中国热带植物种质资源的保护与创新利用

王文泉，王海燕，杨子贤,李杰,卢诚

（中国热带农业科学院热带生物技术研究所/热带作物生物技术国家重点实验室，海南 海口 571101）

摘要：热带植物资源具有丰富的遗传多样性和多种经济利用价值。文章通过解析中国热带植物种质资源的收集、保存、鉴定和育种利用成就以及存在的问题，从遗传改良角度，归纳了热带植物的4个共性特征，据此提出资源保护和创新利用的7点战略构想。包括功能基因发掘、分子标记辅助选择、体细胞再生和加倍单倍体培育4项资源利用关键技术，并强调了基于分子指纹的原位保护、建圃保护、资源网络共享以及法规建设公共教育在完善濒危植物保护中的重要作用。

关键词：热带植物；种质资源，保护，利用技术

Conservation and Enhancement Utilization of Tropical Plant Germplasm Resources in China

WANG Wen-quan, WANG Hai-yan, YANG Zi-xian, LI Jie，LU Cheng

(State Key laboratory of Tropical Crop Biotechnology/Institute of Tropical Biosciences and Biotechnology, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Hainan Haikou 571101)

Abstract：Tropical plant germplasm characterized for its high level genetic diversity and utilization diversity in China. Through analyze the achievement and layout problem of collection, conservation, identification and breeding utilization for tropical genetic resources update, by the genetic improvement view, the paper summarized 4 general characteristics among tropical plant species. Based on it, It was pointed out that 7 aspects of strategy concepts for conservation and enhancement of tropical genetic resources focused on 4 key techniques in germplasm development, discovering functional genes, molecular marker assist selection, somatic cell regeneration and creating doubled haploid plants. The paper stressed specially on molecular fingerprint-based in-situ conservation, nursery and net-share of information and law making/public education, all that will play an important role in sustainable conservation of endangered tropical species.

Key words: Tropical plant； Germplasm resources; Conservation; Developing technique

中国热作区包括地处热带和亚热带的海南、广东、广西、云南、福建、台湾、贵州以及四川部分地区，覆盖八省区面积约48万平方公里，占国土面积的5%。包括200个县市，居住着36个民族约1.5亿人^[1]。我国热区属于湿热区，热量丰富，雨量充沛，这在世界上同纬度地带也是少有的。多种多样的生境使得生物多样性异常丰富，目前已鉴明的植物种类有1.2万余种，占我国植物种群数量的30%。由于该区存在水热光能资源和生物资源两大优势，在综合资源利用和集约化生产方面存在巨大发展潜力。譬如天然橡胶是国家工业发展的战略性物资，只有热带地区可以种植生产，橡胶产业从零到目前年产60万吨，国内市场自给率达到40%，仍有很大的发展空间^[2]；木薯是淀粉和燃料酒精工业最经济的原料，可以在很差的土壤生态条件下利用丰富的光热资源，获得较高产量，为极有价值的再生能源作物，其潜在市值每年在100亿元以上；该区的大宗热带水果生产在国际上占优势地位，其中香蕉、荔枝、龙眼、芒果、菠萝的种植面积和总产量均居世界前5位。热区的南药和其他特种经济植物是尚未有效开发利用的宝库。该区的经济植物是热区经济赖以发展的基础。

2       热带植物种质资源的收集与保护

2.1收集与建圃保存 我国热带植物种质资源的收集、整理、鉴定和保存已有良好的基础。自50年代以来，已组织征集大批热带、亚热带种质资源。“七五”期间完成了海南岛19个县市的植物种质资源考察，搜集各类种质资源5545份；黔南桂西30个县的植物资源考察，收集植物种质资源6644份。目前收集保存的热带植物资源达到13,777份，见表1。其中以海南为主保存的橡胶、木薯、腰果、咖啡、胡椒、芒果、椰子等热带植物资源有7500份，热带油料160份，香料337种，饮料植物95份，热带果树325份，热带蔬菜775份，药用植物资源1400份,花卉资源859份，热带珍稀濒危植物有176种^[3]。这些热带植物种质主要采用资源圃保存，分散保存在中国热带农业科学院和海南省农业科学院各个专业研究所。此外在国家圃还保存了我国特有重要热带果树资源，荔枝200多份、香蕉160份（广东），龙眼约300份（福建）。在香蕉、菠萝、橡胶、番木瓜等作物上已发展了组织培养保存技术，大量的热带经济林木和濒危植物主要依赖自然保护区保存。

表1 我国主要热带植物种质资源的收集保护现状

Table 1 Collection and conservation of germplasm for major economic plant species in tropical China

2.2 原位保护 国家和省级自然保护区的建立，为热带林木资源、特有种和濒危植物安全保护提供了条件。海南第一个自然保护区(尖锋岭热带森林自然保护区)建立于20世纪60年代初，至2004年，全省共建立自然保护区72个，面积268万公顷，其中国家级自然保护区有6个，省级自然保护区22个，市县级自然保护区44个，主要分布在五指山、吊罗山、尖峰岭、黎母岭和坝王岭五大自然林区，包括了全岛85%以上热带植物类型。中国主要热带、亚热带地区自然保护区的生物资源保护现状见表2。表2可见，保护区植被类群有热带雨林、山地雨林、季雨林、山地常绿林、红树林和热带针叶林等；从植物种群方面看，保护区保护的热带、亚热带种子植物达到4000余种，仅海南岛就有3628种，与华南地区的共有种2078种，海南特有种639个^[4，5]。热区也是野生稻、野生荔枝、野生芭蕉等重要经济作物的近缘野生种的原生地。目前在海南、云南、广东和广西有关野生稻的原位保护点已有8个，但是其他作物野生种的原位保护计划还有待实施。

2.3 热带珍稀濒危野生植物的原生境状况 关于热带珍稀濒危植物的专题研究最早见于华南植物研究所1988年出版的广东珍稀濒危植物图谱，调查记载了105种热带珍稀濒危植物，其中有58种为海南特有植物。书中对这些植物的特征、分布和濒危状况有简要的描述^[6]。“七五”期间，通过对海南17个县(市)250个乡镇的考察，全面了解了海南珍稀濒危野生植物的种类、分布和生存状况，指出应保护植物有176种，其中93种原已列入国家或省级保护的名录，83种为建议列入的新保护种；已灭绝一个物种为抓耳木，新发现坝王远志等7个珍稀物种。目前整理介绍的海南珍稀、濒危植物有400多种，其中列入国家植物保护名录1~2级保护植物58种。许多海南热带濒危植物同时具有重要的经济价值，如野生荔枝、野生芭蕉、野生兰、海南粗榧、小花龙血树、海南大风子、见血封喉等，有些是古老的植物活化石如桫椤。自然保护区内物种濒危的原因，部分是因为群落在气候演化中衰落，在局部残存下来，而且这个过程还在继续；有些是由于经济利益驱动，人为采伐破坏造成群体破碎，种群密度锐减，这些均需要进行针对性的抢救与保护。近10年来，有关热带珍稀濒危植物的生存现状缺乏进一步跟踪调查，由于技术因素目前对于珍稀濒危植物无长期定位监测，有关工作亟待加强。

表2 中国主要热带亚热带自然保护区的生物资源保存现状

Table 2 Species diversity in major tropical and subtropical natural conservation nursery in China

3 热带植物遗传多样性研究与特殊基因资源的发掘

运用分子指纹技术对珍稀濒危植物种群进行遗传多样性分析和监测是现代保护生物学的重要内容^[7]。迄今，利用RAPD、SSR、AFLP技术对我国现存橡胶树优异种质、香蕉野生种与农家品系、荔枝野生居群、野生兰、芒果、海南粗榧、胡椒、木薯、芦荟、变叶木、红麻及其近缘种等至少12类重要植物种群进行了遗传多样性分析，建立了有关这些物种自然分布，濒危状况和保护策略的数据库^[8~11]。特别是近年来对野生荔枝和野生芭蕉的分布和濒危状况进行了系统调查，并对核心居群进行分子遗传多样性研究，建立种群动态监测的指纹技术。

通过对部分热作资源的观察、鉴定，在多种植物中发现许多极有经济价值的特殊基因源。如从巴西橡胶树中获得10份抗寒种质、11份高抗白粉病种质、16份多乳管系和5份高产Wickham种质资源；香蕉中的红香蕉，二倍体皇帝蕉等优质类型以及抗枯萎病和束顶病的野生二倍体居群；抗风的木薯；在海南本土荔枝品种中发现耐热、无核（焦核）、大果和固溶物含量高等优质资源^[12]；在热带蔬菜资源中发现有抗黄萎病的野生茄，抗TMV、TEV病毒、疫病、细菌性枯萎病、根结线虫的野生辣椒种质；发现新的胡椒野生种质，如保亭胡椒、大叶、陵水、毛胡椒、华南胡椒、大叶复毛胡椒、小叶爬崖香等有价值资源。收集引进的特殊材料和突变体有卡瓦胡椒，红豆杉，番茄抗枯萎病突变体等。红树林植物群落中所蕴藏的独特的耐盐、耐渍基因；热带药用植物中所蕴藏的与各种生理活性物质相关的基因源。如何利用现代生物技术快速、高效地开发这些重要基因，是植物生物技术和育种工作者的核心课题。

4 热带植物资源评价鉴定与遗传改良

热带作物种质资源在收集、整理的基础上，对主要热带作物资源的基本农艺性状、原始品种的起源分布、经济价值和生产利用进行了鉴定，特别在“八五”期间对橡胶、胡椒、咖啡、椰子、芒果等在品质、抗逆性方面做了较全面的工作。已分别建立了橡胶、木薯、热带牧草、香饮料作物、椰子和热带果树等6个基础数据库，保存数据20万份以上。

我国热带植物的遗传改良尚处于发展阶段。除了在橡胶、木薯、椰子等少数作物上进行了杂交育种外，其余大多数物种如热带牧草，热带果树：芒果、菠萝蜜、人心果、尖蜜拉、杨桃、蛇皮果、金星果、蛋黄果等以及腰果、咖啡、可可、剑麻、油棕等基本上以直接利用、系统选择或者引种为主。在药用植物、热带花卉和特色蔬菜方面尚无遗传改良品种育成。

5 热带植物基因资源保护与创新利用

热带经济植物尽管多种多样，但是具有如下一些共同的特征：① 营养体繁殖为主，使得有性杂交后代无须经过自交纯化，只要选出优良的个体即可利用；② 成株一般都有完整的有性世代，每年结实1～2次，便于获得杂交种子；③ 基因型杂合，亲本间杂交子代对于数量性状的直接选择遗传进度较小，但是杂种优势显著；④ 营养生长期长，以收获子实为目的的植物其选择周期一般在5～7年，甚至更长。如果能够根据热带作物这些特征，采用分子生物学技术与传统遗传改良技术结合，将会大大提高种质保护与资源利用效率，培育出具有我国资源特色的优异新品种。建议加强以下几个方面的工作：

5.1 热带经济植物重要功能基因的发掘

在热带植物种质资源收集、保存工作基本完成之后，工作重点将转向特定物种中尽可能多的居群类型，以期获得最大的遗传多样性。在此基础上利用现代生物技术发掘具有经济、生态价值的基因类型，或单一性状优良的基因型个体，进行亲本选择和组配的前育种（Pre-breeding）工作。如木薯中高淀粉、糯性种质的发现对于培育淀粉专用品种至关重要；在大量的种质包括野生资源中筛选出高蛋白和高胡萝卜素含量的种质，对于提高木薯块根营养价值，解决全球那些依赖木薯生存人群的营养不良问题将产生明显成效。发掘、鉴定与抗生物与非生物胁迫、品质、产量等关键性状相关的基因源，是资源利用工作的第一个环节。

5.2 重要基因的分子标记与分子标记辅助育种

对于如何缩短热带作物的育种周期和实现多个目标基因的同步选择，分子标记辅助育种（MAS）是首先考虑的技术^[13]。科技部启动了以分子标记辅助育种为核心的十五863计划专项，重点攻克分子标记辅助育种与常规育种结合的技术瓶颈，构筑适合我国分子标记辅助育种的技术体系。国际热带农业研究中心（CIAT）在对木薯的研究中，针对木薯的遗传特征，系统地贯彻了加倍单倍体培养结合分子标记辅助育种的策略，取得显著的效果。创建和发展重要热带经济植物的分子遗传图谱，获得关键基因的分子标记，进而应用于分子标记辅助选择，结合体细胞再生与加倍单倍体技术和常规育种方法，能够大大提高热带植物新品种培育的效率。目标的实现需要有效组织热区的生物技术与育种力量，从材料准备、遗传作图、分子标记辅助选择到常规选择，分工协作，构建区域性的综合技术平台。

5.3 发展体细胞再生和单倍体加倍技术

基于热带植物的营养体繁殖特性，体细胞再生植株在资源保护和利用中具有相当广泛的用途。离体繁殖是种质保存和交换的有效方法，可以避免自然环境中病虫害的威胁，而实现永久保存和安全转移交换；优良品系的离体快繁可以解决热带植物自然繁殖系数低，促进新品种的推广；离体培养可以在控制条件下对种质库中保存材料的抗病虫、抗逆基因进行快速鉴定；离体繁殖技术运用到育种中，能够提早优良品系的品比和区域试验，可以使育种周期缩短2～3年；此外，体细胞再生技术还为特定物种进行转基因改良提供基础遗传转化体系。特别是在一些新型经济植物中，通过花药培养获得纯系加倍植株，是热带植物异花授粉特性的杂合基因型遗传改良快速而有效的措施。在研究方面，要克服物种近交衰退的问题，选择一些耐自交基因型用于单倍体加倍培养；需要建立特定物种的花药培养或者游离小孢子培养的技术途径，探索小孢子分化胚状体或者胚性愈伤组织的适宜营养与培养条件以及愈伤组织再生植株的关键技术。

5.4 加强未被充分利用植物的生殖生物学与遗传学研究

热带地区存在大量具有经济利用潜力但尚未开发或者利用十分有限的植物种，因此，了解、掌握这类植物的生殖生物学，解决基本的杂交授粉问题，是对其进行遗传改良的基础。此外，通过花粉低温保存解决异地授粉和花期不遇问题。在热带果树育种方面，利用实生苗嫁接技术可以提早杂交苗的结果期，实现实生苗基因型的高密度选择。研究顽拗型种子的萌发生理，对于热带植物种子保存，提高发芽率，具有十分重要意义^[14]。

5.5 基于DNA指纹监测的原生境保护

原生境保护是在自然进化条件下延续物种的生存,具有保存更广泛的遗传变异、补充迁地保护丢失的基因、淘汰不良突变体和相对经济有效等特征^[14]。但是传统意义上对于原生境状态下物种的多样性鉴别指标单一，数据采集困难，事实上难以进行定位监测。分子指纹技术的发展，使得针对特定植株群体的长期定位监测成为可能^[15]。指纹技术首先运用于原位保护点的选择,在遗传多样性分析基础上，可以快速提供自然分布中物种的多样性中心,作为科学选择原位保护点的依据;其二,利用群体样本DNA指纹图谱变化,实现对原位保护点群体遗传多样性自然动态过程的长期监测^{[16, 17]};其三,高通量指纹分析技术同样可以用于优良基因源的发现,进而实现基因的重组与改良。目前在野生荔枝和野生芭蕉方面，已经制定了原位保护的方案。对于海南其他珍稀濒危植物种逐步建立针对性的物种原生境保护措施，可以实现持续的物种监测和数据积累。亦可考虑建立针对若干濒危物种的综合保护检测体系^[18]。

5.6 建立热带植物种质资源保存与共享系统

在现有热带作物资源圃基础上进行统一规划，以热带作物品种资源所为依托，建立中国热带农业科学院儋州本部热作资源主圃：包括热带植物园、药用植物、热带花卉、热带果树、热带蔬菜、橡胶、木薯和热带牧草圃，及几个具有特色的分圃：兴隆热带香饮料植物圃、文昌椰子圃和湛江亚热带果树圃。加强资源圃的管理，继续收集和引进新的资源类型，促进各个相关研究所的协作研究。筹备试管苗保存设施,发展热带作物种质的体细胞培养,特别是一些特殊资源的离体保存。

依托中国热带农业科学院各个相关研究所和热带作物生物技术国家重点实验室，进行热带生物资源的多方面、多层次的研究， 在数据采集和处理基础上，建设基础数据库，热带作物类型、种群数量和分布的图文数据库；热带作物DAN指纹遗传多样性数据库^[19]；热带作物结构基因组数据库；热带作物功能基因组片段（EST）数据库等。建立中国热带植物基因资源的门户网站,利用国家基础科技平台项目，建设依托院校网络中心的热带植物种质资源信息平台，实现即时信息网络共享，并入国家自然科技资源平台。

5.7 资源保护的政策法规建设与公共教育

热带植物基因资源保护任重道远。除了迁地保护植物种质资源外，热带植物保护区与居民村落镶嵌分布，保护区植物特别是具有经济价值的濒危植物依然不断受到人类生存的压力或者人为的破坏。因此资源保护首要任务还是解决保护区域群众的生存要素，将人看作保护区的一部分，帮助他们改变获取生存资源的方式，利用新技术脱贫致富。其次，相关法律法规的制定，与执法系统的建立也是必要的保证。同时，培养公民的环保意识，加强人类生活与植物生存的依存关系教育，是植物保护的基本策略^{[20, 21]}。海南生态省建设方兴未艾，其目标就是良性热作经济与植物资源多样性保护的平行发展。

参考文献

[1] 农牧渔业部热带作物区划办公室，中国热带作物种植业区划，广州，广东科技出版社，1988，34~39

[2] 何康, 黄宗道主编. 热带北缘橡胶树栽培. 广州: 广东科技出版社，1987，98~106

[3] 华南热带作物科学研究院与中国农业科学院原作物品种资源研究所主编. 海南岛作物（植物）种质资源考察文集，北京: 农业出版社，1992，180~207

[4] 广东省植物研究所. 海南植物志，第三卷. 北京: 科学出版社，1974

[5] 广东省植物研究所. 海南植物志，第四卷，北京，科学出版社，1977

[6] 广东省环境保护局与中国科学院华南植物研究所. 广东珍稀濒危植物图谱. 北京: 中国环境科学出版社，1988，1~45

[7] Lalitha Sunil Kumar. DNA markers in plant improvement: an overview. Biotechnology advance, 1999, 7: 143~182

[8] D L Du，J Su，Y C Fu，P Zhou, Genetic diversity of Cephalotaxus mannii, a rare and endangered plant. Acta Botanic Sinica, 2002, 44(2): 193~198

[9] 丁晓东，吕柳新，陈晓静，关雄. 利用RAPD标记研究荔枝品种的亲缘关系，热带亚热带作物学报，2000，8（1）：49~54

[10] 罗定安，陈守才，吴坤鑫，付少萍. AFLP在橡胶树优异种质研究中的应用，植物学报，2001，43（9）：941~947

[11] 房经贵，章镇，马正强，刘大均，王三江，Lavi U. AFLP标记在两个芒果品种间杂交F₁代的多态性及分离方式. 中国农业科学，2000，33（3）：19~24

[12] 钟义. 海南岛果树资源及其地理分布，园艺学报，1983，10（8）：145~152

[13] S D Tanksley, S R McCouch. Seed banks and molecular maps: unlocking genetic potential from wild. Science, 1997, 277: 1063~1066

[14] 马信祥，程必强. 100种热带植物种子及发芽研究. 热带植物研究, 1996，40：18~30

[15] 刘旭主编，中国生物种质资源科学报告，北京: 科学出版社, 2003

[16] He G H, Prakash C S,Jarret R L. Analysis of genetic diversity in a sweet- potato (Ipomoea batatas) germplasm collection using DNA amplification fingerprinting. Genome, 1995, 38:938~945

[17] M. Iwanaga, Enhancing links between germplasm conservation and use in a changing world. International Crop Science I, 1993, 407~413

[18] Ukoskit K, Thompson P G & C E. Watson. Identifying a randomly amplified polymorphic DNA (RAPD) marker linked to a gene for rootknot nematode resistance in sweet potato. J Amer Soc Hort Sci, 1997, 122 (6):818~821

[19] T Meldgaard, E Nielsen and V Loeschcke. Fragmentation by weirs in a riverine system: A study of genetic variation in time and space among populations of European grayling (Thymallus thymallus) in a Danish river system. Conservation Genetics, 2003, 4(6): 735~747

[20] 汪传佳, 方腾. 珍稀濒危树种繁育技术. 北京: 中国农业出版社, 2002

[21] 农业部科教司.中国农业生物多样性保护与可持续利用现状调研报告, 北京: 气象出版社, 2000