中国农用植物多样性与农业可持续发展
刘 旭 董玉琛
(中国农业科学院作物品种资源所，北京 100081)
摘要 农用植物多样性是人类赖以生存和发展的重要物质基础，因此保护和利用它是农业可持续发展的中心策略。中国约有10000种农用植物，并具有丰富的遗传变异；目前，已收集保存了35.5万份农用植物遗传资源，仍有约15万份亟待原位或收集保存。中国在农业生产上大约种植了600种栽培植物，但随着人口增加、良种推广，生产朝着集约化方向发展，形成栽培植物的多样性急剧减少，其结果形成栽培植物种类较少，作物品种单一和遗传基础狭窄，由此已数次使生产造成巨大损失。因此只有最大限度地保护农用植物及其多样性，大力开发新的农用植物和未被开发利用的栽培植物种类，使农业生产的良种多样化，并努力拓宽优良品种的遗传基础，才能使农业实现可持续发展。 关键词：农用植物 多样性 保护 利用 可持续发展
作为生物多样性重要组成部分的农用植物多样性，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。农用植物多样性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。农用植物多样性，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。这里还需要指出的是，一些珍稀植物，特别是临亡、濒危植物，不仅具有科学、环境价值，而且具有人文景观和经济利用价值。
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。选育良种要靠植物基因的多样性。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，丰富的植物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，它们统称为农用植物基因资源或作物种质资源。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是农业可持续发展的中心策略。
Ⅰ.中国农用植物的多样性十分丰富
1.1 中国农用植物的种类丰富中国幅员辽阔，生态环境复杂，农业历史悠久，经过长期的自然选择和人工选择，形成了绚丽多彩和独具特色的农用植物基因资源。据不完全统计我国农用植物有10000种左右，它们可分为4个大类22个类群(其中许多农用植物有多种用途，因此在统计上有较多的重复计算)。
①食用植物
食用植物可分为直接食用和间接食用两种。在直接食用植物中包括了粮食类植物100种，食用油类植物100种，糖料类植物50种，蔬菜类植物700种，果树类植物300种，饮料类植物50种。间接食用植物包括了饲料类植物500种，牧草类植物2 500种。
②工业用植物
工业用植物包括：木材2 000种，纤维植物1 200种，橡胶植物50种，树胶植物100种，芳香油植物350种，工业油植物500种，鞣质植物300种，色素植物60种，寄主植物300种，编织植物150种，还有昆虫胶植物等。
③药用植物
药用植物计有：药用植物5 000种，兽用药植物500种，土农药用植物200种。
④环保植物
环保植物中有：观赏植物500种，指示植物160种，此外还有固沙防污、固氮植物。
上述农用植物又可分为野生植物和栽培植物二大类。据不完全统计，中国栽培植物有600余种(世界栽培植物约有12000余种)，其中约有一半起源于中国或已在中国种植2000年以上。
1.2 中国农用植物的遗传资源变异丰富我国不仅作物种类多，并且每种作物的品种和类型多。如稻的本国地方品种就有近50000个。这些品种不仅包括籼和粳两个亚种，并且每个亚种都有水稻、陆稻，米质粘和糯，米色白和紫，栽种期有早、中、晚季又各有早、中、晚熟品种。在谷粒形态和大小、颖毛和颖色、穗颈长短、植株高度等形态特征上也是多种多样的。
中国的各种作物都有抗病、抗逆、早熟、丰产或优质的品种。中国是禾谷类作物籽粒糯性基因的起源中心：不仅稻、粟、黍、高粱等古老作物都有糯性品种，就连引入中国仅500年的玉米也产生了糯性品种—蜡质种(粘玉米)，它起源于中国云南。中国是禾谷类作物矮秆基因的起源地之一：小麦的矮秆基因Rht3(大拇指矮)和Rht10(矮变1号)起源于中国；在国际稻(IR系统)选育中起了重要作用的水稻半矮秆基因Sd1(低脚乌尖、矮子粘、广场矮等)也原产于中国。中国是植物雄性不育基因的产地之一：海南岛普通野生稻(Oryza rafipogon)的细胞质雄性不育基因被成功地应用于杂交稻的选育，现我国杂交稻的种植面积占水稻面积的一半左右，增产显著。小麦的核不育基因Ta1，应用于轮回选择，育成了一批小麦优异种质。中国还是一些植物广交配基因的产地，带有kr1、kr2基因的小麦品种“中国春”早已成为世界各国小麦远缘杂交中不可缺少的亲本。总之，中国栽培植物遗传资源变异十分丰富，其中很多有待深入研究和进一步发掘。
Ⅱ.栽培植物的多样性日趋减少
随着近代科学的发展，在十八世纪爆发了人类历史上一次大的科技产业革命，人们的生产能力实现了神活般的质变，即从消极地依靠大自然恩惠转向积极地向大自然索取。农业朝着集约化的方向前进，从而导致人们利用作物的种类逐渐减少，进而作物的品种逐渐单一化，品种的遗传基础越来越窄，而栽培植物对无法预料的环境变化或新出现的病害和寄生物的敏感性增加而失去抗性。
2.1农业生产上种植的作物日益减少地球上大约有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。但是尽管人类已驯化了1200种栽培植物，可只有150种是大面积栽培的；据阿贝尔·萨松分析，目前29种占了我们食物量的90%：7种谷物(水稻、小麦、玉米、高粱、大麦、谷子和小黑麦)提供了热量的52%；3种块茎植物(木薯、马铃薯和甘薯)，8种豆类植物(落花生、碗豆、鹰嘴豆、大豆、香豆、菜豆、豇豆和木豆)，7种油料作物，2种产糖作物(甘蔗和甜菜)，2种热带作物(香蕉、可可)提供了热量的38%。
中国种植的农作物主要集中在粮食作物，而粮食作物的种植又主要集中到水稻、小麦、玉米三大作物上。据1996年统计，农作物的播种面积为1.5亿公顷，粮食作物的播种面积为1.1亿公顷，约占75%，而粮食作物中水稻0.3亿公顷，小麦0.3亿公顷，玉米0.25亿公顷，分占粮播面积的27%、27%、22%，三大作物总共占到76%，而总产4.9亿吨，三大作物为4.3亿吨，占88%。
2.2作物的品种单一、遗传基础狭窄二战以后由于农业集约化经营和良种推广，大量作物的地方品种从生产上淘汰下来。从1945到1986年，希腊淘汰了95%的本地小麦品种；70年代初，法国只有12个苹果品种，而100年前却有2000个。以水稻、小麦和玉米三大粮食作物为例，40年代中国种植水稻品种46000余个，现在只种植1000余个，其中面积较大的(10万亩以上，1991)仅322个，并且大都是育成品种和杂交种，几乎不再种植原来的老品种。小麦40年代全国种植13000余个品种，其中地方品种占81%，选育品种占14.9%，引进品种占4.1%；到七十年代，生产上应用的小麦品种只有1000个左右，而且选育品种占91%，引进品种占4%，而地方品种只有5%；而九十年代总共只种500-600个，其中面积较大的仅331个品种。玉米40年代全国种植10300余个品种，现在大面积种植的仅152个品种，且杂交种占总面积的85%。
目前农业生产上应用的品种不仅数量关系少，而且遗传基础变窄，仍以中国种植的水稻、小麦、玉米为例：目前生产上种植的水稻有50%是杂交水稻，而这些杂交水稻的不育系绝大部分是“野败型”，而恢复系大部分为从国际水稻所引进的IR系统；小麦生产也有类似，全国推广的小麦品种大约一半有南大2419、阿夫、阿勃、欧柔四个品种或其派生品种的血统，而其抗病源乃是以携带黑麦血统的洛夫林系统占主导地位；玉米据不完全统计，占全国种植面积一半左右的杂交种有“Mo17”、“黄早4”这两个自交系或其改良自交系参与。其它作物和其它国家的情况也类似。
据报道，由美国科学院授权的研究指出，美国国内种植的品种绝大多数遗传多样性结构更加脆弱：2个品种就占了冬小麦播种面积的40%；大豆栽培则限于6个品种；9个落花生品种的产量占总产量的95%。
栽培植物种类较少，作物品种单一和遗传基础狭窄 已数次使人类蒙受灾难或造成巨大损失。1846年造成大约50万爱尔兰人死亡以及200万幸存者移居美国的饥荒，就是由于栽培的马铃薯品种突然遭受晚疫病侵害，从而使其产量减少一半所至；1970年，美国南部种植玉米的土地有一半以上被玉米大斑病所推毁，使美国玉米的收成损失了15%，而农民损失10亿多美元；前苏联，在几个连续暖冬，使冬小麦的一个品种在1972年超出其适宜生长区，达1500万公顷，然而就是这一年冬天，酷寒造成上千万吨冬小麦损失。中国小麦生产上，也曾因60年代“碧玛1号”推广数千万亩，在1964年突遇锈病大发生而损失惨重，1990年再次由于小麦锈病大流行，带有洛夫林血统的小麦失去抗病性而损失26.5亿公斤。
很显然，遗传多样性正是植物抵抗不良气候和防御毁灭性病虫的安全因素。栽培植物在遗传上越具有均一性，越容易遭受突如其来的干旱、病毒或寄生菌(虫)的侵袭，与此相反，某一作物的遗传多样性丰富或品种遗传基础宽广才是农业丰产稳收的保障。
Ⅲ.中国农用野生植物资源在遭受破坏
建国以来特别是中国改革开放以后，在国家有关部门重视和支持下，广大科技人员在“广泛收集、妥善保存、全面评价、深入研究、积极创新、充分利用”的方针指导下，在农用植物遗传资源多样性保护方面做了大量工作，取得了举世瞩目的成就。到目前为止，中国已有31.8万份农用植物遗传资源经繁种、编目、鉴定已安全存入国家作物种质库并复份保存；另有3.7万份多年生和无性繁殖的农用植物资源保存在32个国家种质圃(含两个试管苗库)内；收集、编目份数之多仅次于美国(41万份)和前苏联(37万份)，而我国长期贮存的份数居世界第一位。这里需要说明的是美国保存的资源80%来自国外，前苏联50-60%来自国外，而中国保存的资源只有19%来自国外，因此中国是一个名符其实的农用植物资源多样性丰富的古国、大国和富国。
但是，我们也应清醒地看到，目前中国已收集保存的35.5万余份的农用遗传植物资源，去掉选育品种和国外材料后只有25万份左右，约占中国全部农用植物遗传资源总量的62.5%，即还有约15万份资源亟待原位或收集保存。另一方面伴随现代工业、交通和城市建设的发展以及环境污染、滥伐森林、超限采摘、盲目开垦等因素，日益加重了遗传资源的破坏和衰退，特别是野生近缘植物资源受到更大威胁。据有关部门估计，中国受威胁的动植物资源占整个区系成分的15-20%，其程度高于世界平均10-15%的水平，尤其令人不安的是一些农作物野生近缘植物和珍稀物种急剧减少。例如：云南在1968年考察时发现的26个普通野生稻分布点，而1980年左右只有景洪、元江两个分布点，现在这两个点在当地千方百计保护下，也只有少量的几丛普通野生稻；1979年考察的广西贵县麻柳塘的普通野生稻复盖面积达419.4亩，目前已基本不见了，广西武宣县濠江及支流大溶沟两岸长70华里都分布着普通野生稻，有的地方达200余亩，现已大部分消失了；世界上普通野生稻最北分布的江西东乡野生稻在1978年发现时有7-8处，目前除围起来的两小部分外均已消失。山东省垦利县黄河入海口附近，原有数万亩野生大豆，每年农民自发采集种子达数千公斤以上，目前只有零星分布。还有一些地区的桑、茶、果树和药用植物也遭乱砍滥伐，如用作关节炎药物的霉公藤在中国福建、浙江几乎被砍光，目前它在江西也正在遭到“劫难”。更有甚者，一些不法商人，不顾一切的掠取名贵药材、花卉牟取暴利。
Ⅳ.大力保护和利用农用植物的多样性
农业可持续发展只能建立在农用植物遗传资源多样性保护和利用的基础之上，因为只有最大限度地保护其多样性，大力开发新的农用植物和未被充分利用的栽培植物种类，使农业生产优良品种多样化，并努力拓宽优良品种的遗传基础，才能使农业实现可持续发展。
4.1努力开发新的栽培植物农用植物多样性使人类利用的食物种类增加成为可能。地球上大约5万左右可利用的植物种，人类在各个时期利用的才有6%(3000种)，而人工驯化成作物的只有2.4%(1200种)，其中大面积栽培的仅有0.3%(150种)。因此开发新的食用植物、药用植物或工业原料植物尚有相当大的潜力，许多热带和干旱、半干旱地区植物品种的营养价值，以及它们在改良现有栽培植物农艺性状中的应用，都是应大力研究的。
本世纪以来，人们已经成功地进行了这方面的尝识。中华猕猴桃是起源于中国的野生果树，1906年新西兰人从中国武昌带回一些野生资源，经过多年的研究，培育出果大味美的栽培品种，目前栽培面积超过30万亩，每年创汇3亿美元，成为新西兰创汇支柱产业，并被誉为“国果”；我国目前在野生果树方面还大有潜力可挖，仅野生状态下的猕猴桃全国蕴藏量在15万吨以上，野生葡萄也有数万吨。希蒙得木(jojobo,Simmondsia chinensis)是黄杨科的一种常绿灌木，在适宜条件下可长到5米，但在干旱地区降水量有100-300毫米的沙漠地区也能结果，只是长的矮小，其坚果中的油可用于润发或处理皮革制品，由于发现其可代替珍贵的抹香鲸油，而被人大力开发利用；美国于70年代开始建立第一批种植园，到1990年可年产油13万吨。油棕是本世纪开始被人在种植园内栽培，在60年代它占世界食用油总量的2%，而80年代则上升为17%，从而成为世界上消费最广的食用油之一，仅次于豆油，其发展之快，令人震惊，当然除了油棕巨大经济价值外，应主要归功于组织培养技术的应用，使其选育、繁殖速率极大提高的结果；我国目前在北回归线以南已开始大量种植油棕。周总理在1964年从阿尔巴尼亚引进的油橄榄，目前已在许多适宜地区种植，其产量已达到地中海产区水平；橄榄油是唯一用鲜果冷榨而成的植物油，由于在营养和医疗保健方面有诸多功能，故被西方营养学家誉为“人类健康之友”，“植物油的皇后”；目前世界橄榄油仅占食用油的3%，其价格是一般食用油的4-8倍，极有开发价值和利用前景。
4.2充分发挥未被充分利用作物的潜力人类的生存依赖于栽培植物的多样性。尽管通常说只有少数几十种主要作物提供了大部分的食物来源，但是人类不能仅仅依靠这少数作物。农业方面的研究过去也集中在几种主要作物上，对小宗作物(或未被充分利用的作物)未给予充分的重视。与主要作物不同，很多被忽视的物种适合在条件差的地区种植，如山区、干旱地区、盐碱地区等等，往往在较大范围(如全球、全洲)被忽视地作物却是某一国家或某一地区的主要食用作物(如芋头，安弟斯块茎作物，青藏高原的青裸等)或在某个特定时间为人们食物的保障供给做出了贡献(如当地的一些果树)。未被充分利用农用植物目前已开始引起一些国际组织和农业科研人员的注意，IPGRI(原IBPGR)在1991年曾召开“东亚地区未被充分利用的作物遗传资源研讨会”，1993年11月IPGRI又开始了为期3年的题为“具有发展潜力的未被充分利用的作物遗传资源的保存、利用和育种现状”的项目，1995年11月在津巴布韦的哈拉雷召开了Vigna subterranea的保存和利用国际研讨会，目的是调查这一未被利用作物的开发潜力。上述活动的结果，提出了8个大类25个种的名单，其中13个入选种被广泛看作是未被充分利用的植物，这是由过去20年不同出版物所证明的。我国目前也开始重视某些小作物的开发利用，如荞麦，由于生长期短，经常被用做救灾作物，而另一方面由于人类对健康的要求越来越高，因此在燕麦、荞麦等作物的药用价值被发现后，很快受到人们的重视。
4.3拓宽栽培品种的遗传基础大多数农作物是一万年来从野生种栽培驯化而来的，在漫长的驯化过程中，人类强大的选择压力使农用植物的多样性发生急剧变化。特别是二战以来单纯追求产量，使作物品种单一化，推广品种遗传基础十分狭窄的问题更加突出。贾继增等用分子检测的方法证明了现代选育品种的遗传多样性最差、地方品种较好，野生种(含野生近缘植物)遗传多样性最丰富。他们用RFLP标记在14个普通小麦品种(系)各条染色体上的472个位点进行遗传多样性检测，其中283个位点有多态性，其中小麦稀有种硬粒小麦与粗山羊草杂交后染色体加倍育成的Synthetic特有等位变异175个，含小麦稀有种血统的品种有特有等位变异27个，地方品种有特有等位变异12个，而10个品种间杂交育成的品种只有0-7个，对这10个品种间杂交育成的品种进行21条染色体上等位变异的遗传距离测定，发现其相似系数达80%，现代品种遗传基础如此狭窄，说明利用野生种和地方品种扩大其遗传基础、增加遗传多样性是十分必要的。
野生种质(含野生近缘植物)和地方品种具有丰富的遗传多样性，并带有许多重要经济性状的优异基因，但由于这些优异基因常常与不良基因连锁，加上野生种鉴定困难，杂交不易，使育种家不愿意直接利用这些种质资源。本世纪80年代以来，由于生物技术的突破，为野生种质和地方品种的利用展现了更好的前景。目前已用分了标记的方法鉴定出许多抗病、抗逆基因，特别可喜的是Feldman利用分子标记研究指出，用小麦栽培品种与野生二粒小麦杂交，再用小麦推广品种回交，可选育出比推广品种产量高19%的品系，而Xiao等(1997)在低产野生稻中发现了两个QTL位点，可使杂交稻的产量在现有基础上再提高17%，且这个位点不与任何负效应基因连锁。我国收集编目的野生种质和地方品种达25万之多，另外还有15万份左右的野生种质和地方品种有待收集。可以说，分子技术成熟之时，就是这些资源发挥巨大潜力之日，这也是农业可持续发展的基础所在。
Biological Diversity of Agricultural Crops and SustainableDevelopment of Agricultural Production in China
Liu Xu Dong Yuchen
(Institute of crop germplasm Resources, CAAS,Beijing 100081)
Abstract: Biological diversity of crop germplasm resources is the base for survive and sustainable development of human society. Therefore, conservation of these diversity is the key strategy for sustainable development. In China, there are about 10000 agricultural crop plants, with rich genetic diversity. Until now 3.55 X 105 accessions of crop germplasms have been collecte and conserved in the National Gene Bank. However, there are 1.5x 105 accessions tobe collected for either in situ or en situ conservation. 600 different crop plants have been cultivated in China. Population growth, extension of high yield varieties and utilization of chemical fertilizer and pesticide have made the biological diversity of crops sharply declined. This has led disappears of some cropsand serious narrowness of genetic background of varieties. Consequently, crops are loosing their capacity for tolerance to the biotic and abitic stress. Seriousagricultural losses have occurred for several times. Therefore, developing national strategies for the conservation of biological diversity of agricultural crop plants, exploitation and utilization of new crops, enrichment of genetic basesof crop varieties and sustainable use of biological resources are the crucial steps for the sustainable development of agriculture.
Key words:Agricultural crop plant, Diversity, Conservation, Utilization, Sustainable development