种质库

卢新雄

“世界末日”这个词近来很时髦，天文学家不断探讨小行星撞击地球的可能，电影导演们则争相拍摄有关末日危机的电影。对于世界末日，最为人们所熟知的记载，大概就是《圣经》中诺亚方舟的故事了。尽管我们不知世界末日是否会来临，也不知这一天何时来临，但科学家们也在为“世界末日”做着准备，他们将各种植物的“种子”收集储存起来，并把相关设施比喻为植物界的诺亚方舟。

据报道，为避免自然灾害、战争或毁灭性灾难等导致植物灭绝，确保植物多样性以及人类食物的来源，挪威政府与有关机构联合在挪威靠近北极的偏远岛屿斯瓦尔巴群岛建造了一座“末日粮仓”种质库。这座种质库于当地时间2月26号举行了落成典礼。在此之前，已经陆续有种子样品运抵那里，截止到开幕式这天，已经有来自100多个国家的约27万份种子、超过1亿枚种子经过编目、加条形码之后入库保存。什么是种质和种质库，种质库什么样，我国是否也有种质库，它的基本情况又是怎样的呢?

农作物种质资源是植物种质资源最主要的组成部分，国际上大多种质库是以保存农作物种质资源为主的。这里主要介绍的是农作物种质库及种质资源的情况。

种质、种质资源、种质库

“种质”是指亲代传给子代的遗传物质，即基因。种质载体形式不仅包括种子，还包括植株、根、茎、胚芽、细胞、原生质体等等，甚至是DNA片段。携带各种种质的材料总和被称为“种质资源”，也可以叫做“遗传资源”。因种质是携带基因的载体，所以种质资源又称基因资源。由于早期收集的种质资源大多是品种，因此在我国，种质资源常常被俗称为“品种资源”。我国常把植物种质资源划分为农作物、林木、药用植物种质资源等。

农作物种质资源通常包括农家品种、育成品种(品系)、特殊遗传材料(包括细胞、DNA)，以及野生近缘种的居群等。大多数农作物种质资源的种质载体是种子。保存种质资源的低温冷库及其辅助实验设施就被称为种质库。通俗地讲，种质库就是一个大的基因库，是为子孙后代留下一个取之不尽、用之不完的活的生物资源宝库。

一粒种子改变世界

种质资源是在漫长的历史过程中，由自然演化和人工创造而形成的一种重要的自然资源，它积累了由于自然和人工引起的、极其丰富的遗传变异信息，即蕴藏着各种性状的遗传基因，是人类用于选育新品种和发展农业生产的物质基础，也是进行生物科学研究的重要材料。它不仅为人类社会提供食物、纤维等生存所需的基本物质，还为高产、抗病、节水、环保等优质新品种的选育提供丰富多彩的亲本遗传材料。作物育种成效的大小，很大程度上决定于掌握种质资源的数量和对其性状表现及遗传规律的研究深浅，品种培育的突破性进展，往往都是由于找到了具有关键性基因的种质资源。小麦、水稻等矮秆基因的发现和第一次“绿色革命”的实现，以及水稻“野败”型资源的发现和我国在水稻杂种优势利用上获得的举世瞩目的成就，都充分说明了这一点。

世界育种史上也不乏这样的例子。20世纪，小麦矮秆基因Rht1、Rht2的发现和利用，使墨西哥由一个传统的小麦进口国一跃而成为小麦出口国；水稻半矮秆基因Sd1的发现并由此育成一系列IR系列水稻品种，使菲律宾、印尼、印度等几个亚洲国家由稻米进口国变为自给有余或出口国；我国人豆抗孢囊线虫病、抗根腐病和耐湿基因在美国大豆抗病育种中的成功利用，被认为是“挽救了美国的大豆生产”。

这些事例都充分说明“一个基因或一粒种子可以改变世界”、“一个优异种质可以改变一个国家的贫穷面貌”。

另一方面，近年来，对种质资源新基因的发掘及产权保护的竞争日趋激烈。一般来说，种质资源虽有主权，但没有知识产权，而从种质资源中对某个基因进行标记或克隆可获得专利权或知识产权。孟山都公司从上海野生大豆中发掘出高产QTL，并将与此相关的64项内容在101个国家申请了专利保护，以此制约他国。又如美国某公司利用其技术优势，“掠夺”原产于印度的香米基因资源并抢注“基因知识产权”。这些事件的发生，都充分表明了种质资源的极端重要性，对种质资源的占有和有效保护利用可以说是一个国家国力的象征。

种质危机

在过去的一年，我们听到最多的是关于全球气候变暖，很多研究也表明，气候变化会对全球包括我国的农业生产产生很大影响，不少现有品种极可能不再适应变化的气候条件，最终结果是导致农作物的减产或一些品种的消亡。此外，大气臭氧层变薄也会造成农作物减产。

在此背景下，有专家提出，虽然人类不太可能阻止未来二三十年内出现的气候变化，但是在一定程度上减少气候变化对人类社会和经济的冲击是可能的，手段之一就是培育“更具气候适应力的农作物”。而这需要从现有的种质资源中着手。据国际水稻所的报告，用100多个水稻品种试验发现，在臭氧层变薄后，不同品种受到的影响程度不同。现有水稻品种资源有10多万份，如果可以选出对臭氧层变薄不敏感的品种用做育种亲本，就可以应对环境改变这一不利影响。

不过，自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，作物种质资源的多样性正不断遭到破坏或丧失，而且数量巨大。像美国，在过去100年间，玉米、西红柿、苹果的种植品种丧失程度分别达到91％、81％、86％。这意味着那些长期通过自然选择和人工选择而形成的某些重要的基因资源也随之消失。

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。我们知道，近亲结婚会加大后代患遗传疾病的风险，使人口质量下降，作物也是一样。随着少数遗传上有关联的优良品种的人面积推广，作物基因资源变得单、狭窄，一旦发生灾难，所产生的严重后果是病虫害的大面积暴发，进而危及人类的生存。最著名例子是19世纪40年代马铃薯晚疫病的流行成为爱尔兰“大饥荒”的生物致因。这一诱因大约造成50万爱尔兰人饿死，200万人为了生存，远离故土，移居美国。近代的例子则是1970年，一种危害叶片的病菌突变体引起玉米小斑病，给美国农民造成数亿美元的损失。

在我国，作物种质资源多样性的破坏和丧失也异常严重。1949年，全国有1万个小麦品种(主要是农家种)在种植使用，到上世纪70年代仅有1000个品种在使用。不少报道也指出，目前我国种植的玉米、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。据估计，农作物栽培品种正以每年15％的速度递减，这对我国农业产生的负面效应将不可估量。调查显示，我国分布的普通野生稻、药用野生稻和疣粒野生稻的栖息地和种群数量，大约分别减少了70％、50％、30％；原黄河入海口附近有近万亩的野生大豆，因开发油田现仅零星可见；湖北巴东、秭归一带丰富的砂梨资源随三峡大坝的截留而被淹没。

同处在一个生态系统中，生物的命运与我们息息相关。一旦作物不能适应外界环境的变化，人类同时也就失去了选择的权利和抵抗的能力。整个人类的生存将会受到直接的威胁。所以有专家表示，人类的命运取决于人类理解和发掘作物种质资源的能力。

但如果我们没有对各种作物的资源品种进行收集保存，则其就可能永远消失。

保存“火种”

农作物种质资源保存途径有原生境保护(原地保护)和非原生境保护(异地保护)两种。

原生境保护指在其原生存环境中保护物种的群体及其所处的，丰态系统。方式包括自然保护区、原生境保护区(点)和农家保护区(点)等。非原生境保护指把生物体从原生存环境转移到具有不同条件的设施中保存，包括低温种质库、试管苗种质库、超低温种质库和种质圃(植物园)等方式。

目前世界上已建成了1400多座种质库(圃)，保存了700多万份(含重复)作物种质资源，其中约有90％的资源是以种子方式保存在低温种质库中的，可以说种质库是种质资源最主要的保护途径。

需要说明的是，种质库(genebank，也称基因库、种子银行)与贮藏良种或粮食的种子库有很大区别。种质库是指专门用于种质资源保存的设施，包括低温种质库、试管苗种质库和超低温种质库，一般情况下指低温种质库。其保存对象是丰富多彩的遗传多样性资源，保存目的是提供当代和后代人所利用。所采取的技术措施(包括入库初始的高活力、适宜干燥处理和密封包装，贮藏条件的低温低湿等)是为了尽可能延长种子寿命，避免频繁种质更新以维持种质遗传的完整性，且每份资源保存数量是有限的，仅几千粒。因低温种质库多以种子方式保存农作物及其野生近缘植物种质资源，因而常被误称为种子库。

我国的种质家底

我国是世界上最古老的农业国之一，具有丰富的栽培和野生植物资源，被认为是栽培植物遗传多样性中心之一。据初步统计，我国重要栽培作物有600多种，其中粮食作物30多种，经济作物约90种，蔬菜120余种，花卉140余种，果树约150种，牧草约50种，绿肥约20种。在现有作物中起源于我国或史前就已栽培的有300余种。据不完全统计，目前我国农作物种质资源拥有总量近60万份，居世界前列。

在有关部门的支持下，我国已初步建立了以国家作物种质库为核心的农作物种质资源保护体系，包括国家种质库长期库、复份库各1座，中期库国家级10座、省级29座，种质圃30个，试管苗库2个，原生境保护区(点)106个。

国家种质库长期库和复份库分别位于北京市中国农科院和西宁市青海农科院。

国家中期库建在中国农业科学院有关作物专业研究所。

国家种质圃分别建在中国农业科学院有关作物专业研究所和有关省级农科院。目前已建立30个国家种质圃，几乎涵盖了所有农作物和经济作物。至2006年底，32个种质圃保存种质资源达4.5万余份，隶属1058个物种(含亚种)。

国家试管苗库包括甘薯(江苏徐州)、马铃薯(黑龙江克山)两种作物。两库保存的试管苗种质资源近2000份。

另有86个原生境保护点(区)收集保护的野生近缘植物物种约2500个，主要涉及野生稻、野生大豆、小麦野生近缘植物、野生莲、野生苹果、柑橘、苦丁茶、猕猴桃等野生近缘植物。

在这一保存体系中，国家长期库负责全国作物种质资源的长期保存，贮存的资源作为国家战略资源，一般不对外供种，只有当种质材料在中期库或供种单位无法找到时，才可动用长期库保存的种质。国家复份库负责国家长期种质库贮存种质的备份安全保存。各作物的国家中期库的任务是负责某一种或某一类作物种质资源的中期保存，并负责所保存作物种质资源的收集、鉴定、研究、编目、繁殖更新和提供利用。种质圃及试管苗库负责无性繁殖作物及多年生作物种质的保存、特性鉴定、繁殖和分发。此外，由国家种质信息中心(依托中国农科院作物科学所)负责贮存种质的信息收集与管理。

种质库有多安全

有了种质库，我们是不是就能高枕无忧了呢?答案是否定的。因为它们还要面临各种不确定因素的威胁。例如战争便摧毁掉伊拉克及阿富汗的种子银行，菲律宾的一家种子银行也因为2006年台风引发的洪水而遭到毁坏。

文章开头提到的挪威种质库便充分考虑了诸多不利因素的影响，希望给予种质库最周全的保护。该库建于山体内部，从外面只能看到种质库的大门。整个种质库由坚固的混凝土高墙和钢铁大门建成，内部装有传感警报系统，即使受到核弹头或高强度地震袭击也安然无恙。据悉，之所以将“末日粮仓”种质库建在斯瓦尔巴群岛上，是因为这里远离战乱，而且具备得天独厚的自然条件。岛上的永久冻土层以及厚厚的岩石层，将保证即使在断电或制冷设备出现故障的情况下，种质库里仍能保证0℃以下的温度。此外，由于种质库建在山体里，即使出现极端的气候变化，也不太容易对库中的种子产生影响。

之所以在种质库的设计和建设中将安全性放在首位，是由于种质资源的战略地位决定的。比如，种质库应选择建在作物物种多样性较为丰富的非地震频发地区，能够避开山体滑坡、洪水及风害等。在防震上，除在建筑设计上有防震措施外，聚胺脂保温冷库、种子架的设计也应考虑防震措施，以免种子架倒塌造成盛放种子的铝箔袋破裂而导致各品种种子相互混杂。

另外，环保因素也是种质库建设前需要特别注意的要件之一。比如，对于淘汰和废弃的种子，要防止可能造成的病虫害传播。对于建设离体库和DNA库，更要在设计时考虑环保和安全性的问题，对某些有害的微生物和基因工程材料更需重点考虑安全性问题。

目前，对于一些突发事件，各库一般采用备份保存加以防控。像我国青海的国家复份库就是基于上述因素建立的。该库于1982年建成并投入使用，保存容量40万份，2006年国家又投资扩建至可保存60万份的保存容量。

需要说明的是，虽然低温库的贮藏条件可以大大延长种子的寿命，但种子的生活力仍会缓慢下降直至消失。还有报道称，因种子生活力的下降，有可能诱导种子发生遗传变化，从而改变了亲本材料的遗传特征。此外，贮藏过程中的种子生活力监测及提供应用，也会导致库存种子数目减少。因此必要时候，需对种质库中的种质进行繁殖更新并重新入库保存，进而使宝贵的种质资源代代相传。

责任编辑赵菲