作物种质资源保存现状及发展方向

 

卢新雄 曹永生

(中国农业科学院作物品种资源研究所,北京 100081)

 

摘要 国家级种质保存设施建设、收集种质集中入库(圃)保存和制定完整的国家作物种质资源保存利用的发展计划及立法政策,已越来越受到各国政府的高度重视。美国和印度等国已建立起以种质保存、评价鉴定、编目分发、收集引进、检疫和信息管理等政府农业机构为基础的全国性作物种质运行体系。近20多年来,我国作物种质资源保存得到迅速发展,建成3座国家级低温种质库(含复份长期库),30个种质圃及2个试管苗种质库。国家长期库贮存种质32万份,居世界各种质库首位。但与国外相比,我国种质资源保存工作仍存在不少差距,需加强以下几方面工作:①妥善解决种质库(圃)的运转经费;②建立种质保存和利用的运行体系;③加强种质资源立法和政策研究;④建立全国种质信息网络系统;⑤加强种质安全保存技术和方法的研究。

关键词:作物 种质保存 发展方向

 

在即将进入21世纪之际,保存(Conservation)这一术语越来越被广泛应用和重视,其广泛定义被描述为“人类利用生物圈(即全部生物)的管理,使其能给当代人最大的持久利益,同时保持它的潜力以满足后代人的需要和愿望”。从狭义讲,保存主要采用自然(原生境保存)和基因库(非原生境保存)相结合的方法,采取何种保存途经主要取决于种质资源的生物学持性。原生境保存(in situ conservation)是指在原来的生态环境中,就地进行繁殖保存种质,如建立自然保护区或天然公园等途径来保护野生及近缘植物物种;非原生境保存(ex situ conservation),是指种质保存于该植物原生态生长地以外的地方,如建立低温种质库进行种子保存;田园种质库(种质圃、植物园)的植株保存,以及试管苗种质库的组织培养物保存等(习惯上种质库也称为基因库)。本文就国内外作物种质资源保存现状及趋势作一回顾,并就我国种质资源保存今后应加强工作提出一些建议。

 

一、国外发展现状及趋势

20世纪以来,随着新品种大量推广、人口增长、环境变化、滥伐森林和耕地沙漠化,以及经济建设等方面的原因,作物遗传资源多样性不断遭到破坏或丧失,而且数量巨大。1996年在德国莱比锡召开的国际农业植物遗传资源会议上,各国提交报告都认为作物种质资源已大量消失。美国在过去100年间,玉米品种丧失了91%,西红柿品种丧失81%;在1904至1994年,美国的7098个苹果品种中有86%彻底消失了;韩国1985年一些农场种植的14种作物的品种,到199

3年已有74%被替代;马来西亚、菲律宾和泰国等国的地方稻谷、玉米,非洲的地方硬质小麦,拉丁美洲的不少地方种植作物品种(如玉米、菜豆、苋菜、西瓜、番茄等)也正在被新品种替代或丧失。而这种种质资源的替代或丧失,随之而产生是遗传多样性的减少和一致性的增强,其后果是容易导致作物遗传脆弱性和病虫等自然灾害的暴发而造成农业损失。遗传一致性威胁的最著名例子是19世纪40年代马铃薯晚疫病流行,成为爱尔兰“大饥荒”的生物致因。近代例子是1970年,一种危害叶片的病菌突变体引起玉米小斑病,使美国玉米产量平均减产15%,给农民造成数亿美元的损失。其原因是当时美国70%种植玉米都使用一个胞质雄性不育系配制的杂交种子,很不幸的是,含有这种胞质雄性不育的杂交种都高度感染了玉米小斑病。因此,世界各国政府和国际组织都从战略高度来重视作物遗传资源多样性的收集保存工作,目前发展趋势主要体现在如下四个方面。

1.重视保存设施的建设和资源收集入库(圃)保存

随着现代化低温制冷技术的发展,世界各国相继建立了现代化低温种质库来保存以种子繁殖体的种质,而绝大多数农作物种质资源都可通过该途径加以长期保存。现代化低温库的维护结构都具有良好的防潮、隔气和保温功能,并配备现代制冷除湿设备,为种子创造了低温干燥的贮存条件,加之通过对种子入库保存之前的一系列前处理,如种子生活力检测、干燥和密封包装,使种子贮存寿命大大延长,达到了长期保存的目的。对于那些以种茎、块根和植株繁殖保持种性的无性繁殖作物,则通过建立田间种质圃或试管苗种质库加以保存。据1996年6月联合国粮农组织(FAO)在德国莱比锡召开“国际植物遗传资源技术会议”报道,在70年代初期种质库数量不足10个,贮存的种质数量也仅有50万份,但到1996年,世界上已建设了1300多座种质库,其保存了610万份种质资源(含部分重复),其中低温种质库贮存的种质550万份,田间种质库贮存份数52.7万份,试管苗种质库贮存数量37600份。有77个国家建设了具有中长期贮存能力的国家级种质库。各国国家种质库贮存数量排列前6名为:中国31.8万份,美国28万份,俄罗斯17.8万份,日本14.6万份,印度14.4万份,韩国11.6万份。

1992年,美国政府拨款1000万美元把1958年建成的美国国家种质库的长期贮存能力扩建为100万份,并配备最现代化的保存设施和实验设备。计划把美国所有植物资源,不论是种子繁殖体还是无性繁殖体,都收集一复份集中在该库长期保存。印度在1997年也完成新国家种质库的建设,其贮存能力也为100万份,都远远大于我国国家种质库40万份的贮存容量。其目的,一方面使收集到种质资源能集中在长期库妥善保存,更重要是确保自己在拥有和利用种质资源方面占有优势,从而为下世纪农业“种子战”竞争中处于有利地位。

2.美国和印度等国已建立起独具特色的作物种质体系

1970年,那场玉米小斑病的病害,使美国农业当局意识到现代农业脆弱性已发展到何等严重的程度,并使美国百姓回想起19世纪40年代,那场发生在爱尔兰马铃薯晚疫病的流行,造成上百万人因饥饿死亡,上百万人流浪海外的灾难。之后,致力于植物遗传多样性保护和利用的组织与个人组成了一个工作网络体系,即美国国家植物种质体系(National Plant Germplasm System, 缩写NPGS),其成员包括美国联邦及州政政府的有关组织和研究机构,以及私人的组织和研究机构。该体系运作方式大致是:系统运作协调单位是美国农业部农业研究服务局(USDA-ARS)。政府方面的组织和研究机构主要负责种质资源收集、评价鉴定、编目分发和保存。科学家进行各种项目的研究活动,而其他政府雇员则从事技术和后勤支持服务;政府方面的组织和研究机构的经费由联邦政府拨款,而州政府则提供土地及研究与办公用房。私营企业则负责选择项目,致力于把优异种质培育成优良杂交种或品种,或把有益基因转移到产品中,以产品方式卖给农民或使用者。

建立该全国性体系,其重要性是避免不必要重复,同时协调经费和信息的合理使用。美国国家植物种质体系的主要成员如下(政府拨款单位):

(1)地区引种站(4个)——负责引进和收集资源的评价鉴定、中期保存和分发;

(2)特定作物的种子收集站或遗传材料收集站(10个)——负责特定作物或遗传材料的收集、评价鉴定、中期保存、分发和创新;

(3)国家种子贮藏实验室(也称美国国家种质库)——负责全美国作物种质资源的的长期保存;

(4)国家无性繁殖作物种质圃(9个)——负责无性繁殖作物的保存;

(5)国家马铃薯引种站——负责马铃薯遗传材料的评价鉴定和保存;

(6)国家种质资源实验室——负责作物种质的引进和考察,也负责全美植物遗传资源信息的管理和建设。

(7)国家植物种质检疫中心——负责引进种质资源的检疫。印度也是作物遗传资源较为丰富的国家之一。在印度政府的重视下,也基本建立起全国性作物种质资源运行体系。1976年成立了国家植物遗传资源局(National Bureau of Plant Genetic Resources,缩写NBPGR)。在NBPGR的牵头下,有近30个协作单位参加组成了印度植物遗传资源体系。

这些单位是来自以作物为研究对象的研究所、国家研究中心、全印作物改良协作项目和国立农业大学。每一协作单位被指定负责某作物的中期保存、评价和分发,并必须将它们的收集品繁殖后送到NBPGR的长期库进行保存。NBPGR除负责协调全国植物遗传资源外,本身拥有完整的植物种质资源研究部门,从收集、评价鉴定、分发交换、保存到引进检疫等,还有各类委员会进行有关政策的制定。主要设施和基地有容量为100万份的国家种质库和9个地区试验中心、图书馆和国家生物技术中心等。

3.国际机构致力于种质资源收集保存和利用

种质保存不是目的,更重要是发掘它们的经济和利用价值。因此,目前特别强调作物遗传资源保存和可持续利用相结合重要性,指出把两者有效结合是提高农业生产率和可持续发展的关键因素,是有助于国家的发展和粮食安全生产。国际农业研究磋商小组有18个农业研究中心,其中10个中心与主要粮食作物、饲料作物的遗传改良有关。据报道这些中心的作物改良项目的成功是以遗传资源收集保存为基础,各中心保存了60万份的种质资源。国际水稻所培育IR36是这些成功例子之一,该品种在20世纪80年代在菲律宾、印度尼西亚、越南种植面积分别达到273万hm、530hm和210hm。据估计,IR36每年可增产500万t水稻。而其培育过程中,采用来自6个国家的13个水稻品种和1个水稻近缘野生物种。而这个近缘野生稻是在筛选5000份种质库贮存材料和1000份育种品系之后,才发现这1份野生稻材料(Oryza sativa)具有抗草丛短缩病。作物遗传资源协作网是国际植物遗传资源研究所(IPGRI)为了妥善保存并促进对贮存资

源的充分利用而提出的。该协作网以作物为基础,由种质资源收集者、保存者、研究者、育种家以及其他使用资源的人员组成。建立这样的协作网,目的在于在长期库内妥善地保存种质资源;通过数据库提供信息和资料;从中期库里得到种质资源;从而提高整个作物基础源的利用率。从1988年以来,IPGRI项目委员会选择大麦、玉米、花生、甘薯、香蕉、秋葵、苜蓿和甜菜作为试点,现已取得重要进展。发展核心收集品也是促进种质资源利用和管理的重要途径。目前已建立3个以作物为单位核心样品库(澳大利亚的野生大豆,科特迪瓦的秋葵和尼日利亚的邦巴拉花生),同时有绿豆、大麦等20种作物的核心样品库项目正在研究发展之中。

4.国家计划(项目)和立法政策的支持

据报道,已有59个国家建立了国家植物遗传资源委员会,许多发达国家和发展中的国家已制定了完整的植物遗传资源国家计划或系统,国家计划(或系统)的宗旨是①通过保护和利用粮食和农业植物遗传资源,促进国家发展,粮食稳定生产,促进可持续农业和保持生物多样性;②通过对保存材料的利用以满足国家对作物种质资源的需要。40个国家制定了关于“植物育种者权利”,印度和非律宾正在考虑制订包括奖励植物资源提供者内容的立法。一些国家制订了植物种质资源进出口的归口管理的政策,明确规定种质引进和输出须报有关部门审批,要求引进种质须进行种质隔离检疫,并在种植隔离检疫后,送一复份材料到国家长期库贮存,同时把种质信息输入全国遗传资源信息系统。此外,由于历史原因,公众对粮食和农业植物遗传资源及其保存和利用计划的重要性,均缺少适当程度的认识。因此,不少国家或非政府组织正致力于提高公众认识的活动,农业大学正在拟定粮食和农业植物遗传资源学位的计划,或通过培训等方式以提高植物遗传资源活动计划的影响以公众的认识。

 

二、我国作物种质资源保存现状及对策

与国外情况遭遇相同,我国作物种遗传资源多样性的破坏和丧失也异常严重。1949年我国有1万个小麦品种(主要是农家种)在种植使用,到70年代仅存1000个品种在使用;野生水稻和野生大豆的原生境生长地已遭到严重破坏,面积越来越少。有不少报道指出,目前种植的玉米、甜菜、水稻等作物杂交种的遗传基础日趋狭窄,存在着遗传上的脆弱性和突发毁灭性病害的隐患。

我国低温保存事业虽然起步较晚,但由于受到党和政府的高度重视,特别从“七五”以来,作物种质资源收集保存一直被列入国家科技攻关项目,在1984年建成我国自行设计建设的国家种质库1号库(后改为国家种质分发交换库)以后,又相继在1986年和1992年建成了国家长期库和青海复份长期库,完善了我国作物种质资源长期和复份相结合的保存与分发体系。在种质资源繁种入国家库贮存方面,在短短十多年时间内,及时把31.8万份种质(隶属30属科、174属、600个种)抢救收集存入国家种质库(见表1),贮存数量居世界各种质库的首位。

与此同时,建立起32个种质圃(含2座试管苗库)来保存凡需要以种茎、块根和植株繁殖保持种性的作物种质资源。据初步统计,入圃保存的作物种类50多种(类),种质3.7万份,分属1026个种(含)亚种(见图)。此外,还在中国农科院专业所的建立了7座特定作物中期库,及在全国各地农科院建立15座地方中期库。

国家库(圃)贮存的资源不仅种类丰富,而且这些种质的80%均是从我国国内收集的,不少属于我国特有,其中国内地方种资源占国内收集资源的60%;稀有、珍贵和野生近缘种质占10%;这是作物育种的宝贵材料,为世界各国所关注。随着贮存种质种类、数量增加和贮存时间的增长,国家库贮存资源的宝贵价值和所发挥作用越显重要。仅在1998年就为国家基金委重大项目提供600余份野生大豆的种原,同时开始向云南农科院逐步提供8000份云南省地方稻种资源(因云南农科院原保存设施及监控设备落后,资金缺乏,虫吃破损等原因致使大部分资源种子生活力的丧失);此外,每年接待有关部门领导,中外学者及大中小学生上千人次,是植物遗传资源多样性保护的重要宣传和教学基地。

通过国家的科技攻关,我国种质资保存技术研究已进入一个新的

阶段,在国家库已建立一套先进的管理和种子入库前处理技术。通过系统地研究,解决了各种作物的安全有效干燥条件和方法。研究出80多种农作物栽培和野生近缘植物种子的生活力检测方法,为野生资源和难发芽种子的入库提供了有效的生活力检测技术。为确保国家库30

万份贮存种子的长期安全保存,开展贮存种子的跟踪监测研究。在寻找节能保存技术方面,超干燥贮存被认为是最有希望的方法,在我国此研究已处于国际先进水平,并进入实际应用技术难题的研究阶段。在无性繁殖作物的保存技术研究方面,组织培养技术已应用甘薯和马

铃薯试管苗保存。结合超低温保存技术对上述作物进行长期保存的研究正在开展之中。

中国作物种质资源信息系统(CGRIS)1988年初步建成并开始对外服务,目前拥有180种作物(包括粮、棉、油、菜、果、糖、烟、茶、桑、牧草、绿肥、热带作物等)、37万份种质信息、2000兆字节,是世界上最大的植物遗传资源信息系统之一,包括国家种质库管理和动态监测、青海国家复份库管理、32个国家多年生和野生近缘植物种质圃管理、中期库管理和种子繁种分发、农作物种质基本情况和特性评价鉴定、优异资源综合评价、国外种质交换、品种区试、指纹图谱管理等9个子系统,700多个数据库,120万条记录。建立了作物种质资源数据采集网,由一个信息中心,20个作物分中心,50个一级数据源单位,近400个二级数据源单位组成。CGRIS的建立,为农业科学工作者和生产者全面了解作物种质的特性,拓宽优异资源和遗传的使用范围,培育丰产、优质、抗病虫、抗不良环境新品种提供了新的手段,为作物遗传多样性的保护和持续利用提供了重要依据。已在因特网(Internet)上向用户提供无偿共享信息(网址:http://icgr.caas.net.cn/),总共向国内用户提供了2400万个数据项值的种质信息,产生了明显的社会经济效益。

近20多年来,尽管我国作物种质资源保存取得迅速发展,但应该看到,种质保存工作与国外相比,仍存在不少差距,需采取以下对策。

1.妥善解决种质库(圃)的运转经费,稳定种质保存队伍

种质资源收集保存是一项造福子孙后代的千秋伟业。收集入库(圃)的资源是我国宝贵的物质财富,可以说是维持下世纪我国农业可持续发展的战略资源。但是,据了解目前绝大多数种质库(圃)都没有固定的专项运转经费,有运转经费也是少的可怜。因此,建议遵循国家级的种质库(圃)由中央财政负责,地方中期库由地方财政负责的原则,妥善解决种质库(圃)的运转经费。需要强调是运转经费不仅应包括制冷机组的水电和制冷剂费,而且应包括种子入库、监测、分发和更新及数据管理等费用,以及必要安全保存技术的基础研究费用等。因种质保存工作是一项系统性基础工作,那一环节出了问题都有可能导致种质资源得而复失的危险。

2.有计划地建立起我国种质资源保存和利用体系

种质保存不是目的,重要是如何充分利用,为我国农业生产服务。因此,一方面有必要建立种质资源权威机构来协调组织全国植物遗传资源的保存工作,减少保存设施不必要的重复建设。另一方面,有必要象美国、印度等国那样在全国范围内,按不同气候生态类型区域建立几个品种资源综合工作站。工作站既是负责一些作物种质资源的中期保存和分发中心,又负责新引进、新搜集种质的评价鉴定、繁种优异及贮存材料的更新。这样既有利于稳定队伍,也可在这些保存设施和工作站基础上建设我国种质保存和利用运行体系,从而使各种各样优异资源得到充分利用。

3.加强种质资源立法和政策研究

尽管我国对种质资源交换已制定一些政策,在立法和政策研究上亲本仍很薄弱。因此,有必要加强种质资源立法和政策的制定,既能使种质资源得到充分利用,又能保证具有战略性资源不流失国外。此外,国家有必要制定相关法规,要求引进资源必须送一复份到国家长期库保存;对于国家拨款资助的育种单位,也应要求将其育种亲本材

料送一复份到国家长期库保存。同时应提倡有关单位自愿把的资源材料送到国家长期库保存,因这是资源安全保存的重要原则。

4.种质安全保存技术和方法的研究

种质资源入库(圃)的保存只能说暂时避免人为或自然灾害破坏而在异地得到保护。但是,种质在种质库的保存过程中,种子生活力仍会下降,并会诱导遗传变化。因此,加强生活力和遗传变化的监测技术,以及种质更新标准和繁种方法等方面研究,才能确保种质资源的长期安全保存。对于我国特有珍贵野生亲缘种,如野生稻、野生大豆、野猕猴和野生蔬菜等,应考虑建设野生亲缘种保护点或保护地,同时应强超低温保存技术的研究,形成对作物种质资源原生境保存,异生境及离体保存的一整套安全保存战略方案。

5.加快建设种质信息网络建设

虽然中国作物种质资源信息系统(CGRIS)已建成,但由于没有实现全国联网,种质信息只能以软盘或邮件形成传递,应用范围受到一定限制。因此,应在近期内与各作物种质资源、遗传育种、生物技术研究单位、保存中心、种质交换、种子公司及生产部门等建立全国性的种质信息网络系统,扩大种质资源信息的利用范围,提高种质信息的利用效率。与此同时,也应加强种质信息应用技术的研究,如数据采集技术,图像自动识别技术、数据分析模型和方法及网络技术,以促进种质资源的充分利用。

 

Present Status and Prospect of the Preservation for

Crop Germplasm Resources in China

Lu Xinxiong, Cao Yongsheng

(Institute of Crop Germplasm Resources, CAAS, Beijing, 100081,China )

 

Abstract Preservation of crop germplasm resources has developed rapidly in China. In the last two decade a system of preservation was established. Two long-term and more than 20 medium-term storage facilities for crop germplasm preservation have bee built. More than 300,000 accessions have been stored in National Genebank of Cina. More than 45,000 accessions of perennial and vegetative crops are preserved in 32 National Clonal Germplasm Repository. However, there are some problems i China for preservation of crop germplasm resources. So, certain considerations need to be given priority. There are, first, to establish a China National Board of Plant Genetic Resource to organize and coordinate the crop genetic resources in China. The second consideration is to select certain seed genebaks as Reginal Station of the national system to take responsibility for distribution of ative collections, as well as for regeneration of base collections. A third cons deration is to provide funds for upgrading of facilities, plus for maintenance,and documentation, at the seed storage gene banks and the clonal germplasm repository.

Key words: Crop Germplasm Resources, Preservation, Prospect