刘 旭

摘 要 作物种质资源是人类赖以生存的物质基础，是农业起源跨跃式和发展的前提。根据人口、资源、环境、需求几大矛盾的突现及国际、国内的农业形势，认为走农业可持续发展的道路已是唯一出路。但是从目前的常规农业转向可持续发展的农业，由于人口的巨大压力，走原始、古代的农业道路是不行的。因此，只能利用分子技术开发我国丰富的作物种质资源推动新的科技革命，以促进完成向可持续农业的转轨。本文论证了新的科技革命的主导突破性关键技术为高产基因、抗病虫基因、高效利用水肥基因以及精确农业技术、食物安全技术，并预测下一次科技革命的高潮将会在2010年左右出现。

关键词 跨跃式发展 作物种质资源 生态环境 可持续农业 科技革命

作物种质资源即农用植物遗传资源，是生物多样性的重要组成部分，是地球上极为重要的财富，更是人类赖以生存和发展的重要物质基础，也是农业起源和发展的基本前提条件。作物种质资源不仅包括在任何地区、任何时间所栽培的植物种及其所有品种的全部基因遗产，还包括它们的半驯化种、野生种和亲缘种，同时还应包括人们利用采、伐、摘、挖、放牧等手段而为人所用的各种植物种。这种遗产越多，即其多样性越丰富，改良栽培品种或选育新品种的潜力就越大。作物种质资源及其多样性，不仅为人类的衣、食等方面提供原料，为人类的健康提供营养品和药物，而且为人类幸福生存提供了良好的环境，尤为重要的是，它可为人们选育所需求的新品种，开展生物技术研究提供取之不尽，用之不竭的基因来源。

由于人口不断增加，粮食问题已成为世界面临的重大问题之一。增加粮食产量，主要不能靠扩大种植面积，因为大量开垦荒地会损害生态环境，危害生物多样性。要使农业持续发展，粮食持续增产主要得靠提高单位面积产量。欲提高单产，灌溉、施肥及其它栽培措施固然重要，而优良品种却是首要因素。选育良种要靠作物基因的多样性。目前任何高新技术都还不能创造基因，而只能在生物体之间转移、复制或修饰基因，丰富的基因存在于多种多样的品种(包括古今中外的品种)及其野生亲缘植物中，它们统称为作物种质资源或作物基因资源。人们已认识到，育种实质上是种质资源再加工，因此保护农用植物基因资源多样性，利用分子技术发掘其中优异基因，推动一场农业科技革命，是实现农业可持续发展的中心策略。

根据化石的考证，地球上最早出现的低级形式的生命(例如细胞和蓝藻)起源于40亿年以前。经过几十亿年的缓慢进化与分化，逐渐出现了多种多样的生命形式，形成了生物多样性。人类是从大自然中走出来的，而且也是生物多样性的一个组分，也可以讲是一个物种。据出土化石分析，人大约在20万年前由猿人进化成为早期智人。那时的人类，虽然在语言、思维和造工具方面有别于其它生物，但对生物多样性的影响，对作物种质资源的利用上比起原来没有本质的区别。这一阶段人类赖于谋生的手段主要是采、伐、捕、捞……。

大约一万年前，随着人类对大自然的认识，开始栽培植物、驯养动物，农业开始出现，地球上首次出现了农业生态系统和人文景观。可以讲，这是人类为生物多样性做出的贡献，特别是极大地丰富了作物种质资源的多样性。地球上大约有1—8万可食用的植物，而人类在各个时期至少利用了3000种食用的植物。经过农业近万年的发展，人类已完成了1200种作物的驯化，但真正大面积栽培的只有150种。

农业的起源是人类为了自我生存而对作物种质资源利用的过程。诚然，那时人类栽培植物，驯化动物完全是一种无意识地用最为原始的方法利用种质资源。农业发展到距今2000年前后，人类开始注意选种、留种，同时辅助于农田灌溉和土地休闲，这时人类已开始有意识地利用作物种质资源，根据历史资料记载，从纪元初到明末清初的1650年间的时间，中国的粮食单产从1吨／公顷增加到2吨／公顷，其中自然与人工选择作物种质资源的进程而形成的作物品种占了一半的作用。

2 作物种质资源与近、现代农业的跨跃式发展

2.1 近、现代三次农业革命简述

历史的指针到了17世纪中叶(即1650年左右)，世界人口也缓慢增至5亿人(中国则有1.5亿)，由于近代工业的兴起(主要由于商船和铁器的广泛应用)，农业历史上揭开了崭新的一页，在至今300—400年的历史上出现了“洲际引种”、“石油农业”、“绿色革命”三次农业革命，使农业产量翻了三番，而人口也随之翻了三番。

洲际高产作物引种与推广是第一次农业革命，其引发点为以哥伦布1492年发现新大陆，洲间商船开始运营，使玉米、甘薯、马铃薯、木薯这些原产拉丁美洲的高产作物引种到亚欧大陆和这一时期炼铁技术提高及铁制新农具的普及，其主导突破性技术为高产作物引进与推广和铁制新农具的普及，使农业总产量提高1倍，其单产和耕地面积扩大的作用各占一半，其间世界人口从1650年的5亿剧增到1800年的10亿(中国从1.5亿增至3亿)，即150年翻了一番，其农业革命的高潮期在1750—1850年。

“石油农业”是第二次农业革命，其引发点为1792年第一台拖拉机在美国出现，1847年德国莱比希的矿质营养系统问世，1850年德国合成氨工艺成功，1869年美国第一口人工石油钻井出油，其主导突破性技术为农业机械化和灌溉、化肥的广泛应用，其间世界人口从1800年的10亿剧增到1930年的20亿(中国从3亿增至4.5亿，这一阶段由于中国沦为殖民地半殖民地，没有此次农业革命，故人口也只翻了半番)，即130年翻了一番；其农业革命的高潮期在1870—1940年。

“绿色革命”是第三次农业革命，其引发点为1868年孟德尔遗传规律的发现，1943年杀虫剂DDT的产生，1960年左右小麦、水稻矮杆基因的开发和利用。其主导突破性技术为矮杆品种推广与杂种优势利用和化肥、灌溉、农药的普及。其间世界人口从1930年的20亿剧增至1974年的40亿(中国从4.5亿增至9亿)，其农业革命的高潮为1960—1986年。

2.2 三次农业革命是作物种质资源开发利用的结果

综观近、现代农业三次跨跃式发展，作物种质资源的开拓与利用起了巨大作用。第一次农业革命为“洲际引种”，引种是作物种质资源利用的一个重要方面。哥伦布1492年发现美洲后，洲际商船开始运营，许多作物随之被引种到四方；通过100余年的异地驯化、选择，玉米、甘薯、马铃薯、木薯等高产作物在亚欧非大陆引种成功，由此导致第一次农业跨跨式发展。引种带来了高产作物的普及，使粮食产量迅速增加，但另一方面，也正由于某一作物的某一品种被极大面积推广以后，形成作物种质资源多样性急剧下降，当某一生物灾害降临时，则出现灭顶之灾。1846年在爱尔兰推广的马铃薯突遭马铃薯晚疫病侵害，造成50万人死亡，150万人移居北美大陆的惨剧，但人类当时并没有认识到这一点，而认为是上帝报复人类。第二次农业革命中，由于使用大量机器扩大面积，使用化肥以提高单产来提高粮食产量，但也正由于没有充分发挥作物种质资源的作用，而形成化肥倒伏，作物严重倒伏，机械作业无法进行。不仅生产效益不能极大提高，而且还污染了环境。诺贝尔奖获得者布洛格博士首先发现这一严重制约农业发展的问题，并下决心寻找一种防止倒伏的矮杆基因，从而引发了一场“绿色革命”。

“绿色革命”，也即第三次农业革命是人类首次主动开发作物品种资源的有益基因，作为主导技术，辅助于化肥、农药，来增加粮食产量，以期满足日益增长的人口的巨大需求。其主要基因是墨西哥国际小麦玉米中心开发的“农林10号”中的小麦矮秆基因Rht1、Rht2，和菲律宾国际水稻研究所开发的“低脚乌尖”中的水稻矮杆基因Sd1，而我国利用是从“赤小麦”中的小麦矮杆基因Rht8、Rht9和从“矮脚南特”中的水稻矮杆基因以及从野生稻中发现的“野败”型不育基因。因此上述基因被誉为“绿色革命”基因。

3.1 中国农业发展面临着严重压力和巨大挑战

我国的基本国情决定了21世纪中国农业可持续发展必将受到农产品的巨大需求、资源短缺和环境恶化，国际农业市场竞争等多重压力和严重挑战。

3.1.1 需求压力巨大

联合国人口基金会预计1999年10月世界人口将达到60亿；2030年将突破80亿，即比1974年的40亿再翻一番。我国到2030年人口将至16亿，虽没有比1974年的9亿翻一番，但也十分惊人。按年人均用粮400公斤(小康)、450公斤(中等)、500公斤(富裕)水平计算，2030年16亿则需6400亿公斤、7200亿公斤、8000亿公斤；从实际出发，中国到达2030年的人民生活水平应达到小康—中等水平，需要有6.4—7.2亿吨粮食，即需从目前的4.9亿吨净增粮食1.5—2.3亿吨，也就是到2030年要比目前的单产水平提高55%以上，而产品也要提高60%以上。目前，我国粮食生产水平基数已很高，在现有农业科技水平上，单产增长举步维艰。

3.1.2 农业资源环境危机严重

据专家测算，我国人均农业资源最佳许可承载量仅为8亿人口，远低于世界平均水平。我国的耕地、淡水、草原、森林四大农业资源总量分别占世界的9.5%、90%、9.5%、4.5%左右，不算太少，但按人均计算则只有世界人均水平的32.3%、28.1%、32.3%、14.3%。我国耕地资源中25℃以上的坡耕地有600万公顷，而且4%耕地受到沙漠化威胁，8%耕地受到次生盐渍化威胁，20%耕地受到重金属污染，更为严重的是中国的耕地中有50%的缺磷，23%缺钾，14%缺磷钾，我国土壤有机质平均含量只有1.5%，只有欧美国家土壤中的一半。我国粮食生产50%依赖于灌溉，而美国只有10—15%依赖溉灌，面临中国水资源严重不足，利用率为30%，先进国家则达60—70%。我国草原由于超载放牧、毁草开荒及鼠害等影响，产量下降1／3—1/2，同沙化严重。我国湿地及淡水系统大量围水造田，仅鄂、湘、赣、皖四省初步统计围垦113万公顷，另外，水土流失严重，每年流失土壤50亿吨，仅四川一省每年因水土流失就减产49亿公斤。我国生物资源丰富，因其保存、开发利用能力与水平方面落后于发达国家，正受到世界农业科技竞争的威胁，成为世界“星田大战”争夺的目标和焦点。

3.1.3 国际农产品市场激烈

世界农业发达国家和跨国公司以其雄厚的资本、先进的装备、产业化经营不断抢占国际市场，并且向发展中国家渗透，对中国这一市场早已垂涎三尺。我国入关后，农产品市场将面临着更加激烈的国际竞争。

3.1.4农业可持续发展是必由之路

近、现代农业跨跃式发展，满足了人口剧增对食物的需求，并没消除反而加剧了人口、资源、环境、需求的四大危险，人们认识到，必须改变以大量消耗资源，以牺牲生态环境为代价的农业运作方式，由此必须用一种新的生产效益型、资源节约型、环境保护型、食物安全型的可持续发展的农业方式来代替，当然在巨大人口压力下，不可能以降低产量，哪怕是暂时的为前提来实现转轨，因此利用一次新的科技革命来实现跨跃式发展的同时完成向农业可持续发展的转轨已是唯一出路。

3.2 中国十分丰富的作物种质资源有待开发

中国幅员辽阔，生态环境复杂，农业历史悠久，作物种质资源十分丰富，是世界作物多样性中心之一。据初步统计，世界上栽培植物有1200余种，中国就有600余种，其中有300余种是起源于中国或种植历史在2000年以上。中国的种质资源被引种到世界各地，在科研和生产上均发挥了很大作用。中国经整理编目的种质资源已有160种作物，共36万份，入国家种质库长期保存的有31.8万余份，入圃保存的3.7万份，它们分属78科，256属，810个种(不含花卉和药用植物)。 对入国家种质库长期保存的31.8万份种质资源全部进行了农艺性状鉴定，部分进行了品质、抗逆和抗病虫鉴定，从中已初步筛选出2万余份综合性状较好或具有某一特优性状的种质资源。这些优异材料，部分已提供给生物技术、育种利用，有些还在高寒地区、盐碱地区、干旱地区和矿山复垦区直接推广利用，有些还向世界各国提供，都已初见成效。

通过二十年的工作和十五年攻关，已初步形成了由中国农科院作物品种资源所牵头，全国各有关农业科研部门共同协作的种质资源收集、保存、鉴定、研究、创新、利用的工作体系，但由于受到经费等方面因素的制约，此体系尚十分脆弱。加强此工作体系的关键在于适当增加投入，创造必要条件，使作物种质资源工作从目前以收集、保存、鉴定为主，及时转到以研究、创新、利用为主的轨道上。只有这样，才能持续不断地发挥种质资源的作用。

已收集编目的36万份种质中，选育材料4.3万份，国外引进材料6.7万份；其余25万份为中国的地方品种、稀有种及野生近缘植物，约占收集材料总数的70%。还有小作物、水生蔬菜、热带作物、牧草、调味、香料、花卉和药用植物有待进一步收集，估计还可以收集地方品种和野生种及野生近缘植物15万份左右，估计中国种质资源的总量实际上约在40万份左右(不包含选育和国外引进材料)。伴随着现代工业和城市建设的发展，生产单一经营和山区开发建设等带来的污染和生态环境的破坏等，日益加重了种质资源的灭绝，特别是野生资源受到了更大威胁。为了实现农业的可持续发展，保护和合理利用种质资源及其遗传多样性成了十分紧迫的任务之一。

3.3 利用生物技术有望解决农业生产徘徊的局面

建国50年来选育新品种5000多个，使我国主要农作物进行了3—5次品种换代，每次更新都使产量增加10—20%，作物的抗性与品质也有显著的提高。其中种质资源具有功不可没的作用，据专家分析，优异种质在育种中所起的作用占一半。但是80年代中期以后，我国乃至世界主要国家的新品种选育工作处于艰难的“爬坡”阶段。作物产量徘徊不前，品质和抗性也少有突破性进展，究其原因，主要是亲本材料遗传基础狭窄。例如育成的小麦品种数百个，其亲本大都离不开14个骨干亲本。更有甚者，生产上使用的小麦品种80%都有IB／IR代换／易位系的血统(金善宝，1994)。又如大豆，1923—1992年全国共育成564个品种，其中208个有金元的血统(盖钧溢，1994)。玉米种植面积在200万亩以上的单交种有24个，其中21个分别利用了仅9个自交系(吴景锋，1998)。目前，我国杂交水稻占水稻种植面积的一半，而杂交水稻的不育系绝大部分为“野败”系统，大部分恢复系有IR品种的血统。国外情况也不例外。如美国大部分红硬(质)小麦与引自波兰和俄罗斯的两个品系有关(Tanksley，1997)。显而易见，品种遗传基础狭窄使农产品生产潜伏着严重危机，使作物育种很难有大的突破，因此，亟待改变作物种质材料的创新和育种取材策略。 拓宽作物遗传基础，增加品种的遗传多样性，只有开发利用野生(含野生近缘植物，下同)资源、引种和地方品种，贾继增等(1997)用RFLP标记对14个普通小麦品种(系)各条染色体的472个位点进行遗传多样检测，其中283个位点有多态性。其中“硬粒小麦／山羊草”杂交后代加倍育成的Synthetic特有位变异共175个；地方品种“中国春”则有12个；而英国的品种间杂交品种Highbury一个也没有。随后对其中10个来自品种间杂交育成的品种进行21条染色体等位变异的遗传距离测定，发现它们的相似系数达80%。因此，从分子水平上证明了现代选育品种的遗传多样性最差，地方品种较好，而野生种遗传多样性最丰富。许多品种的遗传基础如此狭窄说明利用野生种扩大其遗传基础是非常必要的。 现代生物技术和信息技术的突破，为建立作物育种的材料工程提供了希望与机遇。对数以几十万计的作物种质资源进行基因型鉴定，开发利用野生种质资源，仅采用常规手段不仅见效慢、周期长，而且预见性差、准确率低，更加困难的是尽管野生种质遗传基础丰富，并带有许多优异基因，但往往具有连锁的不利基因，并且外源基因导入和表达均有很大难度。然而，分子手段标记和转基因的成功给大量外源基因导入并创造新种质带来了新的手段和方法。例如Feldman利用分子标记研究指出，野生二粒小麦中存在可使推广品种增长14%的基因。Xiao等(1997)在低产的野生稻中发现了两个可分别使优良杂交稻的产量提高18%的基因。因此利用分子技术对我国36万份种质资源中的22万余份地方品种。近3万份野生种质进行基因型鉴定，必将成为种质创新的丰富的基因来源和物质基础。

4 充分发挥种质资源的作用，推动科技革命，实现农业可持续发展

4.1 农业跨跃式发展的前提条件

综观农业及科技发展史，实现农业跨跃式发展的必要条件是有一个全新的理论(如“石油农业”的莱比希的矿质营养学说，“绿色农业”的孟德尔的三大遗传规律)，有1至几项关键突破性技术可以解决制约生产的结症所在，加之以配套技术就有可能实现一次农业革命。前几次农业革命其关键性突破技术依次为：高产作物引种，农业机械化与化肥使用，矮杆基因和杂交优势利用与灌水施肥农药使用。此次将要进行的新的科技革命，有人认为生物技术和信息技术的突破很快会掀起一场科学革命，但实际上生物技术和信息技术仅提供了可能性，并不等于有了实用的关键性突破技术，因此有些学者甚至悲观地认为新的科技革命高潮30年之内不会来临。事实上既没有那么乐观，也不必那么悲观，如果按农业科技目前发展的速度，2010年以后就有可能掀起一场新的科技革命高潮。如果及时地准确地抓准制约生产的结症问题所在，就可以在理论指导下主动地攻克关键性突破技术。如第二次农业革命后期，诺贝尔和平奖获得者布洛格博士发现作物大量使用化肥后，倒伏严重，机械化无法作业，严重影响了产量和效益，因此他认为这是农业发展的结症，下决心寻找矮杆基因，并开发利用，终于在1960年率先掀起“绿色革命”。中国科学院院士李振声在80年代末敏锐地发现化肥使用过大，增大了投入，而且造成环境污染，于是他下决心寻找高效利用水肥的基因，经过十年努力，现已找到“磷高效”基因，并引起世界科技界轰动。而此次农业面临的新科技革命其理论是以DNA双螺旋结构为基础的现代生物技术理论和以电子计算机为基础的现代信息网络理论。从目前人口、资源、环境、需求四大危机看，新的科技革命的关键突破性技术主流是高产基因、抗病虫基因和抗逆基因、高效利用优质基因、水肥基因的挖掘，也就是说，作物种质资源优异基因开发将成为新的科技革命的突破口，从而为农业可持续发展奠定基石。

4.2 推动新的农业革命的新基因开发已初见端倪

高产基因的挖掘：中国工程院院士、杂交水稻之父袁隆平研究员指出，水稻高产的目标应该达到每公顷每天生产经济产量100公斤，即生长期为100—120天的水稻，应该产量为每公顷10—12吨，目前的全国平均产量为6吨／公顷，高产田为8吨／公顷，即提高55%。其基础是他的助手在美国合作研究时，利用我国从马来西亚收集到的野生稻中找到了两个可以比现有水稻良种“威优64”增产18%的两个基因，理论上就有36%的效益，加以其它技术措施，单产提高55%是有可能实现的。这项技术如果进展顺利，2010年取得突破是有可能的，使生产效益取得极大提高。 抗病虫基因的利用：这项技术在生物技术应用于农业是最快的。美国1998年已推广2000万公顷，其中抗虫玉米已占美国玉米播种总面积的20%，抗除草剂大豆已占美国大豆种植面积的30%。我国目前转基因抗虫棉种植面积1998年已达160万公顷，加之其它作物已近200万公顷，估计这项技术利用将在21世纪第一个十年得到广泛应用，这将是减少农药使用量、降低生产成本、保护生态环境的新技术。 高效利用水肥基因的寻找：这项技术目前仍在探索，其中中国科学院院士李振声研究员，经近十年努力，终于初步找到一个“磷高效”基因。据鲁如坤专家估计，中国从1960—1990年间使用磷肥后一年二季的总利用率只有25%，而30多年吸附固定累积在土壤中的磷总计已达6000万吨，而且目前一年使用磷肥总量只有600万吨(P2O5)，如这一基因得以广泛应用，就可以利用这些吸附固定累积在土壤中的磷。目前这项研究正在向氮高效、光高效、水高效发展，但是这项资源节约型技术突破的难度最大，估计最终突破将是在15—20年以后。

以上几大技术突破，有可能成为新的科技革命的主导技术，从而使第四次农业革命——也是全新的生产效益型、资源节约型、环境保护型、食物安全型的可持续发展的农业科技革命。为了使这一农业跨跃式发展早日来临，力争在2010—2030年完成这一宏伟战略，以保障中国21世纪16亿人口的中等水平的生活保障以及农业生态环境的良性循环的实现，我国必须有从农业发展规划、农业知识创新、农业科技重点投入等方面有一个总体布署和安排，以保证农业可持续发展，农民收入持续增加，农村社会稳定，农业科技率先达到世界先进水平战略目标的实现。

Crop Germplasm Resources and Agro-science Revolution

Liu Xu

Institute of Crop Germplasm Resources, CAAS, Beijing 100081

Abstract Crop germplasm resources are the material basis for living of humankind. It is also the precondition for origin and astride development of agriculture. Based on the current international and domestic agricultural statue and the contradictions among population, resource, environment and the requirement, the author believes that sustainable agriculture system is the only way for sustainable development of human society. Because of the population pressure, it is impossible to turn conventional agriculture to sustainable agriculture just via classic agricultural strategies. So, a new scientific revolution is urgently needed. Molecular marker assisted exploitation and utilization of genes responsible of high yield, pest and disease resistance, water and fertilizer efficient use in our plenty genetic resources, will take an important role in this evolution. At the same time, intensive and meticulous farming and safety food system will be the essential steps for this evolution. It is predicated that the next high tide of scientific revolution will occur about 2010.

Key words astride development, crop germplasm resources, ecological environment, sustainable agriculture, scientific evolution