作物种质资源保存现状与展望

　中国农业科技导报　2001　第3卷(3) 　Review of China Agricultural Science and Technology

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作物种质资源保存现状与展望

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)

提要　本文简述了国内外作物种质资源保存现状与发展趋势。指出完善作物种质资源保存的国家体系及法规建设, 保障种质库(圃) 的运转经费和加强安全保存技术研究, 是确保我国作物种质资源得以安全保存和充分利用的关键。关键词　作物　种质保存　展望

于该植物原生态生长地以外的地方, 如建设低温种质库的种子体保存; 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。作为生物多样性保护的重要组成部分, 作物种质资源保存已成为当前全世界关注的热点。

保存(co nser vatio n) 这一术语的广泛定义被描述为“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) 和种质库(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的生物学特性。原生境保存(in situ conserv ation ) 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

1　国外发展现状及趋势

作物种质资源是人类繁衍、生存和发展最根本的物质基础和战略资源。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。美国在过去100年间, 玉米、西红柿、苹果的种植品种丧失与更新程度分别达到91%、81%、86%; 韩国在1985～1993年　(转下页)

(接上页)

High -oil Corn Breeding and Development Prospect in China

Song To ng ming

(China Agr icultur al Un iversity 　Beijing 　100094)

Abstract 　Hig h o il corn is the gr eat contribution o f mo dern science to the co rn breeding. It com bines hig h

yield po tential with the g ood quality , w hich is in accor dance w ith the directio n o f cur rent readjustment o f the co rn structur e and also w ith the g eneral tendency of the w or ld corn developm ent . Judging fr om its technolog -ical content, the g reat genetic added v alue and the w ide applicatio n, it could be o ne of the major cultural type of 21st century.

To develop mor e high oil corn germ plasms with w ide genetic diver sity is the prerequisite for the success of high o il corn breeding. During last decade, China cr eated not only its o w n hig h oil cor n germ plasms but also developed a series of other high oil co rn basic populations w hich were intro duced from abroad leg ally. Now , China has conserved mo st of available high oil corn germ plasms , and in average , the oil lev el is the hig hest in the wo rld .

According w ith the m ar ket demand and the technical requirements o f the end pr oducts, the three hig h o il co rn developmental directions are:the ecolog ical protective ty pe w ith suitable oil co ntent and g ood grain yield ; nor mal co rn converted in to high oil type through some genetic procedur es and the very special type for the industrail pro cessing purpose.

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中国农业科技导报　　Review of China Agricultural Science and Technology

则提供土地及研究办公用房。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。该体系的主要成员有(完全由联邦政府拨款) :4个地区引种站, 负责引进和收集资源的评价鉴定、中期保存和分发; 10个特定作物种质收集站或遗传材料收集站, 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; 国家种子贮藏实验室, 负责全美国作物种质资源的的长期保存; 9个国家无性繁殖作物种质圃, 负责无性繁殖作物的保存; 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; 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; 国家植物种质检疫中心, 负责引进种质资源的检疫。印度在1976年成立了国家植物遗传资源局(Natio nal Bureau of Plant

[9]

Genetic Resources, 缩写NBPGR) , 在其牵头下, 有近30个来自以作物为研究对象的研究机构和国立农业大学, 组成了印度植物遗传资源体系。每单位被指定负责某一作物的中期保存、评价和分发, 并必须将收集品繁殖后送到NBPGR 的长期库保存。NBPGR 除负责协调全国植物遗传资源工作外, 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、国家生物技术中心、图书馆和9个地区试验站等。建立全国性体系, 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。

1. 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。在国际农业研究磋商小组18个农业研究中心中, 有10个参与农作物遗传改良并保存着60万份种质。实践证明, 这些中心作物改良项目的成功是以遗传资源收集保存为基础。国际水稻所培育IR 36是这些成功例子之一, 1982年IR 36在亚洲地区种植面积达到1100万hm 2, 成为历史上全世界种植最广泛的水稻品种。而IR36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1份具有抗草丛矮缩病的野生稻材料(Oryza nivara ) , 是从5000份种质库存材料和1000份育种品系中筛选发现的[10]。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间, 一些农场种植品种丧失或替代达到74%; 此外, 许多国家种植的地方特有作物和品种也正在被外来

作物和新品种替代或丧失, 结果是农作物种植基因源多样性的减少和一致性的增强, 所产生的严重后果是容易导致病虫等自然灾害的暴发而造成农业损失。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, 原因是当时美国70%种植玉米都使用了一个胞质雄性不育系配制的杂交种子, 而该杂交种都高度感染了玉米小斑病[8]。为此, 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, 主要体现在以下五个方面。

1. 1　重视保存设施的建设和资源的收集保存

据报道, 在20世纪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, 保存了610万份种质资源(含部分重复) , 其中在低温种质库贮存种质达550万份, 田间种质库52. 7万份, 试管苗种质库3. 7万份[7]。77个国家具有中长期贮存能力的国家种质库, 库中贮存数量较多国家分别是:美国28万份, 俄罗斯17. 8万份, 日本14. 6万份, 印度14. 4万份。1958年建成的美国国家种质库是世界上第一座现代化种质库, 1992年美国政府拨款1000万美元对其进行扩建, 扩建后长期贮存能力增至100万份, 配备了当今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, 在农业“种子战”竞争中处于有利地位。1. 2　建立国家作物种质保存利用体系

1970年发生的玉米小斑病的严重危害, 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, 随后不久美国就建立起国家植物种质体系(Na-[14]

tio nal Plant Germ plasm System , 缩写NPGS ) 。该体系运作协调单位是美国农业部农业研究服务局(U SDA-ARS) 。政府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[7, 10, 15]

作物种质资源保存现状与展望

进种质资源利用和管理的重要途径。

1. 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, 制定了完整的植物遗传资源国家计划或体系, 国家计划(或体系) 的宗旨是:

¹通过保护和利用粮食和农业植物遗传资源, 维持可持续农业, 稳定粮食生产, 保护生物多样性, 以促进国家发展;

º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[7]。泰国在1999年制订了《作物种质资源管理条例》, 印度和非律宾也正在制订包括奖励植物资源提供者内容的立法。许多国家都制订了植物种质资源进出口归口管理政策, 明确规定种质引进和输出须进行审批和隔离检疫, 送一复份材料到国家长期库贮存。此外, 不少国家或非政府组织正致力于通过各种途径以提高公众种质资源保护意识。

1. 5　重视种质安全保存技术研究

随着种质贮存时间的延长和数量的剧增, 种质保存的安全性已越来越受到高度重视。有报道指出, 种质在低温库贮藏并不是万事大吉, 一些种质贮藏不到15年, 其发芽率就下降至10%以下。还有报道称, 原贮存样品更新后, 多达50%的原种质样品已丧失[11]。因此, 在强调种质复份保存基础上, 种质库安全保存技术(包括无破坏种子的生活力监测技术、生活力丧失预警技术、遗传完整性检测技术和繁殖更新技术等) , 无性繁殖作物的原位保存和超低温长期保存技术已成为当今种质安全保存的研究热点[1, 6]。

[12, 13]

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国家种质库1号库原址, 重新建设国家种质库中期保存设施, 与中国农科院专业所的7座特定作物中期库及分布在全国各地的15座地方中期库, 加上32个无性繁殖作物、野生作物种质圃, 初步形成了我国作物种质资源中长期保存与分发体系。国家库长期库贮存资源已达33万余份(见表1) , 隶属35科、192属、712种, 贮存数量居世界各种质库首位。32个种质圃保存共保存4. 5万份种质, 含有1026个物种(含亚种) 。

表1　国家种质库贮存的作物种质资源

T able 1　T he cro p ger mplasm r eso urces stor ed in t he

N ational Genebank o f China

作物

Crop 水稻Rice

小麦及小麦近缘

Wh eat and r elative plants

大麦Barley 燕麦Oat 荞麦Buck w heat

玉米Corn 高粱Sorgh um 粟米M illet 黍稷Pros o millet 大豆S oyb ean 食用豆Food leg ume 麻类Fibre Crop 牧草Herbage 蔬菜Vegetable 油菜Rape 芝麻Sesame 蓖麻Castor -oil plant

花生Pean ut 红花Safflower 苏子Perillaseed 向日葵Sun flower 烟草T obacco 棉花Cotton 西瓜Watermelon 甜瓜M uskm elon 绿肥Green manure

甜菜Beet 其他Others 合计Total

份数Acces sions [***********][***********][***********][***********][***********][***********]312431459　333, 505

物种数

Am ount of Species

[***********][***********]17118

712*(去除重复)

2　我国作物种质资源保存现状

与国外情况遭遇相同, 我国作物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[2]。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。为此, 近20多年来, 抢救和妥善保存作物遗传资源一直得到党和政府的高度重视, 并取得令人瞩目的成就。

2. 1　初步建成了种质保存体系

在1984年建成了我国自行设计的国家种质库1号库以后, 又相继在1986年和1992年建成了国家长[3, 4]

[5]

　　*Note:T he total amount of species does not include the repeated

amount of different crops

2. 2　贮存资源正在发挥重要作用

国家库(圃) 贮存的资源不仅种类丰富, 而且这些

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其中国内地方品种资源占60%, 稀有、珍贵和野生近缘种质占10%; 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(因保存设施及监控设备落后、虫吃破损等原因致使部分资源丧失了生活力) ; 以国家种质库贮存资源为依托, 开发其遗传潜力的国家重大科学工程也已启动。此外, 每年有上千人次的中外学者及大中小学生来这里参观学习, 是植物遗传资源多样性保护的重要宣传和教学基地。

2. 3　国家计划项目和立法政策的支持

从“七五”开始, 作物种质资源收集保存一直被列入国家科技攻关项目。1999年国家又把作物种质资源保存列入基础性工作项目给予支持。2000年12月1日起实施的新《种子法》中, 也专门为种质资源保护立法, 这充分体现了党和政府已从战略高度来重视和支持作物种质资源保存工作, 其意义重大和深远。2. 4　种质保存技术研究取得重要进展

通过国家的科技攻关, 国家库已建立一套先进种子入库前处理和管理技术, 解决了各种作物种质的安全干燥技术。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, 填补国内外空白, 并为这些资源的入库提供了技术保证。提出了低温库贮存种质的生活力监测方案, 确保了国家库30万份贮存种质的长期安全保存。在寻找节能保存技术方面, 我国在此领域的相关研究论文已发表在《Nature 》刊物上

[16]

3　展望与对策

3. 1　妥善解决种质库(圃) 的运转经费

收集入库(圃) 的资源是我国宝贵的物质财富, 但

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。为此, 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。需要强调的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, 以及必要的保存技术研究费用等。种质保存是一项系统性的基础工作, 那一环节出了差错都有可能导致种质资源得而复失的危险。3. 2　完善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。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, 减少不必要的保存设施重复建设。另一方面, 有必要在全国范围内, 按不同气候生态类型区域建立若干个品种资源综合试验站。试验站既负责作物种质资源的中期保存和分发, 又负责新引进、新搜集种质的评价鉴定和繁种, 以及优异种质和贮存材料的更新。在此基础上, 完善种质保存和利用的国家体系建设, 从而使各种各样优异资源得以充分利用。

3. 3　加快种质资源的立法管理

我国在种质资源立法和政策研究方面, 仍很薄弱。应尽快制订《种质资源管理条例》, 新《种子法》第二章第九条规定“国家有计划地收集、整理、鉴定、登记、保存、交流和利用种质资源, 定期公布可供利用的种质资源。具体办法由国务院农业、林业主管部门规定”, 制定该条例, 将使我国种质资源保护和利用进入有秩、规范和法制化的管理轨道, 为品种选育提供更多可供利用的优异资源, 同时又能保证具有战略性资源不流失国外。此外, 有必要制定相关法规, 要求引进资源和国家育种单位的亲本材料都应送一复份到国家库保存。同时应鼓励有关单位自愿把资源材料送到国家库保存, 因这是资源安全保存的重要原则。3. 4　加强种质安全保存技术和方法的研究

种质入库(圃) 保存只能说暂时避免了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, 处于

国际领先水平。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于甘薯和马铃薯试管苗保存, 超低温长期保存技术研究正在开展之中。2. 5　建成了中国作物种质资源信息系统

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37万份种质信息, 是世界上最大的植物遗传资源信息系统之一, 包括国家种质库和青海国家复份库管理和动态监测、32个国家种质圃、中期库管理和种子繁种分发、农作物种质特性评价鉴定、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个子系统的120万条记录。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, 拓宽优异资源使用范围, 培育新品种提供了新的手段, 为作物遗传多样性的保护

作物种质资源保存现状与展望

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, 同时应加强超低温保存技术研究, 从而建立起原生境保存、异生境保存及离体保存的立体安全保存战略。

3. 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, 种质信息利用效率较低。因此, 应在近期内与全国各地的作物种质资源保存和使用部门一起, 建立全国性的种质信息网络系统, 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。

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Current Status and Prospect of Crop Germplasm Resources for

Ex Situ Conservation

Lu Xinx iong 　Cao Yongsheng

(Institute of Crop Germ plasm Resources , CAAS 　Bejing 　100081)

Abstract 　T his paper gives a brief introduction to the current status and developmental trend of crop germ plasm resour ces w o rldw ide for ex situ conservatio n. It is pointed out that certain co nsiderations need to be given priority, because they are important and urg ent to ensure safe co nser vation and use of germ plasm in China, first, to establish a China National Co nser vatio n System to o rganize and coor dinate the activities for the germplasm conservatio n . The second consider ation is to draw up the r ules and reg ulations for germplasm management. A third consider ation is to prov ide funds for running of genebanks. The fourth co nsideration is to streng then research on co nserv ation technolog y.

Key words 　Crop germ plasm r esources 　Ex situ conservatio n 　Pro spect