林木种质资源保存技术探讨

戴 薛 张家来

(湖北省林业科学研究院 武汉 430075)

林木种质资源即森林植物种质资源，作为林木种质资源载体的森林，负载着野生植物、野生动物和微生物的种质资源，是陆地生物(包括农作物、野生种及近缘种)基因的“避护所”和“主基因库”。森林植物物种及种质丢失，将引起邻舍生物种及种质以4～13倍的速率丢失，因此林木种质资源保护不仅事关森林生态系统的平衡与发展，而且直接影响到野生生物种质资源保护，是生物种质资源的基础型种质，关系到生态环境建设和国家可持续发展。

1 背景

近年来，生物种质资源保护与保存的研究方兴未艾，种质保存工作越来越受到重视。据不完全统计，世界农作物种质保存(品种资源保存)约340万份，木本植物种质已保存约55万份，近年来，保存种质份数越来越多。

1.1 种质资源与生物资源的区别

(1)生物多样性是以物种多样性、遗传多样性、生态系统多样性总和。种质资源是物种遗传多样性资源，特指种内可持续繁殖的遗传多样性集合体。生物资源是全部生物活体资源，广义生物资源包括全部植物、动物、微生物等生物资源，是生物总量资源(图1)。

(2)林业生物资源是全国约6.7亿hm2林地植物、动物、微生物的总量资源，约5 000亿株。如核桃一个树种的生物资源，全国约10亿株(包括栽培与野生)，而代表核桃的遗传多样性(样本)的种质资源可能只有2 000份。中国森林树种多样性中心及种质资源区域划分(见图2)。

图1生物资源与种质资源关系示意图

图2 物种生物资源与种质资源关系“三元”示意图

1.2 林木种质资源保存三种方式

(1)林木种质资源需要实施原地保存、异地保存和设施保存的优化配置。有人认为仅需保存自然保护区或实施原地保存，这一类认识脱离了林木种质资源保存额原则和目标，会导致林木种质资源的大量破坏或流失，不适合中国林木种质资源现状。

(2)将以往育种材料(收集圃、示范林等)都列入为林木种质资源，这类做法对林木种质界定认识不清，林木育种材料或繁殖材料是为目前利用服务的、“上位”的遗传改良材料，并不代表种内遗传多样性，只能作为“保留种质”；而种质资源是为可持续利用服务的，完整代表种内遗传多样性的种质活体集群。

(3)树木园或标本园、植物园都算为林木种质，这种认识不科学、容易导致大量种质资源的丢失。

1.3 农、林业种质资源面临的问题

(1)人工栽培为主的农作物种质资源，现有品种、亲本、近缘野生种数量庞大，面临保存、评价、鉴定和利用方面的困难。

(2)野生性很强的森林植物(林木)种质资源，物种多，树种分布面积广，生态系统复杂，杂合度高；热带雨林物种多度高，复层结构，交配机制不清；天然林、次生林、人工林散生、残次、濒危或渐危，面临保存什么、如何保存、遗传多样性界定等困难。

(3)种质资源评价、鉴定和利用，存在信息服务、共享机制等方面问题，如种质性状数据、信息卡片、种质编目等不规范，不标准；种质信息栏目、性状类目等标准化问题；信息网络系统技术急待开发，平台急需建设等。

1.4 林木种质资源界定及保存

(1)制定湖北省林木种质保护纲要。按照国家目标，制定湖北省分阶段发展计划与实施计划。

(2)明确界定林木种质资源，以便实施有效保存。林木种质资源保存，两种途径并重：全面启动保存“保留种质”及有效保存“核心种质”。

(3)在全面调查、勘察种质资源基础上，全省组成分类、分批、滚动、优化保存体系。

(4)建立林木种质数据登录与管理规范、逐步实现种质信息社会共享与服务，进入全省及国家科技基础条件平台。

2 林木种质资源的界定与保存方式

2.1 界定

林木种质资源是以物种为单元的遗传多样性资源，包括种内全部基因(组)与基因型(组群)及其频率载体的总和。林木种质资源保存种内地理生态空间上、集成群体/家系/个体/繁殖体的系统组合材料，以最少的遗传重复，最大限度地代表种内生态多样性与遗传多样性的活体样本。构建“核心种质”是林木种质保存的基本策略，即是以保存最少的种质份数，最少的遗传重复，达到最大限度地保存种内遗传多样性的目的(图3)。

2.2 范畴

广义上的林木种质包含三类：

核心种质(Core collection)，即物种遗传多样性及其生态多样性的样本种质。有效构建集成种内群体/家系/个体等成为种内遗传多样性样本体系，以最少的种质份数、最小的遗传重复、最大限度地保存种内遗传多样性的目的，其遗传多样性代表达到P≥95%(图4)。

A林木种质资源及保存示意图B群体大小与群体有效核心种质关系“四元”示意图

图3

图4 林木种质保存评价利用中的核心种质的内涵

图5 保留种质的组成与保存

保留种质(reservecollection)，即育种材料、品种以及非“核心种质”属性的种质，代表种内部分遗传多样性或内含特有基因与基因型，与核心种质之间保持遗传材料动态交流与调整(图5)。

陈列种质(display collection)，即属于广义范畴的种质，包括陈列的树木园、植物园等活体标本，由于陈列的样本大小，遗传背景不清楚，属于非定义种质，是抢救保存濒危珍稀物种的后备或补遗材料(图6)。

目前，被保存的林木种质资源主要包括核心种质与保留种质。保存方式综合使用原地保存、异地保存和设施(低温库等)保存三种形式。种质资源保存确保多世代种质繁衍过程中，尽量不丢失基因。完整的林木种质保存包括保存、评价和创新利用。

2.3 保存方式与地植物区系优化保存配置

根据对不同气候带的森林生态系统及物种的生物学、繁殖机制、林学特性、遗传背景等现状与认知程度，包括树种内群体(P)，群体内家系(F)及个体(G)，以及特定树种的群体有效大小(Ne)，确定适宜的保存方式(或组合)与保存策略(图7)。

图6陈列种质内容

图7 中国目前不同气候带森林生态系统对应3种保存方式配置的技术选择

(1)保存配置模式与样本策略

原地保存林(自然保护区等)，(目的树种)Ne，目的树种核心区、保存林大小(面积、株数)。此类保存方式，成本低，比较被动，难于测定评价和利用，或许不可靠。

异地保存林，多点选择(环境设计)Ne，配置设计，P/F/G。此类保存方式成本较高，易受遗传漂变与环境影响，比较积极可靠，易于测定评价和利用。

散生与零星林木聚群种质保存，(环境设计)Ne，配置设计，P/F/G。此类保存方式属创新性保护或提高遗传多样性保存，积极有效，易于测定评价和利用。

设施保存，(种子)Ne，样本及P/F/G组合种子量及损耗系数(Q)构建的样本量设计，保存条件设计。此类保存方式，成本高，积极，可靠，有利于测定评价和利用。

以上4种方式优化组合保存及倍份保存。

继代保存的理论、设计、技术。

(2)已经建立的保存与评价的相关技术

①保存林(圃)的图表管理技术。包括收集与保存的原始(本底)登记表、种质材料繁殖登记表、保存林(圃)底图(适用于原地保存、异地保存和设施保存)。

②保存林建立模式与营林技术要点。包括设计保存模式(11种)、原地保存林的营林技术限制、异地保存林营建和护理技术。

③种子等繁殖材料的设备保存技术。包括种子采集、检测、低温跟踪活力测定、超低温跟踪活力测定以及继代保存技术。

④保存林(区)观测技术。包括不同种质材料观测样本大小、观测性状与精度、观测表格规范、种质信息卡片登录及科技人员职责。

⑤表型多样性测定技术。按群体与个体两个层次进行测定，集中在生长、适应性、抗逆性、材质等性状方面进行了不同程度的研究。

⑥遗传多样性测定技术。主要采用同功酶标记、RAPD、RFLP等方法分子标记等。

⑦种质保存的数据库信息管理。1955年建成《国家林木遗传(种质)资源数据库》及信息管理系统，1998年研制完成数据库系统的第2版本，目前已起步研制林木种质资源信息平台技术。

3 保存技术选择

3.1 保存实施技术选择

(1)界定林木种质资源，保存“核心种质”与“保留种质”(图3，图4)，极少量已十分濒危的物种，用陈列种质作补充。

(2)综合运用原地保存、异地保存与设施保存三种方式，优化保存体系(图6)。努力促成湖北省林木种质资源低温保存库建设，研制原地保存林技术规范，巩固和提高异地保存林建设。

(3)加速研究和修订林木种质资源保存的技术标准，配套制定林木种质保存技术规范、林木种质资源数据集管理标准。建成林木种质资源完善的标准体系，提高种质源资源信息管理水平，适应湖北省自然资源科技平台建设要求。

3.2 省与地方林木种质资源保存分工与技术要求

(1)省保存特有、重要的广域分布及特殊价值树种种质资源，并与地方协作，优化实施配套保存技术体系。

(2)各县市区以本地原生物种种质资源为对象，重点保存本地特有物种种质资源、原生中心分布区和边缘分布区的种质资源。

(3)乔灌木树种按生态、用材、经济等或多功能分类，按林木育种区、育种亚区保存群体(种质群体、母树林、种源林、采种林等)。

(4)地方组织保存地方品种、本地选择的优树、家系亲本、无性系等种质材料；实施区域性及国家种质登记与管理。

(5)跨区树种种质资源，实施地方联合保存，在确定保存名录后分工协作。

3.3 统一种质保存样本技术

(1)群体保存：原地保存林，郁闭度≥0.5，每块保存核心区2～3 hm2以上；异地保存林有效样本30株(家系)，采种每家系30株；已有的保存林按上述要求核算。

(2)家系与优树保存：全同胞家系保存双亲个体或材料；半同胞家系保存母株及其周围林分；优树保存母株及其无性系6～8株。

(3)地方品种(农家品种)及特殊育种材料保存：原地保存单株；异地保存按群体、家系或个体实施有性或无性材料的要求保存。

3.4 保存实施管理

林木种质资源保存是林业可持续发展的重要组成部分，为切实推动这一战略的顺利实施，就必须采取行之有效的措施，制定相应的政策，使各项工作具备基本保障。

(1)对现有林木种质资源进行分类管理

近期建立全省森林植物管理系统，抢救保存重点物种种质。

中期实施建成湖北省森林植物种质资源管理体系，全面实施对重点、重要、特有、珍稀、濒危物种的种质保存，避免种质丢失。

长期全面实施森林植物的种质保存、评价和利用。根据林木种内生态差异与遗传差异大小，实施统一计划，多地点保存与评价，实现森林植物种质资源系统保存、科学评价和有效利用。

(2)对现有种质资源的管护

保存林管护。对异地保存林进行动态检测(每年调查一次)，持续抚育(每年1次)；原地保存林优势木、特有种、濒危种逐年观测，设备保存的进行再生能力评价等；进行病虫害防治、种质资源低温保存建立专项管护制度及种质资源遗传多样性评价。对林木重要经济性状(干、冠、花、果等)、抗逆性、适应性等多样性评价；进行等位酶及DNA水平与遗传性状的耦合评价。防火林带建设及林道、标牌等基础设施的建设完善等。

优异种质的创新、繁殖及利用。构建林木种质资源信息化平台，进一步实现资源动态评价、资源共享、资源交换和领导决策信息服务等。