1基因资源.doc

第一章 森林基因资源的收集、保存和利用第一节、基因资源的概念和作用 森林基因资源（forest genetic resource）是决定森林树种的“种性”，并将其遗传信息从亲代传递给后代的遗传物质总体。这一术语广泛应用于植物改良方面。小到能提供个别遗传特性的遗传物质，如一个器官、枝条、种子，甚至一粒花粉、受精卵、一个细胞及一些染色体或氨基酸片断，大到一个遗传原种的综合体，都可以称为基因资源。基因资源是植物改良的物质基础。基因资源用于育种方面的那一部分称为育种材料或育种资源。 世界上有丰富的基因资源，据统计，野生植物有30万种以上，我国木本植物约8000余种，其中乔木约2500余种,灌木树种6000种，乔木树种中优良用材和特用经济林树种达1000余种，还有引种成功的国外优良树种约100种，这是开展育种工作的深厚物质基础。但目前我们利用的植物种类只有约3000余种，其中中草药就占了很大一部分，栽培作物只有175种，其中16种，提供了人类食物的2/3。有一半以上没有研究过，有许多在人类还没有认识前就灭绝了。 基因资源是人类的宝贵财富，也是选育优良品种的物质基础，无论常规育种，还是诱变育种乃至遗传工程，都离不开基因资源。基因资源越丰富，就越能满足育种目标的要求，选育出所期望的品种。同时，基因资源不仅用于当前的育种，而且要为将来培养更高质量的新品种服务。 要使育种工作取得成效，不仅要有明确的育种目标，适当的育种措施和方法，还必须拥有丰富的育种资源。育种的过程是使群体或个体遗传基础变窄的过程，例如在林木集约经营优化选育过程中，往往把注意力集中在少数经济性状上，从而使群体或个体遗传基础变窄。为选育优良品种，必须具备丰富的育种资源，如果没有丰富的育种资源作后盾，不断引进补充新的基因资源，多世代育种会受到限制。 随着经济的发展，工艺过程的改革，对林木新品种的要求也会发生改变，目前主要要求速生丰产，将来可能生物量积累成为主要育种目标。只重视当前所需性状，对有潜在利用价值的资源滥砍滥伐，任其毁灭，育种工作将会面临“无米之炊”。 第二节、基因资源的流失及原因 基因资源的流失，虽然不是从现在开始的，但由于近代工农业的飞速发展，使这个问题更加尖锐。当前正以空前的规模和惊人的速度损害着植物群体。按80年代估计，地球上每年大约有2000万公顷森林被砍伐，世界热带森林40被砍掉，剩下的部分正以每分钟20公顷的速度被砍伐。 在热带地区的15万种植物中，到本世纪末至少有1/3的物种将处于濒临灭绝的险境。巴西是世界上植物种类最多的国家之一，仅高等植物就有4万多种，按照当前森林砍伐的速度，30年后，这里的森林将会全部消失。 现在全球有10的植物处于危机之中，英国植物学家预言，如果不采取预防性措施，到2050年，现在已知的25万中植物将有22.5万种将灭绝。据研究，每消灭一种植物，就有1030种依附于这种植物的动物消失。美国世界观察研究所估计，到2000年，人类造成的动植物将达到10万种以至100万种，大约每小时将消灭一种生物。 我国基因资源流失也很严重，我国热带雨林面积占国土面积的0.5。如海南岛是我国的两大热带地区，植物种类有257科，乔灌木有1400种，占全国的28.6。但遭到人为破坏，从20年代的8.64万公顷，森林覆被率25.7，到现在仅为7，森林破坏导致80多种野生动物失去栖息场所。另一个热带地区西双版纳，有高等植物近4000种，由于开荒和垦殖，原始林覆盖率由50年代的60降到27。 基因资源流失的原因1、自然因素 由于大自然出现的激烈变化如陆地的隆起或下沉，火山爆发、洪水、森林火灾等，往往会使一些植物物种消失，我们现在只能从化石中去了解它们。例如冰川时期，有许多植物经受不住严酷的气候而死去，幸存下来的称 遗植物，如银杏、水杉、银杉等，北美的巨杉、落羽杉等。 大兴安岭大火烧掉我国原始森林的2。2、生物因素 由于动物、微生物及植物间的相互竞争，导致大量的物种资源流失。3、人为因素 （1） 掠夺式资源开发使基因资源丧失 （2） 引种引起资源流失 引种中总是首先考虑生产上迫切需要的性状，而忽视了其它，特别是在引种过程中，引入了病虫害，对新地区植物产生毁灭性危害。 （3） 品种改良带来基因资源贫乏 随着育种学的发展，树木的一些良种栽培面积不断扩大，从而使大量的老种和地方种正逐渐被淘汰。在农业上，基因资源缺乏突出，我国在解放以来，在原有作物资源基础上，采用纯系，经济杂交，曾带来一次又一次的遗传改良，获得不小的增益，但资源大量流失，。在后来作物育种中发现，改良效果逐渐减低，分析其原因，就是原有的基因资源筛选利用已接近最高点，越选越精，遗传基础也越来越窄。 全世界75的农作物品种已经绝迹。美国72的土豆只来源于4个品种，加拿大4个小麦品种产量就占农作物总产量的75。 长期使用少数几个无性系，会使遗传多样性大幅度减少，一旦遭到新的毁灭性的灾害，便要付出难以估量的代价。 （4）、经济发展使基因资源丧失 工业交通事业的发展也直接或间接影响物种资源的流失。如城市扩大、开矿山、修铁路、公路、建水库等，加速植物资源的消减。工业污染使许多动植物死亡。如酸雨等。商业活动，使许多稀有珍贵植物灭绝。如现在很难找到成片的野山参。第三节、基因资源的调查和收集一、基因资源的类别与特点1、栽培学分类（1） 种 又称为物种，是生物进化的产物，是分类的基本单位。种通常是指进化系统上的等级，是进化过程上的一定阶段。种是一群极为相似的，来自一个共同的祖先，并有一定的地理分布范围的生物个体所组成。同种生物个体在形态特征、生理特性等方面与其它种有明显的区别，特别是在生殖上，不同的种群在自然状态下，一般是隔离的。（2） 类型 种内发生在形态上（生理上、包括生态与物候）或地理上的变异称为类型。如形态型、地理型、物候型等。（3） 品系 在遗传学上，品系一般是指通过自交或近交若干代后，所获得的遗传性状比较稳定一致的群体。在育种学上，品系是指遗传性状比较稳定一致而起源于共同祖先的群体，在实际应用中，往往将某个表现较好的类型后代称之为品系。（4） 品种 是经过人工选育的，优良性状经过人工选育所证实，属遗传性的控制，适应一定的自然和栽培条件，遗传性状比较稳定一致，在产量和品质上符合人类要求的栽培植物群体。（5） 家系 凡是单株树木自由授粉产生的子代，或由两株树木经控制授粉产生的子代，统称为家系。其中，前者称为半同胞家系，后者称为全同胞家系。（6） 无性系 由同一株树木经无性繁殖所获得的一群个体，称为一个无性系。用来繁殖无性系的母株称为无性系原株，组成无性系的个体称为无性系分株。2、综合分类（1）本地基因资源 在当地自然条件下，经长期培育和选择得到的优良树种、品种或类型。特点：对当地生态条件有较强的适应性，经济性状基本符合要求，可直接应用于生产；群体结构较复杂，经简单选择就能迅速有效的选出优良类型。 本地资源很可贵，可直接利用也可改良加以利用。（2）外地基因资源 指从国外或外地引入的树种、品种或类型。特点： 由于来自不同生态条件，具有广泛的多样性，是创造新品种的丰富源泉；如从生态条件相似的地区引入的资源，有时只稍加选育，就能立刻在生产上应用。可作为杂交育种的亲本。（3）野生基因资源 自然界野生的，未经人们栽培的树种。野生资源很多，蕴藏着大量对人们有利的性状，具有高度的适应性和抗逆性，是非常宝贵的基因资源。（4）人工创造的基因资源 通过杂交、诱变等方法获得的基因资源。人工创造的资源，需要通过培育、选择、鉴定，才能在生产上应用。二、基因资源的调查 基因资源的调查是一项非常艰巨复杂细致的工作，涉及范围广，要有组织、有领导，分工合作，共同努力才能完成。 调查的主要内容：1、地区情况调查。包括社会和自然条件两个方面。地形、地貌、气候、土壤、植被等。2、树木概况调查。包括分布、种类、栽培历史、繁殖方法、栽培管理特点。3、树种、品种（变种）、类型代表株调查。包括一般情况、生物学特性、形态特征、生态性状、经济性状等。4、图表、标本制作和采集5、调查资源的整理与总结。三、基因资源的收集 根据收集的目的和要求，确定收集的对象和类别及数量。收集时应特别注意以下几个问题：1、收集乡土、珍贵、稀有树种和濒危树种；2、收集同树种的栽培种和野生种。3、收集和探索一些高产、抗病虫、抗逆性强的特殊类型。4、收集不同生态环境中的基因资源。5、收集古寺庙、公园、古典园林和房前屋后有价值的古树。 最常用的收集方法是育种单位组织各种调查队进行收集，也可通过林业科研机关、林业院校、种子站、国营林场、苗圃等单位协助收集。在我国目前条件下，可考虑结合优树选择、地理种源试验的采样和优良林分的建立等进行。 收集的材料要进行详细登记。 收集的材料原则上可以是传递基因物种的任何器官，如种子、枝条、花粉、组培苗等。但种子是最普遍最重要的收集材料。因为它体积小，一粒种子就是一个基因型，能提供丰富的遗传变异，同时能较好地反映原始群体的遗传组成。第四节、基因资源的保存 基因资源的保存从本世纪70年代兴起，得到了世界各国广泛关注。目前森林资源的保存已成为当代全球关切的问题，是当代三大主题有关的内容（战争与和平、经济与发展、环境与保护），也是近年来各国政府首脑和国际会议讨论的热点。1974年联合国组织了森林基因资源保护专家组，编写了森林基因资源保存方法学，确定了5个基本阶段：（1）发掘；（2）收集；（3）估价；（4）保存；（5）利用。 我国也逐渐重视，但从认识、体制、具体技术方法上还存在问题。 收集到的基因资源必须妥善保存，保存的方法有以下几种：一、原境保存 原境保存(in situ conservation)是指在原来的环境或生境中对保存的对象进行保存。如种源保存可采用这种方式。在做过种源试验后，发现某一优良种源有重大经济价值，这时可划定种源区进行保存。原境保存保存下来的不仅是原种群的基因及基因型频率，而且包括动植物区系都保存下来了，整个生态系统都保存下来。保存群体与原始群体都在同一生态环境中生长，没有新环境选择压的淘汰，这时保存群体与原始群体没有区别，在无突变、迁移和选择干扰下，它们接近遗传平衡群体，即在世代相传中，基因频率和基因型频率基本保持不变（p2+2pq+q2=1),所以这种保存又称为静态保存，就象不曾发生过保存处理那样。 原境保存林分或个体的树木和面积以多大合适？一般人为，要使保存的林分维持一个相对稳定的生态系统，并对原生态系统具有代表性，应维持1001000公顷的面积，具体大小应视生态区和群体结构的复杂性来定。如果保存的对象不是林分而是异交的散生树木，则需要至少25000个个体，才能维持群体的相对杂合性。二、异境保存 异境保存(ex situ conservation)是指在区别与原始群体生态环境下的某一地点，将要进行保存的来自不同生态区的单株上采集的种子或枝条，营造集中成片的人工林，以实现基因保存。由于环境发生了变化，这种保存必然受到新环境选择压的作用，在选择压的作用下，经过一段时间，一部分个体保存下来，一部分死去，因此留下的保存林分在基因和基因型频率上，与原先的相比会有很大差异。 根据保存目的不同，异境保存又可进一步分为四种类型。1、保持原始群体基因型频率的静态保存（简称基因型静态保存） 基因型静态保存是指保存期间，保存的基因型及其频率不发生改变，保存前后都一样。这种保存条件最苛刻，这种保存方式在实际中难于做到。2、保持原始群体基因频率的静态保存（简称基因库静态保存） 基因库静态保存是指保存期间，保存的各种基因及其频率不发生改变，保存前后都一样。基因库静态保存在在原境下是容易办到的，但在异境情况下，维持原始群体基因频率不变的静态保存，实际上是做不到的。3、进化保存 进化保存是适应性保存。多样性的个体，在新的环境影响下，物竞天择，适者生存，在遗传、变异和自然选择作用下，林分朝着适应的一方进化，最后保存下来的是与风土气候相适应的产物进化保存的群体。 进化保存属于动态保存，是林木基因资源保存的重要方式。进化保存的例子很多，如全分布区种源试验、种源地理变异、引种试验、多树种适地适树适品种选择等试验。4、选择保存 选择保存是指保存的对象是由人来确定的，保存中和保存后仍不断进行选择。这种保存服务于人的既定目的，是为育种、经营或利用服务的一种保存方式。其主要目的是保存有重要经济价值的基因或基因型免于丢失或灭绝。个体入选的原则一般都是按照育种目标或经营目标的选优标准来衡量。如速生、材质优良、抗性强优树。 选择保存是当前林木种质资源保存中的主要形式。因为人们害怕基因丢失和灭绝的首先是那些优良基因，因此有必要首先对优树加以保存。此外选择部分基因进行保存具有省钱、省事效率高的特点。但选择保存的幅度较窄，只考虑今天认识到的重要性状，对将来的需求，无法预料和满足。所以从保险的目的来衡量，还是全面保存为好，但这又涉及到更多的人力、财力和土地花费等。 对与分布广泛的平原阔叶散生树种，如无集中林分，轮伐期短，栽培地点世代变化很大的杨、柳、榆、槐、泡桐等树种，走选择保存的路，可能是比较现实的。可通过采条繁殖进行基因型保存，建园采种进行基因库保存，有性与无性同时并举。 选择保存也属于进化保存的范畴，只不过进化的方向不同。进化保存是朝自然选择的方向进化，其主宰作用是自然，选择保存是朝人工选择的方向进化，其主宰作用是人。两者都是在动态条件下边进化，边生长，边适应，边进化。都属于动态保存。三、离体保存(in vitro conservation) 利用种子、根、茎和花粉等的贮藏来保存种质资源，近年来采用低温密封保存种子和花粉的做法已很普遍。1、种子贮藏 利用种子贮藏是当前保存基因资源最容易最经济的方法。绝大多数的植物种子，可通过降低贮藏期间的温度和水分来延长它们的存活期。通过种子库保存种子。 据研究，影响种子安全贮藏的主要因素是种子本身的含水量、贮藏的适宜温度和相对湿度。1972年哈林顿对植物种子含水量与贮藏条件之间的关系提出两条规律：在含水量514的范围内，种子含水量每增加1，则种子寿命减半；而温度在050oC范围内，种子温度每升高5 oC，种子寿命减半。一般说，种子安全贮藏的理想条件是：空气相对湿度约15，温度-20 oC或更低；空气中含氧少，含二氧化碳多，容器要密封，贮藏室保持黑暗。 研究表明，在贮藏期间，如果种子发芽率不低于90，则极长期贮藏的种子可应用700年，长期贮藏的种子可应用150年。实际上，树木种子一般3050年即可更换一代种子。2、花粉贮藏 花粉体积小，贮藏花粉显然要比贮藏种子或营养体要省事。但目前花粉贮藏方法还存在一些问题，在实际应用中受到限制。3、营养体贮藏 如要保存一个特定的遗传型，就必须进行营养体储藏，对插穗或接穗进行贮藏，国外把这一技术称为“营养系库”或“无性系库”贮藏树木穗条的常用温度是-2至2 oC，根据贮藏的时间、植物休眠状态、和贮藏库的结构而定。 营养体贮藏尚未达到实际应用阶段，现在已有关于落叶松。针叶树枝条成功地贮藏几个月、一年、两年的报道。近年来对超低温贮藏植