種質庫

盧新雄

“世界末日”這個詞近來很時髦，天文學家不斷探討小行星撞擊地球的可能，電影導演們則爭相拍攝有關末日危機的電影。對于世界末日，最為人們所熟知的記載，大概就是《圣經》中諾亞方舟的故事了。盡管我們不知世界末日是否會來臨，也不知這一天何時來臨，但科學家們也在為“世界末日”做著準備，他們將各種植物的“種子”收集儲存起來，并把相關設施比喻為植物界的諾亞方舟。

據報道，為避免自然災害、戰爭或毀滅性災難等導致植物滅絕，確保植物多樣性以及人類食物的來源，挪威政府與有關機構聯合在挪威靠近北極的偏遠島嶼斯瓦爾巴群島建造了一座“末日糧倉”種質庫。這座種質庫于當地時間2月26號舉行了落成典禮。在此之前，已經陸續有種子樣品運抵那里，截止到開幕式這天，已經有來自100多個國家的約27萬份種子、超過1億枚種子經過編目、加條形碼之后入庫保存。什么是種質和種質庫，種質庫什么樣，我國是否也有種質庫，它的基本情況又是怎樣的呢?

農作物種質資源是植物種質資源最主要的組成部分，國際上大多種質庫是以保存農作物種質資源為主的。這里主要介紹的是農作物種質庫及種質資源的情況。

種質、種質資源、種質庫

“種質”是指親代傳給子代的遺傳物質，即基因。種質載體形式不僅包括種子，還包括植株、根、莖、胚芽、細胞、原生質體等等，甚至是DNA片段。攜帶各種種質的材料總和被稱為“種質資源”，也可以叫做“遺傳資源”。因種質是攜帶基因的載體，所以種質資源又稱基因資源。由于早期收集的種質資源大多是品種，因此在我國，種質資源常常被俗稱為“品種資源”。我國常把植物種質資源劃分為農作物、林木、藥用植物種質資源等。

農作物種質資源通常包括農家品種、育成品種(品系)、特殊遺傳材料(包括細胞、DNA)，以及野生近緣種的居群等。大多數農作物種質資源的種質載體是種子。保存種質資源的低溫冷庫及其輔助實驗設施就被稱為種質庫。通俗地講，種質庫就是一個大的基因庫，是為子孫后代留下一個取之不盡、用之不完的活的生物資源寶庫。

一粒種子改變世界

種質資源是在漫長的歷史過程中，由自然演化和人工創造而形成的一種重要的自然資源，它積累了由于自然和人工引起的、極其豐富的遺傳變異信息，即蘊藏著各種性狀的遺傳基因，是人類用于選育新品種和發展農業生產的物質基礎，也是進行生物科學研究的重要材料。它不僅為人類社會提供食物、纖維等生存所需的基本物質，還為高產、抗病、節水、環保等優質新品種的選育提供豐富多彩的親本遺傳材料。作物育種成效的大小，很大程度上決定于掌握種質資源的數量和對其性狀表現及遺傳規律的研究深淺，品種培育的突破性進展，往往都是由于找到了具有關鍵性基因的種質資源。小麥、水稻等矮稈基因的發現和第一次“綠色革命”的實現，以及水稻“野敗”型資源的發現和我國在水稻雜種優勢利用上獲得的舉世矚目的成就，都充分說明了這一點。

世界育種史上也不乏這樣的例子。20世紀，小麥矮稈基因Rht1、Rht2的發現和利用，使墨西哥由一個傳統的小麥進口國一躍而成為小麥出口國；水稻半矮稈基因Sd1的發現并由此育成一系列IR系列水稻品種，使菲律賓、印尼、印度等幾個亞洲國家由稻米進口國變為自給有余或出口國；我國人豆抗孢囊線蟲病、抗根腐病和耐濕基因在美國大豆抗病育種中的成功利用，被認為是“挽救了美國的大豆生產”。

這些事例都充分說明“一個基因或一粒種子可以改變世界”、“一個優異種質可以改變一個國家的貧窮面貌”。

另一方面，近年來，對種質資源新基因的發掘及產權保護的競爭日趨激烈。一般來說，種質資源雖有主權，但沒有知識產權，而從種質資源中對某個基因進行標記或克隆可獲得專利權或知識產權。孟山都公司從上海野生大豆中發掘出高產QTL，并將與此相關的64項內容在101個國家申請了專利保護，以此制約他國。又如美國某公司利用其技術優勢，“掠奪”原產于印度的香米基因資源并搶注“基因知識產權”。這些事件的發生，都充分表明了種質資源的極端重要性，對種質資源的占有和有效保護利用可以說是一個國家國力的象征。

種質危機

在過去的一年，我們聽到最多的是關于全球氣候變暖，很多研究也表明，氣候變化會對全球包括我國的農業生產產生很大影響，不少現有品種極可能不再適應變化的氣候條件，最終結果是導致農作物的減產或一些品種的消亡。此外，大氣臭氧層變薄也會造成農作物減產。

在此背景下，有專家提出，雖然人類不太可能阻止未來二三十年內出現的氣候變化，但是在一定程度上減少氣候變化對人類社會和經濟的沖擊是可能的，手段之一就是培育“更具氣候適應力的農作物”。而這需要從現有的種質資源中著手。據國際水稻所的報告，用100多個水稻品種試驗發現，在臭氧層變薄后，不同品種受到的影響程度不同。現有水稻品種資源有10多萬份，如果可以選出對臭氧層變薄不敏感的品種用做育種親本，就可以應對環境改變這一不利影響。

不過，自20世紀以來，隨著新品種大量推廣、人口增長、環境變化、濫伐森林和耕地沙漠化，以及經濟建設等方面的原因，作物種質資源的多樣性正不斷遭到破壞或喪失，而且數量巨大。像美國，在過去100年間，玉米、西紅柿、蘋果的種植品種喪失程度分別達到91％、81％、86％。這意味著那些長期通過自然選擇和人工選擇而形成的某些重要的基因資源也隨之消失。

此外，許多國家種植的地方特有作物和品種也正在被外來作物和新品種替代或喪失，結果是農作物種植基因源多樣性的減少和一致性的增強。我們知道，近親結婚會加大后代患遺傳疾病的風險，使人口質量下降，作物也是一樣。隨著少數遺傳上有關聯的優良品種的人面積推廣，作物基因資源變得單、狹窄，一旦發生災難，所產生的嚴重后果是病蟲害的大面積暴發，進而危及人類的生存。最著名例子是19世紀40年代馬鈴薯晚疫病的流行成為愛爾蘭“大饑荒”的生物致因。這一誘因大約造成50萬愛爾蘭人餓死，200萬人為了生存，遠離故土，移居美國。近代的例子則是1970年，一種危害葉片的病菌突變體引起玉米小斑病，給美國農民造成數億美元的損失。

在我國，作物種質資源多樣性的破壞和喪失也異常嚴重。1949年，全國有1萬個小麥品種(主要是農家種)在種植使用，到上世紀70年代僅有1000個品種在使用。不少報道也指出，目前我國種植的玉米、甜菜、水稻等作物雜交種的遺傳基礎日趨狹

窄，存在著遺傳上的脆弱性和突發毀滅性病害的隱患。據估計，農作物栽培品種正以每年15％的速度遞減，這對我國農業產生的負面效應將不可估量。調查顯示，我國分布的普通野生稻、藥用野生稻和疣粒野生稻的棲息地和種群數量，大約分別減少了70％、50％、30％；原黃河入海口附近有近萬畝的野生大豆，因開發油田現僅零星可見；湖北巴東、秭歸一帶豐富的砂梨資源隨三峽大壩的截留而被淹沒。

同處在一個生態系統中，生物的命運與我們息息相關。一旦作物不能適應外界環境的變化，人類同時也就失去了選擇的權利和抵抗的能力。整個人類的生存將會受到直接的威脅。所以有專家表示，人類的命運取決于人類理解和發掘作物種質資源的能力。

但如果我們沒有對各種作物的資源品種進行收集保存，則其就可能永遠消失。

保存“火種”

農作物種質資源保存途徑有原生境保護(原地保護)和非原生境保護(異地保護)兩種。

原生境保護指在其原生存環境中保護物種的群體及其所處的，豐態系統。方式包括自然保護區、原生境保護區(點)和農家保護區(點)等。非原生境保護指把生物體從原生存環境轉移到具有不同條件的設施中保存，包括低溫種質庫、試管苗種質庫、超低溫種質庫和種質圃(植物園)等方式。

目前世界上已建成了1400多座種質庫(圃)，保存了700多萬份(含重復)作物種質資源，其中約有90％的資源是以種子方式保存在低溫種質庫中的，可以說種質庫是種質資源最主要的保護途徑。

需要說明的是，種質庫(genebank，也稱基因庫、種子銀行)與貯藏良種或糧食的種子庫有很大區別。種質庫是指專門用于種質資源保存的設施，包括低溫種質庫、試管苗種質庫和超低溫種質庫，一般情況下指低溫種質庫。其保存對象是豐富多彩的遺傳多樣性資源，保存目的是提供當代和后代人所利用。所采取的技術措施(包括入庫初始的高活力、適宜干燥處理和密封包裝，貯藏條件的低溫低濕等)是為了盡可能延長種子壽命，避免頻繁種質更新以維持種質遺傳的完整性，且每份資源保存數量是有限的，僅幾千粒。因低溫種質庫多以種子方式保存農作物及其野生近緣植物種質資源，因而常被誤稱為種子庫。

我國的種質家底

我國是世界上最古老的農業國之一，具有豐富的栽培和野生植物資源，被認為是栽培植物遺傳多樣性中心之一。據初步統計，我國重要栽培作物有600多種，其中糧食作物30多種，經濟作物約90種，蔬菜120余種，花卉140余種，果樹約150種，牧草約50種，綠肥約20種。在現有作物中起源于我國或史前就已栽培的有300余種。據不完全統計，目前我國農作物種質資源擁有總量近60萬份，居世界前列。

在有關部門的支持下，我國已初步建立了以國家作物種質庫為核心的農作物種質資源保護體系，包括國家種質庫長期庫、復份庫各1座，中期庫國家級10座、省級29座，種質圃30個，試管苗庫2個，原生境保護區(點)106個。

國家種質庫長期庫和復份庫分別位于北京市中國農科院和西寧市青海農科院。

國家中期庫建在中國農業科學院有關作物專業研究所。

國家種質圃分別建在中國農業科學院有關作物專業研究所和有關省級農科院。目前已建立30個國家種質圃，幾乎涵蓋了所有農作物和經濟作物。至2006年底，32個種質圃保存種質資源達4.5萬余份，隸屬1058個物種(含亞種)。

國家試管苗庫包括甘薯(江蘇徐州)、馬鈴薯(黑龍江克山)兩種作物。兩庫保存的試管苗種質資源近2000份。

另有86個原生境保護點(區)收集保護的野生近緣植物物種約2500個，主要涉及野生稻、野生大豆、小麥野生近緣植物、野生蓮、野生蘋果、柑橘、苦丁茶、獼猴桃等野生近緣植物。

在這一保存體系中，國家長期庫負責全國作物種質資源的長期保存，貯存的資源作為國家戰略資源，一般不對外供種，只有當種質材料在中期庫或供種單位無法找到時，才可動用長期庫保存的種質。國家復份庫負責國家長期種質庫貯存種質的備份安全保存。各作物的國家中期庫的任務是負責某一種或某一類作物種質資源的中期保存，并負責所保存作物種質資源的收集、鑒定、研究、編目、繁殖更新和提供利用。種質圃及試管苗庫負責無性繁殖作物及多年生作物種質的保存、特性鑒定、繁殖和分發。此外，由國家種質信息中心(依托中國農科院作物科學所)負責貯存種質的信息收集與管理。

種質庫有多安全

有了種質庫，我們是不是就能高枕無憂了呢?答案是否定的。因為它們還要面臨各種不確定因素的威脅。例如戰爭便摧毀掉伊拉克及阿富汗的種子銀行，菲律賓的一家種子銀行也因為2006年臺風引發的洪水而遭到毀壞。

文章開頭提到的挪威種質庫便充分考慮了諸多不利因素的影響，希望給予種質庫最周全的保護。該庫建于山體內部，從外面只能看到種質庫的大門。整個種質庫由堅固的混凝土高墻和鋼鐵大門建成，內部裝有傳感警報系統，即使受到核彈頭或高強度地震襲擊也安然無恙。據悉，之所以將“末日糧倉”種質庫建在斯瓦爾巴群島上，是因為這里遠離戰亂，而且具備得天獨厚的自然條件。島上的永久凍土層以及厚厚的巖石層，將保證即使在斷電或制冷設備出現故障的情況下，種質庫里仍能保證0℃以下的溫度。此外，由于種質庫建在山體里，即使出現極端的氣候變化，也不太容易對庫中的種子產生影響。

之所以在種質庫的設計和建設中將安全性放在首位，是由于種質資源的戰略地位決定的。比如，種質庫應選擇建在作物物種多樣性較為豐富的非地震頻發地區，能夠避開山體滑坡、洪水及風害等。在防震上，除在建筑設計上有防震措施外，聚胺脂保溫冷庫、種子架的設計也應考慮防震措施，以免種子架倒塌造成盛放種子的鋁箔袋破裂而導致各品種種子相互混雜。

另外，環保因素也是種質庫建設前需要特別注意的要件之一。比如，對于淘汰和廢棄的種子，要防止可能造成的病蟲害傳播。對于建設離體庫和DNA庫，更要在設計時考慮環保和安全性的問題，對某些有害的微生物和基因工程材料更需重點考慮安全性問題。

目前，對于一些突發事件，各庫一般采用備份保存加以防控。像我國青海的國家復份庫就是基于上述因素建立的。該庫于1982年建成并投入使用，保存容量40萬份，2006年國家又投資擴建至可保存60萬份的保存容量。

需要說明的是，雖然低溫庫的貯藏條件可以大大延長種子的壽命，但種子的生活力仍會緩慢下降直至消失。還有報道稱，因種子生活力的下降，有可能誘導種子發生遺傳變化，從而改變了親本材料的遺傳特征。此外，貯藏過程中的種子生活力監測及提供應用，也會導致庫存種子數目減少。因此必要時候，需對種質庫中的種質進行繁殖更新并重新入庫保存，進而使寶貴的種質資源代代相傳。

責任編輯趙菲