中國西南有一座神秘的種子庫

趙漢斌

一個基因可以影響一個國家的興衰，一個物種可以左右一個地區(qū)的經(jīng)濟命脈。

這次滇南之行，張挺博士的運氣不錯。他不但采到了竹生羊奶子、天胡荽和金腰等一批珍稀植物的標本和種子，還在“行程之中、運氣之外”采到報春和蘭科的疑似新種標本。

種子，是植物遺傳信息的攜帶者和傳遞者，是植物繁衍之源，也是一國不可或缺的戰(zhàn)略資源。

在中國昆明北郊，元寶山山頂茂密的樹林里，隱著一座低調(diào)而神秘的“國之重器”——中國西南野生生物種質(zhì)資源庫，也被稱為我國野生生物的“末日種質(zhì)庫”。在這座暗紅色大樓二樓的種子管理實驗室，種子采集員張挺打開一層層報紙，5天前云南蒙自之行的最新收獲一一呈現(xiàn)。

“每一粒種子、每一號標本都得來不易;在國家?guī)炖锒紤撚兴鼈兊臈碇??！睆埻φf。

同在這間實驗室，種子清理員李桂花凝神定氣清理完2000粒如微塵般細小的蘭科植物種子后，又轉(zhuǎn)移到另一個工位，檢查一種禾本科植物——光穗披堿草——10年一次的萌發(fā)情況。經(jīng)過7天的喚醒、復蘇，光穗披堿草此時葉芽碧綠，根系伸張，50粒種子如數(shù)成功萌發(fā)，李桂花臉上漾開了笑容。

“這是從冷庫里上萬粒光穗披堿草種子中抽樣取出的。10年過后，小小種子仍有這么旺盛的生命力，真是件讓人開心的事?！眲倽M50歲的李桂花笑言，“還有大量種子要保存幾百年、上千年，不過那時，該是我們的子子孫孫來檢測這些小寶貝的活性了?！?/p>

作為我國唯一以野生生物種質(zhì)資源保存為主的設施，截至2020年12月，中國西南野生生物種質(zhì)資源庫已保存植物種子10601種85046份，占我國種子植物物種數(shù)的36%;植物離體培養(yǎng)材料2093種24100份，動物種質(zhì)資源2203種60262份，微生物菌株2280種22800份。

因保存量居亞洲第一，我國的這座西南野生生物種質(zhì)資源庫與英國“千年種子庫”、挪威“斯瓦爾巴全球種質(zhì)庫”等一道，成為全球生物多樣性保護的領跑者。

一代碩儒心憂天下，種質(zhì)庫生逢其時

楊湘云，中國科學院昆明植物研究所正高級工程師，種子生理學博士，中國科學院昆明植物研究所種子生理學研究組執(zhí)行組長。

27年前，她還沒有這么多頭銜。好學、年輕，對世界充滿向往。從中國科學院西雙版納熱帶植物園碩士畢業(yè)后不久，楊湘云獲得了去英國做訪問學者的機會。

“其實，那時我還真不知道要往哪個方向鉆。純屬偶然，我的一位同學剛參觀過英國皇家植物園——邱園，跟我描述了那里的情況。懷著好奇，我就同時報考了邱園的種子儲藏生理學方向和劍橋大學的植物科學系。”沒想到，這兩個地方都錄取了她，只是劍橋大學晚了些時日，那時，她已接受了邱園休·普里查德教授的邀請。

1994年4月—1999年5月，楊湘云在邱園的種子世界里泡了5年，摸索復雜而多樣的種子結(jié)構(gòu)，學習世界名園的種子儲藏技術(shù)和先進理念，隨后帶著“一身武藝”回到故鄉(xiāng)云南。

彼時，在“植物王國”云南，我國植物分類學泰斗、《中國植物志》主編、中國科學院昆明植物研究所名譽所長吳征鎰院士在思考一個深邃而有前瞻性的問題：大量植物棲息地喪失、過度采集、環(huán)境污染、外來物種入侵和轉(zhuǎn)基因植物釋放、氣候變化，給全球野生生物資源帶來了地球歷史上5次生物大滅絕以來的最大考驗，學界該如何應對？

1999年8月8日，吳征鎰致信國家有關部門，闡述了我國野生生物保護措施不足，以及在生物多樣性最為豐富的云南建設一座野生生物種質(zhì)資源庫的緊迫性和必要性，并提出，這是我國生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略重點和國家利益所在。信函很快得到批復，云南省政府和中國科學院旋即展開了科學調(diào)研和可行性研究的相關工作。

“不能不說，我是很幸運的！”說起一次偶然的選擇，以及幾乎“無縫連接”的機緣，楊湘云把短發(fā)往后一揚，神情一如當時投入這一生的事業(yè)。

1999年動議，2005年正式開工，2007年建成并投入運行。作為這一項目的總工藝師，楊湘云和當時已在植物分類與分子系統(tǒng)發(fā)育研究方面嶄露頭角的青年才俊、項目總負責人李德銖研究員攜手，擔當起了我國這一大科學基礎設施的建設重任。

從科學調(diào)研到項目定位，李德銖、楊湘云團隊筆下的建設藍圖越來越清晰，“五庫一體”的保存模式，也成為世界生物學界的創(chuàng)新之舉：以植物種子庫為核心庫，兼具植物離體庫、植物DNA 庫、動物種質(zhì)庫和微生物庫。

元寶山山頂海拔1958米，即使未來全球氣候持續(xù)變暖或發(fā)生其他災難性地質(zhì)事件，這座種質(zhì)資源庫也會巍然屹立。

“我們站在前人的肩膀上，設計理念和基礎建設可以說得到了很好的優(yōu)化，在可以承載地上30層樓的基礎工程上建設了5層樓房。冷庫位于地下6米，給庫存種子提供了一個非常安全的家?！睏钕嬖普f。

從種子管理室下樓乘電梯，可直達山腹的主干燥間和冷庫。打開厚重的灰白色大門，一股冷氣從80平方米主干燥間撲面而來。在主干燥間的一頭，整齊地排布著5間40平方米的冷庫，其墻壁具有良好的保溫保濕性能。一排排鋼架在冷庫里整齊排列，一個個特制的密封玻璃罐，裝滿純凈而飽滿的種子。

“這里溫度常年保持在-20℃。在這樣的溫度下，種子壽命可極大延長，有的可存活上千年。如水稻和小麥的種子，能存活3000多年;而棉花種子甚至能存活6.7萬年之久?！狈N質(zhì)資源庫種質(zhì)保藏中心主任蔡杰博士說。

由于冷庫溫度低，為防止凍傷，種子管理員每次出入，都得穿上厚厚的羽絨服，戴上防凍手套，才能入庫操作。

小小野生植物種子，緣何成為戰(zhàn)略核心

環(huán)視全球，生物產(chǎn)業(yè)競爭聚焦到了種業(yè)，并演變成一場不見硝煙的戰(zhàn)爭。具有自主知識產(chǎn)權(quán)的生物科技水平，將是未來一國國力的重要體現(xiàn)。

1970年11月，袁隆平團隊在三亞南紅農(nóng)場發(fā)現(xiàn)野生稻雄性不育株;3年后，秈型雜交水稻“三系”配套的成功，開啟了水稻生產(chǎn)的“第二次綠色革命”。團隊用一株普通野生稻雄性不育株，成功培育出了雜交水稻，使水稻產(chǎn)量增加近20%。

然而，20世紀80年代和90年代，中科院洪德元院士團隊兩次考察發(fā)現(xiàn)，在20世紀80年代，云南野生稻分布地有26個，到1995年僅剩下2個，消失率高達92.3%。如果野生稻滅絕，就不是一個普通物種消失那么簡單。它不僅關系我國，更關系到全人類的糧食安全。

幸運的是，近年來，蔡杰和他的同事們陸續(xù)保藏了4種中國野生稻種子。

每次涉足遠方，勤奮的采集員們都期待野外的新收獲。一粒粒靜默的野生稻種，會發(fā)揮什么樣的作用，不可限量。

在數(shù)百萬年的進化過程中，野生植物積累了各種不同的遺傳變異，蘊藏著許多栽培作物所不具備的優(yōu)良基因，如抗病蟲性、抗逆性、細胞雄性不育及豐產(chǎn)性等，是非常好的育種材料。

“誰掌握了大量的種質(zhì)資源，誰研究得越深入，利用得越多，誰就能把握未來。”蔡杰說，“在環(huán)境惡化、形勢嚴峻、生物多樣性銳減的今天，如果我們再不搶救性地把我國的野生生物種質(zhì)資源收集并妥善保存起來，那么我們下一步將怎樣與資源強國競爭，我們的子孫后代將靠什么立足？”

通過雜交，人們就能把野生近緣種中的優(yōu)良基因轉(zhuǎn)移到栽培種中，從而提高作物的產(chǎn)量，增強其抗病和抗蟲能力，以及承受氣候變化的能力，并增加其產(chǎn)量、風味、營養(yǎng)價值等，滿足人們的生產(chǎn)、生存和發(fā)展需求。

在人類歷史上，曾發(fā)生過多次由于遺傳基礎狹窄而引起的糧食安全事件。最著名的當屬19世紀40年代愛爾蘭的馬鈴薯饑荒，數(shù)百萬人因饑荒而流落他鄉(xiāng)。而中華獼猴桃原產(chǎn)中國，新西蘭卻利用它培育出了目前主導國際獼猴桃市場的巨大產(chǎn)業(yè)?！斑@些事例說明，一個基因可以影響一個國家的興衰，一個物種可以左右一個地區(qū)的經(jīng)濟命脈?！崩畹裸徴f。

近年來，針對保藏的豐富種質(zhì)資源，種質(zhì)資源庫以國家戰(zhàn)略生物資源需求和學科發(fā)展前沿為導向，團隊以生物化學和分子生物學為主要研究手段，對與植物進化、環(huán)境適應和種質(zhì)資源保護利用相關的科學問題進行了探索，并有目的地挖掘特殊環(huán)境的基因資源，發(fā)明種質(zhì)資源保存利用的新技術(shù)。

杏黃兜蘭、彌勒苣苔、巧家五針松、水松……一大批珍稀、瀕危植物，以及具有經(jīng)濟價值、生態(tài)價值和科學研究價值的特有植物種子、野生近緣植物種子在這座種子庫落戶?！霸谶@里，部分物種安全得到保障，使我國野生生物種子資源進行快速高效的研究利用成為可能。通過深入發(fā)掘和研究，種質(zhì)庫在作物改良和創(chuàng)新、新作物篩選、生態(tài)恢復和野外回歸方面的作用愈加凸顯?！睏钕嬖普f。

“但從研究能力的提升，以及庫體容量來說，現(xiàn)有條件已不能適應未來需要，亟須推動種質(zhì)庫二期建設?！崩畹裸徴f。為擴容，目前已忍痛撤了種子博物館，進行應急改造。開庫至今14年，一方面，目前種質(zhì)庫已經(jīng)有了更高的保存目標;另一方面，整體研究能力、研究水平和研究隊伍都需要有大的提升。

種子有多重要，采集就有多難

目前， 我國高等植物中漸危和受威脅的種類已高達4000～5000種，占總種數(shù)的15%～20%。

“在全球生態(tài)破壞日益嚴重、生物多樣性快速喪失的大背景下，我們國家也面臨壓力。作為種子采集員，可以說我們在與時間賽跑?！睆埻φf。

竹生羊奶子是桃金娘目胡頹子科胡頹子屬植物。它之所以進入張挺的目標名單，是因為其相關研究的空白和記錄的貧乏?！吨袊参镏尽分袃H有一條奧地利植物學家韓馬迪在1933年對竹生羊奶子的原始描述：模式標本采自云南蒙自，生于海拔1800米。“但實際上，國內(nèi)并沒有它的模式標本，甚至沒有一張線描圖。查閱各種記載、專著，大家都毫無線索，甚至覺得它有可能已經(jīng)消失了?！睆埻φf。但他仍不死心，一遍遍查閱資料，如大海撈針般在偌大的區(qū)域鎖定一個物種。張挺甚至查詢過韓馬迪的科考日記，但日記里并沒有提到這個物種。他又分析韓馬迪行走過的大致軌跡和時間節(jié)點，據(jù)此尋訪當?shù)鼐用瘢皆L古道遺跡?！斑\氣還算好，最終還是在花期找到了‘她?！钡裆蚰套拥姆N子量比較小，分布非常狹窄，想采集到1份標準采集量（至少2500粒種子），張挺需要在未來幾年間多次往返。

這樣的故事，數(shù)不勝數(shù)。

2020年夏天，他們在四川臥龍巴朗山一條小箐溝邊，發(fā)現(xiàn)了一種庫里未保存過的馬先蒿屬植物。2個月后，借國慶假期興沖沖再去采集種子時，大家卻傻眼了：風的襲擾，洪水的沖刷，馬先蒿消失了，就像從沒在這里存在過?！斑@還不是最難的。”張挺說，采集馬先蒿時，他們遇到最極端的情況是：1平方米的樣方里，就有5種馬先蒿屬植物，想要在果期把它們分辨清楚，就得去解決一系列采集技術(shù)難題。

在我國西南橫斷山區(qū)，眾多物種分布狹窄，眾多珍稀孑遺植物幸存在一座座崖壁上、一條條小箐溝邊，其生存環(huán)境一旦遭到破壞，就再難覓蹤跡。

“隨著公路、鐵路、電站等建設項目的推進，這樣的情況還在繼續(xù)發(fā)生。因此，我們特別呼吁：在進行基本建設項目環(huán)評和建設期間，植物調(diào)查和種質(zhì)資源采集工作應提前介入?！睆埻ㄗh，對項目區(qū)生物多樣性進行評估，對必要的野生種質(zhì)資源進行搶救性保護。

在種子采集中，除了技術(shù)層面的難題，發(fā)現(xiàn)的過程往往也一波三折。

“首先要搞清你的目標物種分布在哪里。這其實與生物多樣性評估有很大關系。我國植物種類繁多，對生物多樣性的評估工作，與先進國家相比還有很大的差距?！睆埻φf，目前《中國生物多樣性紅色名錄》更新比較慢，很多受威脅物種的分布、數(shù)量都還不是很清楚。因此，建議國家從頂層設計和整體布局著眼，擴大野生生物種質(zhì)資源的普查收集，加強資源評價力度。

種質(zhì)資源采集保藏，應有高水準國標規(guī)范

現(xiàn)今陸地上60%～88% 的植物都會產(chǎn)生種子，而約87.4% 的陸地植物種子都是正常性種子。

在種質(zhì)庫內(nèi)，通過低溫干燥法就能有效保存大部分植物物種的種子，使其在幾十年、幾百年甚至幾千年后仍能正常發(fā)芽、生長。這就是種質(zhì)庫技術(shù)相比就地保護與遷地保護方法的優(yōu)越之處。

世界大國高度重視農(nóng)作物種質(zhì)資源的保護。進入新千年后，不少發(fā)達國家開始重視對野生生物種質(zhì)資源的收集保存、評價和挖掘利用。

目前，全球建成的近1750個種子庫中保存了超過600萬份種質(zhì)資源。雖然絕大部分種質(zhì)庫都是以農(nóng)作物為保存對象，但在已保存的5萬～6萬種植物中，野生物種仍然占據(jù)了絕對數(shù)量。美國國家植物種質(zhì)資源庫保存了16 162種、約60萬份農(nóng)作物和野生植物種子;英國邱園“千年種子庫”已在全球范圍內(nèi)收集39 681種野生植物的種子，是全球保存物種數(shù)量最多的野生植物種質(zhì)庫。

同時，亞洲各國也加大了對野生生物資源的收集保存投入。韓國于2018年建成可儲存200萬份種子的白頭大干種子庫;新加坡為加強東南亞地區(qū)植物資源收集，于2019年建成該國第一個種子庫，保存能力達25 000種植物;泰國的種子保存設施也在積極籌建中。

簡單地說，種質(zhì)庫的工作就是把種子采回來，干燥后冷凍保存。聽起來很容易，但沒有規(guī)矩不成方圓。為此，中國西南野生生物種質(zhì)資源庫牽頭草擬了從種子采集到保藏的一整套技術(shù)規(guī)程，以及信息系統(tǒng)功能和使用規(guī)范。

“采集時，規(guī)范要求不宜超過可獲得種子數(shù)量的20%，不能僅為滿足采集而‘斬盡殺絕。”張挺說，這就是要為自然居群植物的可持續(xù)繁衍留下足夠的種子數(shù)量。而在后續(xù)的管理環(huán)節(jié)，不論是種子簽收登記、初次干燥、清理、X 射線檢測、計數(shù)，還是到再次干燥、入庫、活力檢測、繁殖更新等各環(huán)節(jié)，以及后期分發(fā)共享，都有科學、嚴格的規(guī)范。

“目前，鑒于實際的需求和采集的一些亂象，我們正積極建議把這個規(guī)范推薦為‘國標，滿足植物種質(zhì)資源庫的規(guī)范化建設需求，最終服務于生物多樣性保護?！辈探苷f。

延伸閱讀

“五庫一體”模式：種質(zhì)資源保存的創(chuàng)新之舉

中國西南野生生物種質(zhì)資源庫在成立之初，就獨創(chuàng)了“五庫一體”的保存模式，即以植物種子庫為核心庫，兼具植物離體庫、植物DNA 庫、動物種質(zhì)庫和微生物庫。該模式成為世界生物學界的一大創(chuàng)新之舉。

其中，植物種子庫是中國西南野生生物種質(zhì)資源庫的核心所在，保存對象是正常性種子。通過干燥和冷凍技術(shù)，對種子進行長期存儲，同時為資源利用和科學研究提供材料。

植物離體庫主要保存中間性和頑拗性種子，以及難以用種子保存的植物。保存的材料包括試管苗、愈傷組織、塊根、塊莖、鱗莖、球莖、珠芽、花粉、孢子及其他微繁殖體或培養(yǎng)物。

植物DNA 庫主要提取、保存野生植物的總DNA 用于科學研究，如篩選和鑒定具有重要價值的功能基因等，是保存珍稀瀕危物種遺傳資源的另一種手段。

動物種質(zhì)庫主要保存珍稀瀕危特有的野生脊椎動物種質(zhì)資源，兼顧收集野生近緣種和特種經(jīng)濟動物的種質(zhì)資源。

微生物庫則長期、安全、有效地保存具有重要經(jīng)濟價值的大型真菌種質(zhì)資源，同時加強對放線菌和特殊生境微生物種質(zhì)資源的收集。

為保證庫內(nèi)寶貴野生植物種子資源的安全，該種質(zhì)資源庫采取了一系列嚴密的安保措施。在電力供應方面，種子保存設施采用雙回路供電。主電路斷電后，自動切換另一條電路供電;如果兩條電路都斷電，備用的大功率柴油發(fā)電機將在45秒內(nèi)啟動，繼續(xù)供電。種子干燥和冷藏都有兩套空氣干燥制冷壓縮系統(tǒng)循環(huán)使用，以確保設施穩(wěn)定運行。

在該種質(zhì)資源庫，種子保藏是基礎，研究應用是靈魂。

2017年，依托該種質(zhì)資源庫建設的“國家重要野生植物種質(zhì)資源共享服務平臺”正式被科技部、財政部列入我國首批28個國家科技資源共享服務平臺之一。2019年，“國家重要野生植物種質(zhì)資源共享服務平臺”更名為“國家重要野生植物種質(zhì)資源庫”，成為我國30個國家生物種質(zhì)與實驗材料資源庫之一。

近年來，該種質(zhì)資源庫結(jié)合新一代測序技術(shù)的發(fā)展，針對核心DNA 條形碼在一些類群中鑒定率不高的問題，提出了“DNA條形碼2.0”的概念;通過二代測序技術(shù)體系的建立和完善，解決了高度降解樣本的建庫測序技術(shù)難題;開創(chuàng)性地提出利用保守引物進行DNA 長片段擴增富集，獲得被子植物完整的葉綠體基因組;完成稻屬AA- 基因組普通野生稻、尼瓦拉野生稻、非洲栽培稻、短舌野生稻、長雄蕊野生稻、展穎野生稻和南方野生稻7個物種的基因組計劃，在國際上首次構(gòu)建了多達8個水稻及其近緣物種的比較與進化基因組學研究框架，為我國和世界水稻科學家高效地發(fā)掘與利用野生稻種質(zhì)資源奠定了堅實的科學基礎。

該種質(zhì)資源庫研究團隊還開發(fā)了質(zhì)體基因組精準組裝工具GetOrganelle;揭示了溫帶竹類復雜的輻射演化和網(wǎng)狀進化歷史;解析了豆科植物深度系統(tǒng)發(fā)育關系，揭示了植物質(zhì)體基因組可能的雙親遺傳進化模式;以橡膠為研究對象，揭示了大戟植物染色體進化、膠乳生物合成途徑。

此外，該種質(zhì)資源庫還通過其官網(wǎng)，共享植物學基礎信息、資源保藏信息，以及保藏現(xiàn)狀等信息數(shù)據(jù)和種質(zhì)資源實物。近年來，種質(zhì)庫累計服務用戶單位321個，服務用戶2437人次，向124家機構(gòu)分發(fā)共享13 179份、共522 475粒植物種子。