通過深入發(fā)掘和研究，種質(zhì)庫(kù)在作物改良和創(chuàng)新、新作物篩選、生態(tài)恢復(fù)和野外回歸方面的作用愈加凸顯。]
研究人員用X光對(duì)種子進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)產(chǎn)生圖像，并通過拼接著色形成的“種子幻境”。
科技日報(bào)記者 趙漢斌 攝
這次滇南之行，張挺博士的運(yùn)氣不錯(cuò)。
他不但采到了竹生羊奶子、天胡荽金腰等一批珍稀植物的標(biāo)本和種子，還在“行程之中、運(yùn)氣之外”采到報(bào)春和蘭科疑似新種標(biāo)本。
種子，是植物遺傳信息的攜帶者和傳遞者，是植物繁衍之源，也是一國(guó)不可或缺的戰(zhàn)略資源。
中國(guó)昆明北郊元寶山山頂茂密的樹林里，隱著一座低調(diào)而神秘的“國(guó)之重器”——中國(guó)西南野生生物種質(zhì)資源庫(kù)，也被稱為我國(guó)野生生物的“諾亞方舟”。
在這座暗紅色大樓二樓的種子管理實(shí)驗(yàn)室，種子采集員張挺打開一層層報(bào)紙，五天前云南蒙自之行的最新收獲一一呈現(xiàn)。
“每一粒種子、每一號(hào)標(biāo)本都得來不易；在國(guó)家?guī)炖锒紤?yīng)該有它們的棲身之所。”張挺說。
同在這間實(shí)驗(yàn)室，種子清理員李桂花清理完2000粒如灰塵般的蘭科植物種子后，又轉(zhuǎn)移到另一個(gè)工位，檢查一種禾本科植物——光穗披堿草十年一次的萌發(fā)情況。經(jīng)過7天的喚醒、復(fù)蘇，葉芽碧綠，根系伸張，50粒種子如數(shù)成功萌發(fā)，李桂花臉上漾開了笑容。
“這是從冷庫(kù)里上萬粒光穗披堿草種子中抽樣取出的。十年過后，小小種子仍有這么旺盛的生命力，真是件讓人開心的事。”剛滿50歲的李桂花笑言，“還有大量種子要保藏幾百年、上千年，不過那時(shí)，該是我們的子子孫孫來檢測(cè)這些小寶貝的活性了！”
作為我國(guó)唯一以野生生物種質(zhì)資源保存為主的設(shè)施，截至2020年12月，中國(guó)西南野生生物種質(zhì)資源庫(kù)已保存植物種子10601種85046份，占我國(guó)種子植物物種數(shù)的36%；植物離體培養(yǎng)材料2093種24100份，動(dòng)物種質(zhì)資源2203種60262份，微生物菌株2280種22800份。
因保存量居亞洲第一，該“種子方舟”與英國(guó)“千年種子庫(kù)”、挪威“斯瓦爾巴全球種質(zhì)庫(kù)”等一道，成為全球生物多樣性保護(hù)的領(lǐng)跑者。
一代碩儒心憂天下，“種子方舟”生逢其時(shí)
楊湘云，中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所正高級(jí)工程師，種子生理學(xué)博士，中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所種子生理學(xué)研究組執(zhí)行組長(zhǎng)。
27年前，她還沒有這么多的頭銜。好學(xué)、年輕，對(duì)世界充滿向往。從中國(guó)科學(xué)院西雙版納熱帶植物園碩士畢業(yè)后不久，楊湘云獲得了去英國(guó)做訪問學(xué)者的機(jī)會(huì)。
“其實(shí)那時(shí)我還真不知道要往哪個(gè)方向鉆。純屬偶然，就在這時(shí)，我一位同學(xué)剛參觀過英國(guó)皇家植物園——邱園，跟我描述了那里的情況。懷著好奇，就同時(shí)報(bào)考了邱園種子儲(chǔ)藏生理學(xué)和劍橋大學(xué)植物科學(xué)系。”沒想到，這兩個(gè)地方都錄取了她，只是劍橋大學(xué)晚了些時(shí)日，那時(shí)，她已接受了邱園休·普里查德教授的邀請(qǐng)。
從1994年4月到1999年5月，楊湘云在邱園的種子世界里泡了五年，摸索復(fù)雜而多樣的種子結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)世界名園種子儲(chǔ)藏技術(shù)和先進(jìn)理念，隨后帶著“一身武藝”回到故鄉(xiāng)云南。
彼時(shí)，在“植物王國(guó)”云南，我國(guó)植物分類學(xué)泰斗、《中國(guó)植物志》主編、中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所名譽(yù)所長(zhǎng)吳征鎰院士在思考一個(gè)深邃而有前瞻性的問題：大量植物棲息地喪失、過度采集、環(huán)境污染、外來物種入侵和轉(zhuǎn)基因植物釋放、氣候變化，給全球野生生物資源帶來了地球歷史上五次生物大滅絕以來的最大考驗(yàn)，學(xué)界如何應(yīng)對(duì)？
1999年8月8日，吳征鎰給時(shí)任國(guó)務(wù)院總理的朱镕基同志寫信，闡述了我國(guó)野生生物保護(hù)措施不足，以及在生物多樣性最為豐富的云南建設(shè)一座野生生物種質(zhì)資源庫(kù)的緊迫性和必要性，并提出這是我國(guó)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略重點(diǎn)和國(guó)家利益所在。信函很快得到批復(fù)，云南省政府和中國(guó)科學(xué)院旋即展開了科學(xué)調(diào)研和可行性研究的相關(guān)工作。
“不能不說，我是很幸運(yùn)的！”說起一次偶然的選擇，以及幾乎“無縫連接”的機(jī)緣，楊湘云把短發(fā)往后一揚(yáng)，神情一如當(dāng)時(shí)投入這一生的事業(yè)。
1999年動(dòng)議，2005年正式開工，2007年建成并投入運(yùn)行。作為總工藝師，楊湘云和當(dāng)時(shí)已在植物分類與分子系統(tǒng)發(fā)育學(xué)界嶄露頭角的青年才俊、項(xiàng)目總負(fù)責(zé)人李德銖研究員攜手，擔(dān)當(dāng)起了我國(guó)這一大科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)重任。
從科學(xué)調(diào)研到項(xiàng)目定位，李德銖、楊湘云團(tuán)隊(duì)筆下的草圖越來越清晰，“五庫(kù)一體”的保存模式，也成為世界生物學(xué)界的又一創(chuàng)新之舉：以植物種子庫(kù)為核心庫(kù)，兼具植物離體庫(kù)、植物DNA庫(kù)、動(dòng)物種質(zhì)庫(kù)、微生物庫(kù)。
元寶山山頂海拔1958米，即使未來全球氣候持續(xù)變暖或發(fā)生其他災(zāi)難性地質(zhì)事件，這座種質(zhì)資源庫(kù)也會(huì)巍然屹立。
“我們站在前人的肩膀上，設(shè)計(jì)理念和基礎(chǔ)建設(shè)可以說得到很好的優(yōu)化，在可以承載地上30層樓的基礎(chǔ)工程上建設(shè)了5層樓房。冷庫(kù)位于地下6米，給庫(kù)存種子提供了一個(gè)非常安全的家。”楊湘云說。
從種子管理室下樓乘電梯，可直達(dá)山腹的主干燥間和冷庫(kù)。打開厚重的灰白色大門，一股冷氣從80平方米主干燥間撲面而來。在主干燥間的一頭，整齊地排布著5間40平方米冷庫(kù)，其墻壁具有良好的保溫保濕性能。一排排鋼架在冷庫(kù)整齊排列，一個(gè)個(gè)特制的密封玻璃罐，裝滿純凈而飽滿的種子。
“這里溫度常年保持在零下20攝氏度。在這樣的溫度下，種子壽命可極大延長(zhǎng)，有的可存活上千年，如水稻和小麥的種子能存活3000多年，而棉花種子則能存活6.7萬年之久。”種質(zhì)資源庫(kù)種質(zhì)保藏中心主任蔡杰博士說。
由于冷庫(kù)溫度低，為防止凍傷，種子管理員每次出入，都得穿上厚厚的羽絨服，戴上防凍手套，才能入庫(kù)操作。
小小野生植物種子，緣何成為戰(zhàn)略核心
環(huán)視全球，生物產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)聚焦到了種業(yè)，并演變成一場(chǎng)不見硝煙的戰(zhàn)爭(zhēng)。具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的生物科技水平，將是未來一國(guó)國(guó)力的重要體現(xiàn)。
1970年11月，袁隆平在三亞南紅農(nóng)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)野生稻雄性不育株；3年后，秈型雜交水稻“三系”配套的成功，開啟了水稻生產(chǎn)的“第二次綠色革命”。用一株普通野生稻雄性不育株，成功培育出了雜交水稻，使水稻產(chǎn)量增加近20%。
然而，20世紀(jì)80年代和90年代，中國(guó)植物學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)洪德元院士?jī)纱慰疾彀l(fā)現(xiàn)，在20世紀(jì)80年代，云南野生稻分布地有26個(gè)，到1995年僅剩下兩個(gè)，消失率高達(dá)92.3%。如果野生稻滅絕，就不是一個(gè)普通物種消失那么簡(jiǎn)單。它不僅關(guān)系我國(guó)，更關(guān)系到全人類的糧食安全。
幸運(yùn)的是，近年來，蔡杰他們陸續(xù)保藏了4種中國(guó)野生稻種子。
每次涉足遠(yuǎn)方，勤奮的采集員們都期待野外的新收獲。一粒粒靜默的野生稻種，會(huì)發(fā)揮什么樣的作用，不可限量。
在數(shù)百萬年的進(jìn)化過程中，野生植物積累了各種不同的遺傳變異，蘊(yùn)藏著許多栽培作物所不具備的優(yōu)良基因，如抗病蟲性、抗逆性、優(yōu)良品質(zhì)、細(xì)胞雄性不育及豐產(chǎn)性等，是非常好的育種材料。
“誰(shuí)掌握了大量的種質(zhì)資源，誰(shuí)研究得越深入，利用越多，誰(shuí)就能把握未來。”蔡杰說，“在環(huán)境惡化形勢(shì)嚴(yán)峻、生物多樣性銳減的今天，如果我們?cè)俨粨尵刃缘匕盐覈?guó)的野生生物種質(zhì)資源收集并妥善保存起來，那么我們下一步將怎樣與資源強(qiáng)國(guó)競(jìng)爭(zhēng)，我們的子孫后代將靠什么立足？”
通過雜交，人們就能把野生近緣種中的優(yōu)良基因轉(zhuǎn)移到栽培種中，從而提高作物的產(chǎn)量，增強(qiáng)其抗病和抗蟲能力，以及承受氣候變化的能力，并增加其產(chǎn)量、風(fēng)味、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值等，滿足人們生產(chǎn)、生存和發(fā)展需求。
在人類歷史上曾發(fā)生過多次由于遺傳基礎(chǔ)狹窄而引起的糧食安全事件。最著名的當(dāng)屬19世紀(jì)40年代愛爾蘭的馬鈴薯饑荒，數(shù)百萬人因饑荒而流落他鄉(xiāng)。
而中華獼猴桃原產(chǎn)中國(guó)，新西蘭卻利用它培育出了目前主導(dǎo)國(guó)際獼猴桃市場(chǎng)的巨大產(chǎn)業(yè)。
“這些事例說明，一個(gè)基因可以影響一個(gè)國(guó)家的興衰，一個(gè)物種可以左右一個(gè)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)命脈。”李德銖說。
近年來，針對(duì)保藏的豐富種質(zhì)資源，種質(zhì)資源庫(kù)以國(guó)家戰(zhàn)略生物資源需求和學(xué)科發(fā)展前沿為導(dǎo)向，團(tuán)隊(duì)以生物化學(xué)和分子生物學(xué)為主要研究手段，對(duì)植物進(jìn)化、環(huán)境適應(yīng)和種質(zhì)資源保護(hù)利用相關(guān)的科學(xué)問題進(jìn)行了探索，并有目的地挖掘特殊環(huán)境的基因資源，發(fā)明種質(zhì)資源保存利用的新技術(shù)。
杏黃兜蘭、彌勒苣苔、巧家五針?biāo)伞⑺?hellip;…一大批珍稀、瀕危植物，以及具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值、生態(tài)價(jià)值和科學(xué)研究?jī)r(jià)值的特有植物種子、野生近緣植物種子在“種子方舟”落戶。“在這里，部分物種安全得到保障，使我國(guó)野生生物種子資源快速高效研究利用成為可能。通過深入發(fā)掘和研究，種質(zhì)庫(kù)在作物改良和創(chuàng)新、新作物篩選、生態(tài)恢復(fù)和野外回歸方面的作用愈加凸顯。”楊湘云說。
“但從研究能力的提升，以及庫(kù)體容量來說，已不能適應(yīng)未來需要，亟須推動(dòng)種質(zhì)庫(kù)二期建設(shè)。”李德銖說，為擴(kuò)容，目前已忍痛撤了種子博物館，進(jìn)行應(yīng)急改造。開庫(kù)至今14年，一方面目前已有更高的保存目標(biāo)；另一方面，整體研究能力、研究水平和研究隊(duì)伍都需要有大的提升。
種子有多重要，采集就有多難
目前，我國(guó)高等植物中漸危和受威脅的種類已高達(dá)4000至5000種，約占總種數(shù)的15%—20%。
“在全球生態(tài)破壞日益嚴(yán)重、生物多樣性快速喪失的大背景下，我們國(guó)家也面臨壓力。作為種子采集員，可以說我們?cè)谂c時(shí)間賽跑。”張挺說。
竹生羊奶子是桃金娘目胡頹子科胡頹子屬植物。它之所以進(jìn)入張挺的目標(biāo)名單，是因?yàn)檠芯康目瞻缀陀涗浀呢毞Α?/p>
《中國(guó)植物志》中僅有一條奧地利植物學(xué)家韓馬迪在1933年對(duì)竹生羊奶子的原始描述：模式標(biāo)本采自云南蒙自，生于海拔1800米。
“但實(shí)際上國(guó)內(nèi)并沒有它的模式標(biāo)本、甚至沒有一張線描圖。查閱各種記載、專著，大家都毫無線索，覺得它有可能都消失了。”張挺說，但他仍不死心，一遍遍查閱資料。然而，在偌大的區(qū)域鎖定一個(gè)物種，無異于大海撈針。
張挺甚至查詢過韓馬迪的科考日記，但日記里并沒有提到這個(gè)物種。他又分析韓馬迪行走的大致軌跡和時(shí)間節(jié)點(diǎn)，尋訪當(dāng)?shù)乩习傩眨皆L曾經(jīng)的古道遺跡。“運(yùn)氣還算好，最終還是在花期找到了‘她’。”
但竹生羊奶子種子量比較小，分布非常狹窄，采集到一份標(biāo)準(zhǔn)采集量（至少500粒種子），張挺需要在未來兩年間多次往返。
這樣的故事，數(shù)不勝數(shù)。去年夏天，他們?cè)谒拇ㄅP龍巴朗山一條小箐溝，發(fā)現(xiàn)了一種庫(kù)里未保存過的馬先蒿屬植物。兩個(gè)月后，借國(guó)慶假期興沖沖再去采集種子時(shí)，卻傻眼了：風(fēng)的襲擾，洪水的沖刷，馬先蒿似乎從未在這里存在過。
“這還不是最難的。”張挺說，采集馬先蒿時(shí)，他們遇到最極端的情況是一平方米的樣方里，就有5種馬先蒿屬植物，所以不僅要把它們分辨清楚，還要解決一系列采集技術(shù)難題。
在我國(guó)西南橫斷山區(qū)，眾多物種分布狹窄，眾多珍稀孑遺植物幸存在一座座崖壁上、一條條小箐溝邊，其生存環(huán)境一旦遭到破壞，就再難覓蹤跡。
“隨著公路、鐵路、電站等建設(shè)項(xiàng)目的推進(jìn)，這樣的情況還在繼續(xù)發(fā)生。因此我們特別呼吁，在進(jìn)行基本建設(shè)項(xiàng)目環(huán)評(píng)和建設(shè)期間，植物調(diào)查和種質(zhì)資源采集工作應(yīng)提前介入。”張挺建議，對(duì)項(xiàng)目區(qū)生物多樣性進(jìn)行評(píng)估、對(duì)必要的野生種質(zhì)資源進(jìn)行搶救性保護(hù)。
在種子采集中，除了技術(shù)層面的難題，發(fā)現(xiàn)的過程往往也一波三折。
“首先要搞清你的目標(biāo)物種分布在哪里？這其實(shí)與生物多樣性評(píng)估有很大關(guān)系。我國(guó)植物種類繁多，對(duì)生物多樣性的評(píng)估工作，與先進(jìn)國(guó)家相比還有很大的差距。”張挺說，目前國(guó)內(nèi)野生生物紅色名錄更新比較慢，這意味著一些極小種群目標(biāo)物種的分布、數(shù)量都還不是很清楚，因此建議國(guó)家從頂層設(shè)計(jì)和整體布局著眼，擴(kuò)大野生生物種質(zhì)資源的普查收集，加強(qiáng)資源評(píng)價(jià)力度。
種質(zhì)資源采集保藏，應(yīng)有高水準(zhǔn)國(guó)標(biāo)規(guī)范
現(xiàn)今陸地上60%—88%的植物都會(huì)產(chǎn)生種子，而約87.4%的陸地植物種子都是正常型種子。
在種質(zhì)庫(kù)內(nèi)，通過低溫干燥法就能有效保存大部分植物物種的種子，使其在幾十年、幾百年甚至幾千年后仍能正常發(fā)芽、生長(zhǎng)。這就是種質(zhì)庫(kù)技術(shù)相比就地保護(hù)與遷地保護(hù)方法的優(yōu)越之處。
楊湘云告訴記者，世界大國(guó)高度重視農(nóng)作物種質(zhì)資源的保護(hù)；進(jìn)入新千年后，不少發(fā)達(dá)國(guó)家開始重視對(duì)野生生物種質(zhì)資源的收集保存、評(píng)價(jià)和挖掘利用。
目前，全球建成的近1750個(gè)種子庫(kù)中保存了超過600萬份種質(zhì)資源。雖然絕大部種質(zhì)庫(kù)都是以農(nóng)作物為保存對(duì)象，但在已保存的5萬至6萬種植物中，野生物種仍然占據(jù)了絕對(duì)數(shù)量。美國(guó)國(guó)家植物種質(zhì)資源庫(kù)保存了16162種、約60萬份農(nóng)作物和野生植物種子；邱園“千年種子庫(kù)”已在全球范圍內(nèi)收集39681種野生植物的種子，是全球保存物種數(shù)量最多的野生植物種質(zhì)庫(kù)。
同時(shí)，亞洲各國(guó)也加大了對(duì)野生生物資源的收集保存投入。韓國(guó)于2018年建成可儲(chǔ)存200萬份種子的白頭大干種子庫(kù)，新加坡為加強(qiáng)東南亞地區(qū)植物資源收集，于2019年建成該國(guó)第一個(gè)種子庫(kù)，保存能力達(dá)25000種植物，泰國(guó)的國(guó)立種子保存設(shè)施也在積極籌建中。
簡(jiǎn)單地說，種質(zhì)庫(kù)的工作就是把種子采回來，干燥后冷凍保存，聽起來很容易，但沒有規(guī)矩不成方圓。為此，中國(guó)西南野生生物種質(zhì)資源庫(kù)牽頭草擬了從種子采集到保藏的技術(shù)規(guī)程，以及信息系統(tǒng)功能和使用規(guī)范。
“采集時(shí)，規(guī)范要求不宜超過可獲得種子數(shù)量的20%，而不是僅為滿足采集而‘斬盡殺絕’。”張挺說，這就是要為自然居群的可持續(xù)繁衍留下足夠的種子數(shù)量。
而在后續(xù)的管理環(huán)節(jié)，不論是種子簽收登記、初次干燥、清理、X-射線檢測(cè)、計(jì)數(shù)，到再次干燥、入庫(kù)、活力檢測(cè)、繁殖更新等各環(huán)節(jié)，以及后期分發(fā)共享，都有科學(xué)、嚴(yán)格的規(guī)范。
“目前，鑒于實(shí)際的需求和采集的一些亂象，我們正積極建議把這個(gè)規(guī)范推薦為‘國(guó)標(biāo)’，滿足植物種質(zhì)資源庫(kù)的規(guī)范化建設(shè)需求，最終服務(wù)生物多樣性保護(hù)。”蔡杰說。
