作物种质资源保存现状与展望.pdf

中国农业科技导报 2001 第 3 卷 3 Review of China Agricultural Science and Technology43 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 保存 conservation 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 conservation 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 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 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 Tongming China Agricultural University Beijing 100094 Abstract High oil corn is the great contribution of modern science to the corn breeding It combines high yield potential with the good quality which is in accordance with the direction of current readjustment of the corn structure and also with the general tendency of the world corn development Judging from its technolog ical content the great genetic added value and the wide application it could be one of the major cultural type of 21 st century To develop more high oil corn germ plasms with wide genetic diversity is the prerequisite for the success of high oil corn breeding During last decade China created not only its own high oil corn germ plasms but also developed a series of other high oil corn basic populations which were introduced from abroad legally Now China has conserved most of available high oil corn germ plasms and in average the oil level is the highest in the world According with the market demand and the technical requirements of the end products the three high oil corn developmental directions are the ecological protective type with suitable oil content and good grain yield normal corn converted in to high oil type through some genetic procedures and the very special type for the industrail processing purpose Key word High oil corn Value added Population improvement Industrialization 44中国农业科技导报 Review of China Agricultural Science and Technology 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 7 10 15 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 tional Plant Germplasm System 缩写 NPGS 14 该 体系运作协调单位是美国农业部农业研究服务局 USDA 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 服务 政府研究机构的经费由联邦政府拨款 而州政府 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 National Bureau of Plant Genetic Resources 缩写 NBPGR 9 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 IR36 是这些 成功例子之一 1982 年 IR36 在亚洲地区种植面积达 到 1100 万 hm2 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 组成 IPGRI也正在致力于发展核心收集品 它也是促 作物种质资源保存现状与展望45 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 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 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 12 13 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 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 5 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 3 4 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 期库和青海复份长期库 1999 年 在农业部批复下 在 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 Table 1 The crop germplasm resources stored in the National Genebank of China 作物 Crop 份数 Accessions 物种数 Amount of Species 水稻 Rice6783121 小麦及小麦近缘 Wheat and relative plants 40947134 大麦 Barley181321 燕麦 Oat32053 荞麦 Buck wheat25823 玉米Corn169391 高粱Sorghum168681 粟米 Millet271038 黍稷 Proso millet79651 大豆 Soybean307194 食用豆 Food leg ume2483016 麻类Fibre Crop43537 牧草 Herbage3295387 蔬菜 Vegetable30156115 油菜 Rape587513 芝麻 Sesame44621 蓖麻Castor oil plant18871 花生 Peanut607816 红花 Safflower23782 苏子 Perillaseed4711 向日葵 Sunflower25422 烟草T obacco279922 棉花 Cotton676819 西瓜 Watermelon9921 甜瓜 M uskmelon9621 绿肥 Green manure66371 甜菜Beet12431 其他 Others14598 合计 Total 333 505712 去除重复 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 种质的80 是从国内收集的 不少属于我国特有的 46中国农业科技导报 Review of China Agricultural Science and Technology 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 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 和持续利用提供了重要依据 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 标准和繁种方法等方面研究 才能确保种质资源的长 作物种质资源保存现状与展望47 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 参 考 文 献 1 卢新雄 低温库种质安全保存理论的研究进展 植物遗传资源科 学 2000 1 2 54 58 2 稻属核心种质和优异种质研讨会代表 关于进一步加强作物品种 资源研究的建议 作物品种资源 1994 增刊 1 2 3 曾三省 中国玉米杂交种的种质基础 中国农业科学 1990 23 4 1 9 4 张春来 我国甜菜杂交种的遗传基础 中国农业科学 1995 28 增 刊 81 89 5 钱曼懋 丁寿康等 我国小麦品种资源的利用和发展 作物品种资 源 1982 1 26 31 6 Clark R L Shands H L et al Germplasm regeneration develop ments in population genetics and their implications Crop Science 1997 37 1 1 6 7 FAO Report on the state of the worlds plants genetic resources International T echnical Conference on Plant genetic Resources Leipzig Germany FAO Rome Italy 1996 8 Washington D C National Research Council Managing Global Genetic Resources Agricultural Crop Issues and Policies National Academy Press 1993 9 Paroda R S and Arora R K Plant genetic resources conservation and management Concepts and approaches 1991 Regional Offi cer for South and Southeast Asia IBPGR New Delhi 10 Plucknett D L Smith N J H et al Gene Banks and the world s Food Princeton NewJersey USA Princeton U niversity Press 1987 11 Singh RB and Williams J T M aintenance and multiplication of plant genetic resources In Crop Genetic Resources Conserva tion and Evaluation Allen and U nwin L td 1984 120 130 12 Specht C E Keller E R J Freytag U et al Survey of seed ger minability after long term storage in the Gatersleben genebank Plant Genetic Newsletter 1997 111 64 68 13 Specht C E Keller E R J et al Survey of seed germinability after long term storage in the Gatersleben genebank part 2 Plant Genetic Newsletter 1998 115 39 43 14 U SDA ARS Seeds for our future T he U S National