我国植物种质资源的搜集、保护与发展

张雪松，苏彦斌，陈小文，张立亚，刘艳芝，王国强

（北京中农富通园艺有限公司，北京 100083）

人类未来面临的食物、能源和环境危机都有赖于优良的种质资源，丰富多样的种质资源可应对复杂环境下对品种的多样化需求，极大提升我们在生物产业中的竞争力。加强种质资源的有效搜集保护、提高种质资源的利用效率是实现“中国粮食、中国饭碗”、“美丽乡村”建设的重要物质基础和保障。世界各国及国际组织均十分重视种质资源的收集和保存。联合国粮农组织统计结果表明［1］，全球已建成1750多个种质库（圃），收集保存种质资源740万余份，其中90%是以种子形式保存于种质库中，其余10%是以植株形式保存于种质圃或以离体形式保存于试管苗库或超低温库中。国际农业磋商组织（CGIAR，Consultative Group on International Agricultural Research）下属的11个种质库保存总量近76万份。截至2021年6月中旬，美国国家植物种质资源系统（National Plant Germplasm System，NP⁃GS）保存454科27 680种600 466份材料［2］。1986年我国在北京建成了国家作物种质库，通过“七五”、“八五”、“九五”国家科技攻关，在种质资源收集保护、开发应用方面取得了巨大进步。本文将整理分析近年来种质资源保护技术现状及我国在该方面的主要成就，并提出将来在该领域的发展建议。

1 种质资源概念及作用

1.1 概念溯源

种质资源派生于1892年德国进化生物学家奥古斯特·魏斯曼（August Weismann）“种质连续学说”（theory of continuity of germplasm）遗传理论中的种质（germplasm），他认为种质是指性细胞和产生性细胞的那些细胞，种质自身永世长存，连续不断［3］。多数科学家都认为，种质实际上就是那些能够将生物性状从亲代传递给子代的遗传物质，也就是现代遗传学已经证明的存在于染色体上的DNA序列（DNA sequences）［4-5］。种质是种质资源的核心，种质资源是种质的载体，植物种质资源包括植株、种子、无性繁殖器官（接穗、珠芽、试管苗等）、花粉，以及单个细胞。因此，保存种质资源，实质上是保护那些能决定生物某些性状的DNA序列（种质），是外在表现和内在本质的结合［3］。

1.2 种质资源保护的作用

1.2.1 有利于地方品种创新发展

搜集保护种质资源可以发现优良品种并深度开发应用。生态环境的变化，如城镇化、气候变暖、土地开发及自然灾害等因素，使一些珍贵的地方农家品种资源一去不复返。现代农业技术不断培育出高产、优质新品种，一些地方品种因产量、外观、抗性等性状不能满足规模化生产而被淘汰，但这些老品种可能在某些品质、抗性方面具有独特的作用。作为一种科研资源，一个区域的特色种质资源一旦失去将很难恢复，通过搜集与发掘，可以使其得到保护。2019年农业农村部公布的浙江东阳红壳粟、山西岭沟贡米、四川得荣树椒、河北赤城黑软谷、江西秤砣脚板薯、福建南屏棒桩薯、天津宝坻眉豆、北京延庆八棱脆海棠等作物，都是从当地发掘的珍贵资源，它们在各地方产业发展、科研育种和传统文化的传承中都担当了重要角色［6］。江西省农业科学院蔬菜花卉研究所收集的吴城冬瓜、余干辣椒、吉安大叶蕹菜、鄱阳藜蒿、九山生姜等一些地方品种已成为当地脱贫致富、振兴乡村的重要支撑产业［7］。

1.2.2 有利于新品种研发

通过资源搜集，可以发现自然环境下的特色种类，通过驯化、培育成为特色品种和种质资源。以兰科杓兰属（Cypripedium）植物为例，根据《中国生物物种名录》的最新记载，中国杓兰属植物约55种，约占世界杓兰种类的一半以上，其中多数为中国特有种［8］。但杓兰的开发应用却在欧洲及日本栽培较多，他们的杓兰属植物资源是18世纪初由英国植物学者威尔逊在四川松潘、平武收集的野生黄花杓兰，经过驯化、杂交，后代成为具有更出色适应能力的新品种［9］。近年来，我国的园艺工作者在收集和保存基础上，开展特色兰花种质资源创制与新品种选育工作，通过杂交、自然芽变选种获得具有育种价值的新种质22份，已经选育出“高坪建兰”与“边城贡素”2个建兰新品种［10］。

1.2.3 有利于发掘潜在的优秀基因

通过新技术对种质资源进行重组或叠加利用，能够在抗性、产量、品质等性状方面发现更有价值的优良基因。北京小黑豆（Peking）是我国特有的抗胞囊线虫抗源，自从1957年Ross和Brim首次报道Peking对大豆胞囊线虫具有抗性以来，其在SCN（Soybean Cyst Nematode，Heteroderaglycines）生理分化、遗传抗性机制和育种机制研究中一直发挥着重要作用。我国审定的28个抗线虫大豆品种都来源于Peking［11］。曾经对我国番茄产生重大危害的番茄烟草花叶病毒病（TMV），其Tm-2nv、Tm-2a等抗性基因就是源于多毛番茄、醋栗番茄等番茄近缘种，并以此为基础育成抗TMV的番茄品种，进而解决了番茄TMV的危害。在江西省搜集的34份地方苦瓜种质资源中，有3份高抗材料，其中当地的老品种池江苦瓜2017361109抗性最强，是优异的苦瓜枯萎病抗病育种材料［7］。武玲萱等［12］在对山西萝卜种质资源的搜集整理过程中，发现雄性不育株率达到0.8%～5.0%，通过将不育源转育获得了萝卜胞质雄性不育系，进而选育出多个在生产中大面积推广的杂种1代萝卜。

2 种质资源保存方法及成效

2.1 主要保存方法

现阶段植物种质资源的保存方法主要包括种植保存、种子保存及离体保存3种。自然保护区的就地保护对大多数野生种质资源最有效和安全，而地方品种原有的传统农业生态系统是最好的就地保护方式。异地保存可以挽救那些原生态环境受到破坏的种质资源，但与原产地的差异可能会导致其失去原有特征特色。对那些不容易获得种子的植物种类，器官或组织的离体保存可以使之得到延续。根据种子保存条件和方法的不同，可分别选用干燥、超干燥、低温、超低温等（表1）。

表1 种质资源保存方法Tab.1 Preservation methods of germplasm resources

优势因素有效配合，可以更好地满足种质资源贮藏中的不同需求。短期库的种子一般用纸袋或布袋包装，可存放5年左右，用于鉴定、研究和分发，库温10℃～15℃，相对湿度50%～60%；中期库种子含水量8%左右，用防潮材料密封包装，保存期15年以上，种子主要是用作分发材料，保存温度0℃～10℃，相对湿度低于50%；长期库也称基础库，种子用铝盒或铝箔塑胶密封包装或真空密封，储藏期50～100年，温度-10℃～-20℃，相对湿度30%～50%，种子含水量4%～6%，当分发材料用完时提取长期库贮藏的种子作繁殖材料。

2.2 我国种质资源保护成效

2.2.1 种质资源库、圃、区建设成果

我国在种质资源保存方面完成了库、圃、原生境保护相配套的种质资源保存体系的建立，数量不断增加，资源管理主体多样化。目前，已建立国家长期库及复份库各1座、10个国家中期库、44个国家种质圃、205个野生近缘种原生境保护点、7个繁殖更新基地和1个国家种质资源信息中心，长期保存作物种质资源超过52万份，保存数量达到世界第二位［20-22］。

建设完成的58个国家级作物种质资源圃（库），包括粮食、南北方果树、蔬菜、棉麻烟草等经济作物350多种；67个国家级专类花卉种质资源圃，涉及石斛、兰花、牡丹、杜鹃、鸢尾、梅、萱草等近70个科属的传统名花、珍稀濒危花卉、新优特品种、有潜在利用价值的花卉种质资源等，标志着我国花卉种质资源的保护利用站到了新的起点。资源圃管理主体原来是“国家队”一统天下，近年来企业主体逐渐参与。在包括农业、花卉等在内的111个国家级种质资源圃中，89个资源圃的主管单位是大学、研究院/所、国家公园，企业管理的12个花卉资源圃主要涉及兰属、木瓜、兰花、紫薇、杜鹃、非洲菊等高档花卉种质资源，是保护与开发应用的极好结合。

截止到2018年底，我国已建立自然保护区2750处，其中遍布国内31个省市自治区的国家级自然保护区474个；保护区数量达到或超过20处的有黑龙江、四川、内蒙古、湖北、湖南、陕西、广西、云南、甘肃等9省份［23］。以原生环境为核心的自然保护区，不仅可以保护个别重要野生种质，还能够保护完整的生态系统和自然资源。经过多年的建设，目前已形成类型比较齐全、布局基本合理、功能相对完善的自然保护区体系。每个保护区都对本区域内的生物进行了编目造册以明确科、属、种等有关信息。

2.2.2 平台建设及调查成果

通过数据采集和网络信息技术，建立完成了以作物、热带作物、药用植物、林木、园艺、野生种质资源等为主的6大基础平台（见表2）。平台可提供种子、实物标本、活体植株等实物资源信息，还能提供品种特征、种子形态、种子萌发、DNA等有关信息以及在地及迁地保护植物信息，极大方便了需求单位的应用信息查询。

表2 主要植物种质资源库Tab.2 The important bank of plant germplasm resources

农作物和中药材种质资源搜集与保护。以《全国农作物种质资源保护与利用中长期发展规划（2015-2030年）》为基础的第三次全国农作物种质资源普查与收集行动，已收集资源5.4万份，其中的44%完成鉴定，24%完成入库；并对收集到的抗病虫、耐寒、耐瘠薄的优良品种进行了深度鉴定［24］。2021年的《第三次全国农作物种质资源普查与收集行动实施方案（2021—2023年）》再次明确，要全面完成31个省（自治区、直辖市）和新疆生产建设兵团2323个农业县（市、区、旗）的普查与征集，完成679个种质资源丰富的农业县（市、区、旗）的系统调查与抢救性收集；明确抢救性收集珍贵、稀有、濒危、特有种质资源，新增种质资源10万份以上。

涉及全国31个省2800余个县的第四次全国中药资源普查，已获得1.3万多种野生药用资源的种类、分布信息。在100多万个样方调查数据基础上，估算了《药典》收载563种药材的蕴藏量；收集了36万余份药材样品、腊叶标本及种质资源；发现有潜在药用价值的新物种近50个。构建了包括1个中心平台、28个省级中药原料质量监测技术服务中心和66个县级监测站的中药资源动态监测体系，可实时掌握中药材的产量、流通量、价格和质量等信息；建设了28个中药材种子种苗繁育基地和2个中药材种质资源库，形成了中药资源保护和可持续利用长效机制［25］。

2.2.3 种质资源研究成果

对中国知网中以“种质资源”为关键词和标题的文章、专利进行统计分析。结果表明，近20年来文章发表及专利数量均呈上升趋势；其中随着国家对专利研发工作重视程度的不断增加，近6年来的专利数量明显上升（图1）。

图1 2001-2020年关键词包含“种质资源”的文章和专利数量Fig.1 The number of articles and patents with key words of"germplasm resources"from 2001 to 2020

在中国知网中，2001～2020年以“新种质”为关键词的文章有349篇，其中小麦、水稻、棉花、玉米、大豆等主要农作物文章的占比为65%，麦类新种质研究的文章占比为31%；水稻和蔬菜、棉花和果树的占比相同，分别占比为13%和10%，花卉、中药材和杂粮文章的占比为1%～3%（图2）。与主要农作物相比，涉及蔬菜、果树、花卉、中药材、杂粮等种质资源保护与开发应用的研究还有相当多的工作要进行，是今后种质资源研究的方向和工作重点。

图2 2001-2020年关键词包含“新种质”的不同作物文章的比例Fig.2 Proportion of articleson different crops with keywords containing"new germplasm"from 2001 to 2020

3 植物种质资源收集与保护发展建议

随着对种质资源收集工作重视程度的不断增加，我国种质资源库存种类仅次于美国，跃居世界第二，成为种质资源大国。但是，我们距离种质资源强国还有极大差距，在种质资源的有效保护、开发应用上还有很长的路要走。

3.1 建立覆盖不同区域的种质资源协作网

要建立种质资源协作网，就需要政府引导，分级推进。在认真贯彻执行《种子法》、《关于加强农业种质资源保护与利用的意见》、《野生植物保护条例》和《国家现代种业提升工程项目运行管理办法（试行）》等一系列相关文件和规章制度基础上，强化并推行国家一盘棋布局。在坚持种质资源保护的基础性、公益性、战略性、长期性定位前提下，建立种质资源库（圃）分级保护体系；在完善国家、省（市）种质资源库（圃）认定基础上，鼓励政府与企业联合进行资源圃分支机构建设管理与开发，对区域性的重点库（圃）给予费用支持；鼓励国外引进种质向国家资源库（圃）交存，推行新型种质资源入库（圃）保存奖励制度。在农作物种质资源信息系统、全国性种质资源管理、研发和共享大数据平台基础上，建设包括国家库（圃）、原生境保护点、鉴定评价中心等在内的全国性、区域性种质资源数据信息协作网，推动有效共享。

3.2 加强种质资源国际交流

遗传资源是作物遗传改良不可或缺的原材料，一直是粮食安全、农业可持续发展以及适应气候变化的重要保障。为确保全球粮食和农业植物遗传资源的有效保护、可持续利用，联合国粮农组织于2001年11月3日通过了《粮食和农业植物遗传资源国际条约》［26］。自2004年6月29日正式生效至2020年11月，参与该条约的国家和地区已达到148个［27］。截至2017年10月，该条约系统已涵盖200余万份粮农植物遗传资源材料，同年8月缔约方和国际机构与来自179个国家的接受方共计签订了58 657份《标准材料转让协议》，分发或转让了4 042 732份材料［28］。尽管我国是世界八大作物起源中心之一，但很多重要农作物的起源地并不在我国；此外，随着国际环境的变化，从国外直接引进种质资源越来越困难，共享交换是今后主要的渠道。而我国目前还不是该条约缔约国，我们应该积极参加相关谈判以及规则制定，增加国际话语权，创造互惠互利、合作共赢的植物种质资源交流的良好国际合作环境。通过专类收集、补充收集、征集等境外引种方式，提高重点属种的系统性、完整性，为种质资源的创新利用、核心种质构建、发挥种质资源的“裂变”价值奠定坚实的物质基础。

3.3 科研单位与企业互补

尽管目前种质资源搜集工作大规模开展，种质资源种类及数量不断增加，但目前仍处于保护整理的初级阶段，通过表型与基因型精准鉴定、应用于育种创新的农业种质资源不到10%，研究与挖掘仍集中在主要农作物上，而对非主要农作物和特色种质资源的研究偏少。因此，需要发挥科研院所设施、设备及科研“正规军”人才优势，通过现代细胞工程、分子标记辅助选择、全基因组选择、基因编辑等高新技术与常规技术有机结合，深化对非主要农作物特色种质的创新研究，为新品种繁育提供材料和技术支撑。鼓励企业参与做好种质资源的搜集、保存于自然中的新种质，收集地方品种、野生近缘种、过期专利品种等资源，发掘收集新种质资源。推动研究单位与企业间的种质资源搜集、研究成果共享机制，将中小企业在市场导向下的“应用”动力与专业育种机构的研发能力优势互补，加快新品种的市场转化步伐。

3.4 保护与应用并行

在种质资源丰富地区建立特色种质资源圃，种质资源保护、合理开发、科普、应用多环节推进。首先做好原生区域环境及种质资源保护；其次，做好特色种质的整理、发掘与创新研究；第三，做好品种的研发筛选与推广；第四，营造科普环境，让更多人认识、了解种质资源的潜在价值。以道地中药材为例，中药材资源丰富地区多为经济欠发达地区，也是脱贫致富重点区域，在做好上位规划、资源在地保护的前提下，可以充分发挥中药材产业在全面建成小康社会、改善民生，提高贫困地区社会经济发展水平方面的积极作用。通过形式多样的现代技术，营建多维科普场景，介绍种质资源在社会、经济、生态发展等方面的重要性，鼓励个人、企业、社会组织承担种质资源保护任务，登记其保存种质资源，形成全社会重视、全员参与发现与保护种质资源的氛围。

总之，通过对国内外各种植物种质资源的收集整理、保护和开发利用，将进一步拓展我国种质资源的遗传多样性，对于提高作物、林木、花卉、牧草和中药等育种效率，改善人们生产生活和生态环境具有重要意义。