通過(guò)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(guò)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(shù)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(kāi)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(lái)不易；在國(guó)家?guī)炖锒紤?yīng)該有它們的棲身之所。”張挺說(shuō)。
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(guò)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(kāi)了笑容。
“這是從冷庫(kù)里上萬(wàn)粒光穗披堿草種子中抽樣取出的。十年過(guò)后，小小種子仍有這么旺盛的生命力，真是件讓人開(kāi)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(guò)那時(shí)，該是我們的子子孫孫來(lái)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(méi)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(wèn)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(guò)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(méi)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(lèi)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(wèn)題：大量植物棲息地喪失、過(guò)度采集、環(huán)境污染、外來(lái)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(lái)了地球歷史上五次生物大滅絕以來(lái)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(xiě)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(kāi)了科學(xué)調(diào)研和可行性研究的相關(guān)工作。
“不能不說(shuō)，我是很幸運(yùn)的！”說(shuō)起一次偶然的選擇，以及幾乎“無(wú)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(kāi)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(lèi)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(lái)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(lái)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(shuō)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(shuō)。
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(kāi)厚重的灰白色大門(mén)，一股冷氣從80平方米主干燥間撲面而來(lái)。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(wàn)年之久。”種質(zhì)資源庫(kù)種質(zhì)保藏中心主任蔡杰博士說(shuō)。
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(jiàn)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(lái)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(kāi)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(lèi)的糧食安全。
幸運(yùn)的是，近年來(lái)，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(wàn)年的進(jìn)化過(guò)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(chóng)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(lái)。”蔡杰說(shuō)，“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(lái)，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(guò)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(chóng)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(lèi)歷史上曾發(fā)生過(guò)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(ài)爾蘭的馬鈴薯饑荒，數(shù)百萬(wàn)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(shuō)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(shuō)。
近年來(lái)，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(wèn)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(guò)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(shuō)。
“但從研究能力的提升，以及庫(kù)體容量來(lái)說(shuō)，已不能適應(yīng)未來(lái)需要，亟須推動(dòng)種質(zhì)庫(kù)二期建設(shè)。”李德銖說(shuō)，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(kāi)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(lèi)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(shuō)我們?cè)谂c時(shí)間賽跑。”張挺說(shuō)。
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(méi)有它的模式標(biāo)本、甚至沒(méi)有一張線描圖。查閱各種記載、專(zhuān)著，大家都毫無(wú)線索，覺(jué)得它有可能都消失了。”張挺說(shuō)，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(wú)異于大海撈針。
張挺甚至查詢過(guò)韓馬迪的科考日記，但日記里并沒(méi)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(lái)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(guò)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(guò)。
“這還不是最難的。”張挺說(shuō)，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(guò)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(lèi)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(shuō)，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(guò)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(kāi)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(guò)600萬(wàn)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(wàn)至6萬(wàn)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(wàn)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(wàn)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(shuō)，種質(zhì)庫(kù)的工作就是把種子采回來(lái)，干燥后冷凍保存，聽(tīng)起來(lái)很容易，但沒(méi)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(guò)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(shuō)，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(shuō)。
