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保护作物多样性 发掘有用新基因 --试论我国作物种质资源研究当前的任务
董玉琛 （中国农业科学院作物品种资源研究所，北京 100081）
摘要 我国作物种质资源研究在收集、保存方面取得了举世瞩目的成就。目前存在的问题是研究利用不够，且更严重的是有些种质潜在着得而复失的危险，当前的任务应是确保库(圃)种质安全，加强对种质资源的深入研究，充分有效地利用种质资源。为此要完善工作体系，加强供种服务。现提出如下建议：首先要发挥各作物负责单位（中期库）的枢纽作用；调整中期库并建立种质资源生态实验站；清查各类种质库、圃保存种质的现状，及时进行繁种更新；瞄准育种目标，积极广泛收集新种质；研究种质资源的遗传多样性，如遗传多样性的地理分布、物种的遗传结构、物种或品种（系）间的遗传距离、指纹图谱、核心种质以及基因型的鉴定和基因定位等，积极向育种和其他利用者提供附有遗传信息的有用种质。 关键词 作物种质资源 当前任务 遗传多样性
1 我国作物种质资源工作面临的形势 1.1 工作成就 我国的作物种质资源研究在新中国成立后经历了三个发展阶段［1］：1949-1977年为创建阶段,50年代我国不失时机地把极其宝贵的地方品种（农家种）收集了起来，至60年代中期对搜集材料进行了初步整理，即观察记载了性状并淘汰了重复, 1966年至1977年国内动乱使创建阶段拖延了10年，全国有关科技人员在十分困难的条件下，千方百计地把手中的种质资源基本上保存了下来。1978～1985年为恢复和发展阶段, 1978年全国科学大会以后，中国农科院建立了作物品种资源研究所，这是我国作物种质资源研究的一个里程碑。建所后，全国性补充征集、重点作物的野生种和重点地区的种质资源考察收集随即蓬勃开展起来，抢救了一批珍贵的资源, 同时，建立了国家作物种质库，为妥善保存创造了条件。1986年以后我国作物种质资源研究进入了大发展阶段, 在国家的大力支持下，“七五”、“八五”、“九五”三个五年计划使我国作物种质资源在收集和保存方面进入了国际先进行列, 国家作物种质库长期保存160多种作物31.8万份种质（至1995年底）［2］，并实现了复份保存; 在中国农科院有关专业所建立了有关作物中期库，一些省（市、自治区）农科院建立了本地区种质资源中期保存库（工作库），繁殖、更新和向利用者供应种子；在全国建成了26个种质圃，保存多年生作物种质4.5万份；还有2个试管苗库, 试验保存薯类作物；对约20万份种质进行了抗病虫、抗逆和品质初步鉴定；建立起拥有2000万个数据项的信息系统。业已开始应用分子生物技术对作物种质资源进行鉴定研究。 1.2 存在问题 过去50年，虽然在收集保存方面取得较大成绩，但在研究鉴定和提供利用方面还十分不足，致使我国出现资源虽丰富却缺乏育种材料，研究盼深入却拿不到种子的状况。更值得注意的是,有些作物的种质资源仍面临得而复失的严峻局面。中期库是提供利用的窗口，但是随着改革开放的深入发展和时间的推移，种质库(圃)的研究或管理人员变更，有些新人不熟悉品种、不了解种子的存放和活力状况，或是不热心提供种子；有的中期库用来搞开发，把种质资源堆放在角落里，无法拿种子；有的中期库因无运转经费，已停止控温。因此，不少中期库内的部分种子已失去了发芽力。据最近对几个中期库内4000余份小麦种质资源测定，已有20%失去发芽力。国家作物种质库--长期库内有些种子发芽力下降也已需要更新。虽然，按设计，长期库内种子的发芽力可维持50年或更长，但由于有的材料入库时种子发芽力处于最低限或其他原因，其发芽率已提早降低。现在最早入库的种子已存放15年。经陆续对14种作物抽样检测，在15000个样品中已有78个样品的发芽率降至需要更新的指标以下，占0.52%以上。按这个比例，长期库保存的31.8万份种质中，约有1650余份已需要种植更新。种质圃保存的材料种在田间，更易损失。我国作物种质库中保存的材料大多是50年代收集的我国宝贵的农业遗产，它们内含的基因尚不完全清楚，一旦有的种质资源损失，就难以用任何新方法再创造出来。保护好我国作物种质资源的多样性需要靠国家的继续支持。当然，种质资源工作者认清形势，竭力工作更是必不可少的。
2 我国作物种质资源研究当前的任务 21世纪将是科学技术空前突飞猛进的时代，生物技术的发展必将更加显露出种质资源的重要性。保护和研究种质资源必然是十分光荣和必需的任务。认准工作的性质，做出自己的特色，种质资源工作者才能取得更出色的成绩，才能适应育种和科学发展之需要。种质资源工作研究的内容不外乎收集、保存、评价、利用和创新。但是，新时代赋予了这些内容新的含义。无庸置疑，种质资源研究是一项基础性、服务性的工作，但现在更需要强调长远和当前相结合，立足长远，着眼当前。立足于保存农作物的遗传多样性，为农业的持续发展储备雄厚的物质基础；着眼于当前育种需要，针对育种目标进行广泛收集、深入评价和积极创新，为育种和研究的利用提供优质高效服务。根据我国目前情况，建议加强下列建设和研究：2.1 完善工作体系，加强供种服务 2.1.1 发挥作物负责单位（中期库）的枢纽作用 我国每个(类)作物有1个（个别作物有2个）负责单位。他们建有中期库（工作库），是供种服务的窗口。各个作物的负责单位应起到枢纽作用（见图）。他们要为国内外的考察收集和引种提供目标和信息，甚至参加重点考察；对收集到的材料进行种植观察、农艺性状记载和编目；根据目录组织繁种，向长期库输送种子，并承担长期库内材料的生活力更新和繁殖；向特性鉴定和评价单位提供种子，并收集他 们的鉴定结果，作出综合评价；向深入研究者提供种子，并可参加一部分鉴定、研究和创新；将材料的基本档案和各项记载、鉴定、研究结果提交信息系统，与信息系统合作不断向外提供各种信息，如新收集材料的目录（经试种后的，附基本性状）、各种优异种质简介、品种志等。各作物负责单位（中期库）最重要的任务是向育种或研究者提供种子，这就需要不断繁殖种子和更新自己所保存的种质，并不断根据育种目标收集新种质，力求满足育种的需要。 2.1.2 调整中期库，建立种质资源生态实验站 我国除各作物负责单位建有中期保存库外，各省还负责保存本省原产的种质资源，因此有些省也建有中期库。现在有的省中期库已不再发挥作用。全国作物种质资源保存在30多个中期库中过于分散，难免在人事变动时造成损失。建议在我国不同农业生态区选择数个省、市、自治区农科院为依托，建立作物种质资源生态实验站（简称生态站）。生态站在各作物负责单位的统筹安排下负责一部分种质的中期保存，同时承担收集（引种）材料的试种观察、繁种更新和部分材料的供应分发任务。生态站首批可建7个左右，逐步增加到10～15个。生态站在承担全国任务的同时，首先要为本生态区服务，了解本生态区育种和生产的需求，主动向本区育种者提供新种质。 2.2 查清保存现状，确保种质安全 2.2.1 清查中期库 入长期库的种子必须在中期库内也保存一套，以便向外提供利用。需要尽快查清全国各中期库内各种作物种质资源的种子数量和发芽率，提出繁种更新计划。对中期库内丧失发芽力的种质，要向长期库提出申请种子，经繁种更新后向中期库和长期库补充种子，估计各种作物需要繁种更新的种质约有30万份。 2.2.2 保证长期库保存种质的活力监测和更新 如前所述长期库中保存的种子已有1650余份需繁种更新。希望加快检测进度，争取在20年内对保存的30余万份材料的发芽率全部检测一遍，对必须更新的种质及时更新。 2.2.3 国家种质圃和试管苗库的材料亦需查清数量和活力 对丧失的材料力求补齐，编出种质资源目录。 2.2.4 讨论制定各种作物种质资源种子保存的技术指标 如更新生活力前最低的发芽率指标，种植更新时的群体大小和隔离措施等，确保种质资源不产生遗传漂变。 2.2.5 保证种质保存所需经费 建议国家保障作物种质资源长期库（包括复份库）、各中期库、种质圃和试管苗库的运转费、检测费和繁种更新费，以确保我国作物种质资源遗传多样性的安全；保障信息宣传费，促进种质有效利用。 2.3 瞄准育种目标,积极广泛收集 2.3.1 国外收集 重点在根据育种目标广泛收集新基因、新种质。同时要收集作为研究工具的特殊遗传材料，如用来进行遗传分析、基因定位、病毒或病害检测及其他深入研究所需的材料。此外,国外引种不限于育种工作做得多的大作物,尤其要注意引进小作物和新作物,加以试种推广,以促进种植制度改革,使农民增加经济收入。2.3.2 国内收集 重点在专门作物的考察收集，特别是其野生种和野生近缘植物收集。地区性综合考察收集重点宜放在西部，随着我国对西部的大开发，当地环境条件将不可避免地发生重大变化，要对当地植物资源进行抢救，勿使灭绝。我国的野生大豆和野生稻是人类的宝贵财富。对它们虽然进行过全国性的考察收集，但距今已有20年。20年来各地的小环境和交通条件发生了很大变化。21世纪再次进行我国野生大豆和野生稻的考察是必要的。重点经济作物和重点果树、蔬菜野生种的考察收集也是必要的。 2.3.3 研究不同作物考察收集时的取样策略，提高收集的科学性 有时需要单株取样，以研究物种的遗传多样性和繁育习性。有的需要根据物种繁育习性确定采集时设定群体（居群）间的距离和群体内采集个体的数量。有些多年生的野生种是异花授粉植物（如普通野生稻），常常生长在距栽培种（栽培稻）很近的地方。这时只采集野生种的种子便不够了，因为其柱头上可能已落上栽培种的花粉而使种子成为杂合体。这时挖取种茎才能得到纯合的种质。总之，考察收集必须科学，得到的种质才能有更大的研究和利用价值。另外，考察收集时不宜确定数量指标，应该更注重收集材料的质量，研究利用的价值越大越好。 2.4 研究遗传多样性，发掘有用新基因 遗传多样性是指物种群体内和群体间个体上的遗传变化。一个物种，如果遗传多样性丰富，亦即所含的基因变化丰富，该物种对环境变化的适应能力就强，进化的潜力就大；否则适应能力就弱，进化潜力就小。一个作物或种群个体上的遗传差异，不仅存在于表型性状上，而且更多地存在于蛋白质和DNA等分子水平上。随着生物技术的发展，人们不仅可以检测到个体间总DNA水平上的差异，而且在有些作物还能找出各条染色体遗传信息的差别。作物种质资源间，内在的遗传差别远远大于外在的差别。因此，在种植观察、特性鉴定的基础上，结合分子生物学技术研究遗传多样性，必将深入揭示他们在基因型上的遗传差异，使人们对优异种质有更加科学的认识，便于有效利用。研究作物种质资源的遗传多样性可以解决许多问题［3］。目前研究较多的有： 2.4.1 遗传多样性的地理分布 研究某种作物在各地分布的种质资源的遗传多样性就会发现各地材料遗传多样性的丰富程度是不同的。遗传多样性最丰富的地方就是这个作物的遗传多样性中心或称变异中心。对变异中心的种质资源要适当地多收集、多保存，反之，对遗传多样性贫乏地区的种质资源要适当地少收集、少保存，对野生种建立原位保存点时应优先考虑其遗传多样性中心。 2.4.2 物种的遗传结构 主要指植物群体内和群体间各自遗传多样性的程度。群体内的遗传差异大于群体间的时为异花授粉植物；反之，群体间的遗传差异大于群体内的时为自花授粉植物。根据物种的遗传结构，在考察收集时可以正确取样，在繁种更新时采取恰当的隔离措施。研究珍稀、濒危植物的遗传结构，对其保护尤为重要。 2.4.3 物种或品种（系）间的遗传距离 根据对材料间同工酶、蛋白或DNA电泳谱带的聚类分析，计算他们之间遗传距离的远近。研究物种间的遗传距离是研究起源演化的重要手段。研究品种间的遗传距离有助于了解品种间的亲子关系，还可作为选配杂交组合及骨干亲本分类的参考。 2.4.4 品种（系）的指纹图谱 当实验条件固定，并能找到适宜的引物或探针时，品种的电泳谱带多而稳定，可以把数十个，甚至数百个品种区分开来。每个品种的谱带式样便是其指纹图谱，可用来鉴定品种（系）种子的真伪和纯度。在经济市场化的今天，研制推广良种和自交系的指纹图谱具有非常重要的实用价值。 2.4.5 核心种质 以一种作物最少的样品数代表其全部种质资源的遗传多样性，将这少数种质称为该作物的核心种质。对于种质资源数量庞大的作物，研究其核心种质是很必要的，可以大大提高鉴定研究种质资源的效率。如我国水稻种质资源有7万余份，小麦有4万余份，大豆有3万余份，若进行特性鉴定研究，工作量将极大。应用现代生物技术手段结合常规鉴定资料，取其中一部分构建核心种质，对它们再深入鉴定研究，就更有利于发掘新基因。 2.4.6 基因型鉴定和基因定位 我国收集的作物种质资源中，各种作物约有1/2至2/3已进行初步的抗病虫、抗逆性和品质鉴定。其中抗某种病或不良环境的材料很多。它们携带的抗性或优质基因是否相同，不得而知。通过深入研究，查明优异种质携带优良特性基因的类别、性质及其所在染色体的位置，无疑会大大提高利用的效率。另外，收集国内外关于基因型鉴定研究的结果，加以宣传报道，也是有益的工作。 种质资源特性鉴定和深入研究由谁来做？首先是由全国的有关科研单位，教学单位及其他有力量从事种质资源鉴定研究的单位或人员来做。其次是种质资源工作者和其他单位研究者共同申请项目，合作研究。当然，种质资源工作者也可以根据本身的专长，选择一部分问题，有重点地独自进行研究。最重要的是，种质资源工作者积极热心地向各方面提供种子或与别人联合申请项目，推动深入研究，使全国形成蓬蓬勃勃研究种质资源的局面。这样才能更多地发现和利用新基因，使我国的作物育种和农业生产在21世纪为人类作出更大贡献。
参考文献 1 董玉琛.作物种质资源.见：农业部科技教育司编.中国农业科学技术50年.北京：中国农业出版社.1999，271～283 2 方嘉禾主编.八五作物品种资源研究进展.北京：中国农业科技出版社.1998 3 中国科学院生物多样性委员会编.生物多样性研究的原理与方法.北京：科学出版社.1997
Protection of crop genetic diversity and exploitation ofnew useful genes: Comments on current tasks in research on crop germplasm resources in China DONG Yushen (Institute of Crop Germplasm Resources, CAAS, Beijing 100081, PR China)
Abstract Significant achievements on collecting and conservation of crop germplasm resources in China have been made. The problems encountered at present include insufficient research and utilization, even more seriously, some materials are in danger of loss. The current tasks should include perfecting the germplasm resources system, and strengthening service for users. At first, institutions in charge of each crops mediumterm banks must play a key role in use of these genetic resources. Adjustment of mediumterm banks and establishment of some ecological experimental stations are suggested. The situation of conserved different collections of each crop must be ascertained to assure the security of crop germplasm resources. New germplasm should be collected actively and widely based on breeding objectives. Studies on genetic diversity of germplasm resources, geographical distribution of genetic diversity, genetic structures in populations, genetic relationships between species or varieties (lines), fingerprinting, core collections, genotyping and gene location, and active providing of useful germplasm with genetic information to breeders and other users should be emphasized. Key words Crop germplasm resources; Current tasks; Genetic diversity
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