。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，世界農(nóng)作物種質(zhì)保存(品種資源保存)約340萬份，木本植物種質(zhì)已保存約55萬份，近年來，保存種質(zhì)份數(shù)越來越多。

1.1 種質(zhì)資源與生物資源的區(qū)別

(1)生物多樣性是以物種多樣性、遺傳多樣性、生態(tài)系統(tǒng)多樣性總和。種質(zhì)資源是物種遺傳多樣性資源，特指種內(nèi)可持續(xù)繁殖的遺傳多樣性集合體。生物資源是全部生物活體資源，廣義生物資源包括全部植物、動(dòng)物、微生物等生物資源，是生物總量資源(圖1)。

(2)林業(yè)生物資源是全國(guó)約6.7億hm2林地植物、動(dòng)物、微生物的總量資源，約5 000億株。如核桃一個(gè)樹種的生物資源，全國(guó)約10億株(包括栽培與野生)，而代表核桃的遺傳多樣性(樣本)的種質(zhì)資源可能只有2 000份。中國(guó)森林樹種多樣性中心及種質(zhì)資源區(qū)域劃分(見圖2)。

圖1生物資源與種質(zhì)資源關(guān)系示意圖

圖2 物種生物資源與種質(zhì)資源關(guān)系“三元”示意圖

1.2 林木種質(zhì)資源保存三種方式

(1)林木種質(zhì)資源需要實(shí)施原地保存、異地保存和設(shè)施保存的優(yōu)化配置。有人認(rèn)為僅需保存自然保護(hù)區(qū)或?qū)嵤┰乇４?，這一類認(rèn)識(shí)脫離了林木種質(zhì)資源保存額原則和目標(biāo)，會(huì)導(dǎo)致林木種質(zhì)資源的大量破壞或流失，不適合中國(guó)林木種質(zhì)資源現(xiàn)狀。

(2)將以往育種材料(收集圃、示范林等)都列入為林木種質(zhì)資源，這類做法對(duì)林木種質(zhì)界定認(rèn)識(shí)不清，林木育種材料或繁殖材料是為目前利用服務(wù)的、“上位”的遺傳改良材料，并不代表種內(nèi)遺傳多樣性，只能作為“保留種質(zhì)”；而種質(zhì)資源是為可持續(xù)利用服務(wù)的，完整代表種內(nèi)遺傳多樣性的種質(zhì)活體集群。

(3)樹木園或標(biāo)本園、植物園都算為林木種質(zhì)，這種認(rèn)識(shí)不科學(xué)、容易導(dǎo)致大量種質(zhì)資源的丟失。

1.3 農(nóng)、林業(yè)種質(zhì)資源面臨的問題

(1)人工栽培為主的農(nóng)作物種質(zhì)資源，現(xiàn)有品種、親本、近緣野生種數(shù)量龐大，面臨保存、評(píng)價(jià)、鑒定和利用方面的困難。

(2)野生性很強(qiáng)的森林植物(林木)種質(zhì)資源，物種多，樹種分布面積廣，生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜，雜合度高；熱帶雨林物種多度高，復(fù)層結(jié)構(gòu)，交配機(jī)制不清；天然林、次生林、人工林散生、殘次、瀕?；驖u危，面臨保存什么、如何保存、遺傳多樣性界定等困難。

(3)種質(zhì)資源評(píng)價(jià)、鑒定和利用，存在信息服務(wù)、共享機(jī)制等方面問題，如種質(zhì)性狀數(shù)據(jù)、信息卡片、種質(zhì)編目等不規(guī)范，不標(biāo)準(zhǔn)；種質(zhì)信息欄目、性狀類目等標(biāo)準(zhǔn)化問題；信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)急待開發(fā)，平臺(tái)急需建設(shè)等。

1.4 林木種質(zhì)資源界定及保存

(1)制定湖北省林木種質(zhì)保護(hù)綱要。按照國(guó)家目標(biāo)，制定湖北省分階段發(fā)展計(jì)劃與實(shí)施計(jì)劃。

(2)明確界定林木種質(zhì)資源，以便實(shí)施有效保存。林木種質(zhì)資源保存，兩種途徑并重：全面啟動(dòng)保存“保留種質(zhì)”及有效保存“核心種質(zhì)”。

(3)在全面調(diào)查、勘察種質(zhì)資源基礎(chǔ)上，全省組成分類、分批、滾動(dòng)、優(yōu)化保存體系。

(4)建立林木種質(zhì)數(shù)據(jù)登錄與管理規(guī)范、逐步實(shí)現(xiàn)種質(zhì)信息社會(huì)共享與服務(wù)，進(jìn)入全省及國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)。

2 林木種質(zhì)資源的界定與保存方式

2.1 界定

林木種質(zhì)資源是以物種為單元的遺傳多樣性資源，包括種內(nèi)全部基因(組)與基因型(組群)及其頻率載體的總和。林木種質(zhì)資源保存種內(nèi)地理生態(tài)空間上、集成群體/家系/個(gè)體/繁殖體的系統(tǒng)組合材料，以最少的遺傳重復(fù)，最大限度地代表種內(nèi)生態(tài)多樣性與遺傳多樣性的活體樣本。構(gòu)建“核心種質(zhì)”是林木種質(zhì)保存的基本策略，即是以保存最少的種質(zhì)份數(shù)，最少的遺傳重復(fù)，達(dá)到最大限度地保存種內(nèi)遺傳多樣性的目的(圖3)。

2.2 范疇

廣義上的林木種質(zhì)包含三類：

核心種質(zhì)(Core collection)，即物種遺傳多樣性及其生態(tài)多樣性的樣本種質(zhì)。有效構(gòu)建集成種內(nèi)群體/家系/個(gè)體等成為種內(nèi)遺傳多樣性樣本體系，以最少的種質(zhì)份數(shù)、最小的遺傳重復(fù)、最大限度地保存種內(nèi)遺傳多樣性的目的，其遺傳多樣性代表達(dá)到P≥95%(圖4)。

A林木種質(zhì)資源及保存示意圖B群體大小與群體有效核心種質(zhì)關(guān)系“四元”示意圖

圖3

圖4 林木種質(zhì)保存評(píng)價(jià)利用中的核心種質(zhì)的內(nèi)涵

圖5 保留種質(zhì)的組成與保存

保留種質(zhì)(reservecollection)，即育種材料、品種以及非“核心種質(zhì)”屬性的種質(zhì)，代表種內(nèi)部分遺傳多樣性或內(nèi)含特有基因與基因型，與核心種質(zhì)之間保持遺傳材料動(dòng)態(tài)交流與調(diào)整(圖5)。

陳列種質(zhì)(display collection)，即屬于廣義范疇的種質(zhì)，包括陳列的樹木園、植物園等活體標(biāo)本，由于陳列的樣本大小，遺傳背景不清楚，屬于非定義種質(zhì)，是搶救保存瀕危珍稀物種的后備或補(bǔ)遺材料(圖6)。

目前，被保存的林木種質(zhì)資源主要包括核心種質(zhì)與保留種質(zhì)。保存方式綜合使用原地保存、異地保存和設(shè)施(低溫庫等)保存三種形式。種質(zhì)資源保存確保多世代種質(zhì)繁衍過程中，盡量不丟失基因。完整的林木種質(zhì)保存包括保存、評(píng)價(jià)和創(chuàng)新利用。

2.3 保存方式與地植物區(qū)系優(yōu)化保存配置

根據(jù)對(duì)不同氣候帶的森林生態(tài)系統(tǒng)及物種的生物學(xué)、繁殖機(jī)制、林學(xué)特性、遺傳背景等現(xiàn)狀與認(rèn)知程度，包括樹種內(nèi)群體(P)，群體內(nèi)家系(F)及個(gè)體(G)，以及特定樹種的群體有效大小(Ne)，確定適宜的保存方式(或組合)與保存策略(圖7)。

圖6陳列種質(zhì)內(nèi)容

圖7 中國(guó)目前不同氣候帶森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)3種保存方式配置的技術(shù)選擇

(1)保存配置模式與樣本策略

原地保存林(自然保護(hù)區(qū)等)，(目的樹種)Ne，目的樹種核心區(qū)、保存林大小(面積、株數(shù))。此類保存方式，成本低，比較被動(dòng)，難于測(cè)定評(píng)價(jià)和利用，或許不可靠。

異地保存林，多點(diǎn)選擇(環(huán)境設(shè)計(jì))Ne，配置設(shè)計(jì)，P/F/G。此類保存方式成本較高，易受遺傳漂變與環(huán)境影響，比較積極可靠，易于測(cè)定評(píng)價(jià)和利用。

散生與零星林木聚群種質(zhì)保存，(環(huán)境設(shè)計(jì))Ne，配置設(shè)計(jì)，P/F/G。此類保存方式屬創(chuàng)新性保護(hù)或提高遺傳多樣性保存，積極有效，易于測(cè)定評(píng)價(jià)和利用。

設(shè)施保存，(種子)Ne，樣本及P/F/G組合種子量及損耗系數(shù)(Q)構(gòu)建的樣本量設(shè)計(jì)，保存條件設(shè)計(jì)。此類保存方式，成本高，積極，可靠，有利于測(cè)定評(píng)價(jià)和利用。

以上4種方式優(yōu)化組合保存及倍份保存。

繼代保存的理論、設(shè)計(jì)、技術(shù)。

(2)已經(jīng)建立的保存與評(píng)價(jià)的相關(guān)技術(shù)

①保存林(圃)的圖表管理技術(shù)。包括收集與保存的原始(本底)登記表、種質(zhì)材料繁殖登記表、保存林(圃)底圖(適用于原地保存、異地保存和設(shè)施保存)。

②保存林建立模式與營(yíng)林技術(shù)要點(diǎn)。包括設(shè)計(jì)保存模式(11種)、原地保存林的營(yíng)林技術(shù)限制、異地保存林營(yíng)建和護(hù)理技術(shù)。

③種子等繁殖材料的設(shè)備保存技術(shù)。包括種子采集、檢測(cè)、低溫跟蹤活力測(cè)定、超低溫跟蹤活力測(cè)定以及繼代保存技術(shù)。

④保存林(區(qū))觀測(cè)技術(shù)。包括不同種質(zhì)材料觀測(cè)樣本大小、觀測(cè)性狀與精度、觀測(cè)表格規(guī)范、種質(zhì)信息卡片登錄及科技人員職責(zé)。

⑤表型多樣性測(cè)定技術(shù)。按群體與個(gè)體兩個(gè)層次進(jìn)行測(cè)定，集中在生長(zhǎng)、適應(yīng)性、抗逆性、材質(zhì)等性狀方面進(jìn)行了不同程度的研究。

⑥遺傳多樣性測(cè)定技術(shù)。主要采用同功酶標(biāo)記、RAPD、RFLP等方法分子標(biāo)記等。

⑦種質(zhì)保存的數(shù)據(jù)庫信息管理。1955年建成《國(guó)家林木遺傳(種質(zhì))資源數(shù)據(jù)庫》及信息管理系統(tǒng)，1998年研制完成數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的第2版本，目前已起步研制林木種質(zhì)資源信息平臺(tái)技術(shù)。

3 保存技術(shù)選擇

3.1 保存實(shí)施技術(shù)選擇

(1)界定林木種質(zhì)資源，保存“核心種質(zhì)”與“保留種質(zhì)”(圖3，圖4)，極少量已十分瀕危的物種，用陳列種質(zhì)作補(bǔ)充。

(2)綜合運(yùn)用原地保存、異地保存與設(shè)施保存三種方式，優(yōu)化保存體系(圖6)。努力促成湖北省林木種質(zhì)資源低溫保存庫建設(shè)，研制原地保存林技術(shù)規(guī)范，鞏固和提高異地保存林建設(shè)。

(3)加速研究和修訂林木種質(zhì)資源保存的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，配套制定林木種質(zhì)保存技術(shù)規(guī)范、林木種質(zhì)資源數(shù)據(jù)集管理標(biāo)準(zhǔn)。建成林木種質(zhì)資源完善的標(biāo)準(zhǔn)體系，提高種質(zhì)源資源信息管理水平，適應(yīng)湖北省自然資源科技平臺(tái)建設(shè)要求。

3.2 省與地方林木種質(zhì)資源保存分工與技術(shù)要求

(1)省保存特有、重要的廣域分布及特殊價(jià)值樹種種質(zhì)資源，并與地方協(xié)作，優(yōu)化實(shí)施配套保存技術(shù)體系。

(2)各縣市區(qū)以本地原生物種種質(zhì)資源為對(duì)象，重點(diǎn)保存本地特有物種種質(zhì)資源、原生中心分布區(qū)和邊緣分布區(qū)的種質(zhì)資源。

(3)喬灌木樹種按生態(tài)、用材、經(jīng)濟(jì)等或多功能分類，按林木育種區(qū)、育種亞區(qū)保存群體(種質(zhì)群體、母樹林、種源林、采種林等)。

(4)地方組織保存地方品種、本地選擇的優(yōu)樹、家系親本、無性系等種質(zhì)材料；實(shí)施區(qū)域性及國(guó)家種質(zhì)登記與管理。

(5)跨區(qū)樹種種質(zhì)資源，實(shí)施地方聯(lián)合保存，在確定保存名錄后分工協(xié)作。

3.3 統(tǒng)一種質(zhì)保存樣本技術(shù)

(1)群體保存：原地保存林，郁閉度≥0.5，每塊保存核心區(qū)2～3 hm2以上；異地保存林有效樣本30株(家系)，采種每家系30株；已有的保存林按上述要求核算。

(2)家系與優(yōu)樹保存：全同胞家系保存雙親個(gè)體或材料；半同胞家系保存母株及其周圍林分；優(yōu)樹保存母株及其無性系6～8株。

(3)地方品種(農(nóng)家品種)及特殊育種材料保存：原地保存單株；異地保存按群體、家系或個(gè)體實(shí)施有性或無性材料的要求保存。

3.4 保存實(shí)施管理

林木種質(zhì)資源保存是林業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分，為切實(shí)推動(dòng)這一戰(zhàn)略的順利實(shí)施，就必須采取行之有效的措施，制定相應(yīng)的政策，使各項(xiàng)工作具備基本保障。

(1)對(duì)現(xiàn)有林木種質(zhì)資源進(jìn)行分類管理

近期建立全省森林植物管理系統(tǒng)，搶救保存重點(diǎn)物種種質(zhì)。

中期實(shí)施建成湖北省森林植物種質(zhì)資源管理體系，全面實(shí)施對(duì)重點(diǎn)、重要、特有、珍稀、瀕危物種的種質(zhì)保存，避免種質(zhì)丟失。

長(zhǎng)期全面實(shí)施森林植物的種質(zhì)保存、評(píng)價(jià)和利用。根據(jù)林木種內(nèi)生態(tài)差異與遺傳差異大小，實(shí)施統(tǒng)一計(jì)劃，多地點(diǎn)保存與評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)森林植物種質(zhì)資源系統(tǒng)保存、科學(xué)評(píng)價(jià)和有效利用。

(2)對(duì)現(xiàn)有種質(zhì)資源的管護(hù)

保存林管護(hù)。對(duì)異地保存林進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)(每年調(diào)查一次)，持續(xù)撫育(每年1次)；原地保存林優(yōu)勢(shì)木、特有種、瀕危種逐年觀測(cè)，設(shè)備保存的進(jìn)行再生能力評(píng)價(jià)等；進(jìn)行病蟲害防治、種質(zhì)資源低溫保存建立專項(xiàng)管護(hù)制度及種質(zhì)資源遺傳多樣性評(píng)價(jià)。對(duì)林木重要經(jīng)濟(jì)性狀(干、冠、花、果等)、抗逆性、適應(yīng)性等多樣性評(píng)價(jià)；進(jìn)行等位酶及DNA水平與遺傳性狀的耦合評(píng)價(jià)。防火林帶建設(shè)及林道、標(biāo)牌等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)完善等。

優(yōu)異種質(zhì)的創(chuàng)新、繁殖及利用。構(gòu)建林木種質(zhì)資源信息化平臺(tái)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)資源動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)、資源共享、資源交換和領(lǐng)導(dǎo)決策信息服務(wù)等。