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中國科學院昆明植物研究所
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【文匯報】在種質(zhì)資源庫,探尋物種延續(xù)的終極希望

文章來源:文匯報  |  發(fā)布時間:2020-06-17  |  作者:  |  瀏覽次數(shù):  |  【打印】 【關(guān)閉

 

 

萌發(fā)實驗 

  中國,是世界上生物多樣性最為豐富的國家之一。 

  長久以來,我國以最積極的態(tài)度,建立國家公園、自然保護區(qū)、生態(tài)走廊等,對瀕危植物資源進行搶救性保護,起到了較好的效果。隨著人口的繼續(xù)增長以及環(huán)境的不斷變化,“種子(質(zhì))庫”這一新穎的遷地保護模式開始在中國發(fā)芽生長——其中,位于云南昆明北郊的中國西南野生生物種質(zhì)資源庫,是我國唯一的國家級野生生物種質(zhì)資源庫,目前保有的植物種子超過1萬種,規(guī)模居世界第二位。 

  種質(zhì)庫更神奇的作用在于,假若某個物種在野外滅絕,通過貯藏種子的野外回歸,或許有機會創(chuàng)造  “亡者歸來”的奇跡。種質(zhì)庫的背后,種下的是一個個物種延續(xù)的終極希望。 

  人類對種質(zhì)庫這一大科學設(shè)施到底有多重視?中國西南野生生物種質(zhì)資源庫主任李德銖研究員打了個比方,種質(zhì)庫所在建筑只有四層樓,而地基質(zhì)量足以蓋起40層樓,  “因為它是百年大計、千年大計”。 

 

  采集種子是知識和耐力的考驗 

  前些天,“種子獵人”劉成從無量山帶回了一位“新科長”——美麗桐正式落戶中國西南野生生物種質(zhì)資源庫。

  科,是被子植物分類中的一個分類等級。最早,被子植物分類的話語權(quán)完全掌握在西方科學家手里;當中國科學家開始參與分類時,大部分科已經(jīng)建立。美麗桐科則是我國植物學家發(fā)表的第6個被子植物科。

  親手采集到種質(zhì)庫美麗桐科的第一份種子,這是劉成簡單的小幸福,更讓他感受到民族自豪感。

  蔡杰是種質(zhì)庫第一批采集員,他永遠忘不掉西藏墨脫之行。在那里,數(shù)小時內(nèi),便可領(lǐng)略從巍峨雪山到熱帶雨林的千姿百態(tài),“一山顯四季,十里不同天”。“讓我心動的不僅是祖國的大美河山,更重要在于,作為中國人在自家土地上摸清家底,填補一些空白。帶回種質(zhì)庫的每一顆種子,都意味著沉甸甸的責任。”他說,“種子在哪,我們就去哪。植物何時結(jié)種,我們就何時出發(fā)?!?/font>

 

▲蓼科心葉大黃萌發(fā)小苗 

  為采集足夠量的種子,蔡杰和同事有時必須從山腳采到山頂。俗話說,“一母生九子,九子各不同”,為使采集到的種子盡可能地代表物種的遺傳多樣性,同一種植物需進行不同居群的采樣。再考慮到日后的保存、研究,一份種子數(shù)量通常在2500—10000粒之間,每個居群個體數(shù)不少于50個。為盡可能減少對目標物種生存或繁殖更新的影響,所采集的量不超過當時可采集量的20%,也被稱為“20%可獲得種子量”原則。

  此外,采集員還需根據(jù)果實和種子的形態(tài)等,對種子成熟度進行判斷,成熟度與種子初始活力密切相關(guān),而活力則是種子保存能否成功的基礎(chǔ)。

  除了種子,采集員還會采集憑證標本、DNA葉片材料,記錄采集時間、地點、經(jīng)緯度、海拔、所采植株數(shù)、土壤類型、周圍環(huán)境和植被狀況等相關(guān)野外信息,拍攝生境、植株、花或果特寫等照片。

 

▲采集員郭永杰為了一份種子攀上懸崖。  

  若是“緣分”沒到,采集員只能白跑一趟。蔡杰以祿勸的平當樹為例,在之前與它相關(guān)的記錄極少。第一年沒找到;第二年深秋,位置對了,找到了,但花期已過,回到種質(zhì)庫進行人工培育;第三年,才確定了花期在9月至10月之間;第四年,終于在花期成功進行了野外采集。

  種子采集并非探險,采集員往往會提前做足避險措施,但這并不意味著沒有風險?!坝龅竭^野獸、毒蛇,被紅火蟻、山螞蟥、馬蜂咬早已是家常便飯。有時,連植物也不好‘對付’。”蔡杰記得,采集火麻樹種子時,被樹枝上的刺毛蜇到,一股劇痛迅速從手臂傳到心臟,連呼吸也變得困難,一周后才消腫。后來聽說,火麻樹刺毛的毒性很大,能讓小孩致命。

 

▲褐色沙拐棗 

  蔡杰始終認為,種子采集并不是身體的挑戰(zhàn),而是知識和耐力的考驗。

  在同一片區(qū)域,往往生長著很多外形相似,但物種不同的植物,因此種子采集員在采集時絕不能弄混。蔡杰是植物分類學博士,從二十出頭采到年近不惑,和種質(zhì)庫一同成長,知識儲備已足以應對這樣的挑戰(zhàn)。

  隨著種子采集的物種數(shù)量破萬,物種數(shù)量增加速度趨緩?!叭菀撞傻奈锓N都采到了,相同物種種子采集也有飽和的那一天,接下來的工作肯定越來越難。”蔡杰表示,采集隊伍已經(jīng)做好應對挑戰(zhàn)的準備。

 

  對待種子像母親對待孩子般全心呵護 

  種質(zhì)庫位于昆明北郊黑龍?zhí)?。在這里地下一層一個相當于兩層樓高的空間內(nèi),包含5個總面積為220平方米的冷庫。

  一般來說,利用低溫、干燥的方式,能延長種子的活力。以玉米種子為例,在室外保存632天,萌發(fā)率就會從97.5%下降至50%,但在種質(zhì)庫冷庫環(huán)境內(nèi),理論上在900年后,仍有50%萌發(fā)。根據(jù)理論模型預測,棉花種子的壽命,甚至有望突破6萬年。

 

▲紫椴萌發(fā)小苗 

  專家介紹,在一定范圍內(nèi),儲存溫度每降低5攝氏度,種子壽命增加一倍;種子含水量每減少1%,種子儲存壽命延長一倍。綜合考慮科學性和可行性之后,種質(zhì)庫選擇了“零下20攝氏度、相對濕度為15%”這一低溫干燥條件。

  進入冷庫,映入眼簾的是一個個玻璃瓶。大瓶里裝的是體積較大的種子,小顆粒種子被放在小瓶里,然后再放進密封盒?!懊總€瓶子里還放置了變色硅膠作為指示劑,一旦受潮能及時發(fā)現(xiàn)。”種子管理組組長何華杰說。在冷庫內(nèi),記者看到了國家一級重點保護野生植物珙桐等瀕危植物的種子,以及平日很難見到的竹子種子,甚至還有野生稻種子。

 

▲喜馬拉雅紅豆杉萌發(fā)小苗 

  為什么會存放野生稻?種質(zhì)庫的收集目標需遵循“3E”標準,即Endangered(瀕危)、Endemic(特有)和Economically important(有重要經(jīng)濟價值)。野生稻和哪個E有關(guān)系?何華杰向記者解釋,包括野生稻在內(nèi)的農(nóng)作物野生近緣種,和“有重要經(jīng)濟價值”密切相關(guān)。

  現(xiàn)代農(nóng)業(yè)在發(fā)展高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的同時,遺傳多樣性大大喪失,品種單一化。雜交稻技術(shù)中的雄性不育系,正是野生稻,但目前我國野生稻的種類和分布區(qū)域,都在急劇縮減……

  根據(jù)操作規(guī)范,一份種子入庫之前要經(jīng)歷簽收登記、初次干燥、清理、質(zhì)量檢測、計數(shù)、再次干燥等6個實驗室步驟。其中,兩次干燥是為盡量祛除種子中的自由水,防止低溫下種子因細胞間隙和細胞內(nèi)結(jié)冰而受到傷害。

 

▲◆種子存于“零下20攝氏度、相對濕度15%”的冷庫中。 

  進入冷庫,并不代表種子到了處理的終點。“我們很容易判斷動物或植物是死是活,但種子的活力很難辨析。”萌發(fā)實驗員楊娟表示,很多種子都在休眠,需要通過萌發(fā)實驗來檢測種子的活力。

  95%以上物種的萌發(fā)實驗條件都是未知的,而且80%的溫帶、極地種子會休眠。且休眠深淺程度不一。以野生大百合為例,兩年的時間里,楊娟在它的身上用了不同溫度、不同基質(zhì)、不同時間的十幾種組合定溫及變溫條件,但每一天,打開培養(yǎng)柜,她只能在記錄本上無奈地寫下“0”。

  她從沒放棄努力,第三年她決定模仿大百合生長的四季溫度環(huán)境,從春到冬、從夏到春、從秋至夏、從冬到秋模擬四種條件下同時實驗。最終在次年夏天,種子變“大”了,胚芽變得更寬更胖。終于,她可以在記錄本記下“1”。

  “對待這些種子,就像母親對待孩子,全心呵護。”楊娟表示,每份種子她會設(shè)置3—5個條件的萌發(fā)實驗,每周都要對每個實驗進行統(tǒng)計,以探索最佳的實驗條件。有些物種自播種至實驗結(jié)束實驗過程可長達1000多天。

  而在種子入庫的5—10年后,楊娟會組織再次萌發(fā),觀察種子貯藏期間的活力變化,一旦低于75%,便會繁殖育種,或是重新去野外采集。

 

▲蓮 

  目前,復旦大學生命科學學院教授鐘揚所采集的高原種子中,一部分儲存在種質(zhì)庫,這些種子活力保持得如何?“鐘老師的種子非常好,萌發(fā)實驗顯示,活力保持得很不錯?!?/strong>楊娟告訴記者,在高原種子的萌發(fā)中,起初遇到了一些坎兒,“我們認為高原極端環(huán)境下種子都能萌發(fā),那么在更‘友好’的相對高溫環(huán)境下,種子應該更容易萌發(fā)。事實上,很多高原種子在相對高溫下不萌發(fā),只會在它原先所處于的低溫下萌發(fā)?!?/font>

 

▲超低溫保存技術(shù)。 

  “種子是最容易保存的種質(zhì)資源。”何華杰介紹,在種質(zhì)庫,還有另外三種保存方式:第一種是超低溫保存(零下196攝氏度的液氮中),將自然界約20%左右在低溫、低濕度條件下會失去活力的頑拗型種子,比如芒果、椰子等,把種子里的胚、莖尖等組織取出來,通過滲透包埋處理,放到液氮里;還有一種是離體保存,主要針對的是蘭花等難以用種子保存的植物,保存的材料包括試管苗、愈傷組織、塊根、塊莖、球莖及其他微繁殖體或培養(yǎng)物;第三種是保存DNA,將植物的DNA提取出來進行低溫保存。

  在何華杰職業(yè)生涯的前13年,種質(zhì)庫保存了中國1/3的種子植物。他期盼著,到自己退休時,這一比例能上升到2/3。

 

  需重視瀕危種群生態(tài)服務功能的整體回歸 

  ——訪中科院昆明植物研究所種質(zhì)資源庫首席科學家李德銖 

  文匯報:為何要為小小的種子建大科學設(shè)施? 

  李德銖:千萬不要小看這“小小”的種子,種質(zhì)資源是一個國家的戰(zhàn)略資源和核心競爭力。老一輩植物學家常說:一個物種影響一個國家的經(jīng)濟,一個基因關(guān)系到一個國家的興盛,誰掌握了大量的種質(zhì)資源、研究得最深入、利用得最多,誰就能把握生物技術(shù)的未來。

  建設(shè)種質(zhì)庫能有力保障我國生物戰(zhàn)略資源安全、助力作物改良與創(chuàng)新和新作物篩選、科學管理國家植物資源并促進我國相關(guān)學科體系的發(fā)展。它將為我國野生生物種質(zhì)資源的保護、研究、開發(fā)及合理利用,提供技術(shù)支撐條件和決策依據(jù)。

  要像重視芯片一樣,重視物種基因的保護和挖掘,作為大科學設(shè)施,種質(zhì)資源庫一定要做一些前瞻性、戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性的研究工作,這樣才能實現(xiàn)種質(zhì)資源的增值服務。

 

▲野胡蘿卜 

  文匯報:與其他物種保護手段相比,種質(zhì)庫保護有何特殊之處? 

  李德銖:在保護植物多樣性的過程中,就地保護和遷地保護是互補的,應互相結(jié)合。種質(zhì)庫在資金投入、保存時間和保存效率方面遠遠高于就地保護(如建立保護區(qū)、生態(tài)廊道等)和其它遷地保護手段(如種苗站的樹種、離體培養(yǎng)的試管苗等)。

  在我國,就地保護行動較好地保護了植物多樣性。但自然(洪水、泥石流等)災害、人為(火災、砍伐等)災害以及經(jīng)濟發(fā)展(礦產(chǎn)開發(fā)、水電建設(shè)、過度旅游等)隨時可能讓野外植物毀于一旦。另外,隨著氣候變化的加劇,一些原先適合植物生長的區(qū)域變得不再適合生長。這些都是種質(zhì)庫可以解決的難題。

  同時,同其它遷地保護手段相比,種質(zhì)庫可以較好地保存物種的種性和多樣性,較大范圍、較長時間保護植物多樣性,較少空間貯藏數(shù)量巨大、類別繁多的種子,從種子再生為植株簡單而方便等諸多優(yōu)點。

 

▲烏桕 

  文匯報:目前種質(zhì)庫的建設(shè)進度如何? 

  李德銖:去年2月,種質(zhì)庫提前實現(xiàn)了保存野生植物種子1萬種的長期建設(shè)目標。截至2019年底,已累計采集保存種子總量達10285種,82746份,種數(shù)占中國種子植物總數(shù)的35.2%,分屬230科、2044屬。我們用了15年的時間,從零起步,如今已成為亞洲最大、世界第二大的野生生物種質(zhì)資源收集、保藏機構(gòu),僅次于英國千年種質(zhì)庫。

  除了數(shù)量上的提升,15年里,種質(zhì)庫還在以下多個方面取得了巨大進步:我們掌握了更多的有效保存方法;我們已經(jīng)形成多項標準規(guī)范,技術(shù)平臺可幫助國內(nèi)外有意愿建立種質(zhì)庫的人們早日夢想成真;我們還具備多種技術(shù)手段——基因組淺層測序和DNA條形碼等方法和技術(shù)的應用已較為成熟。

 

▲軟莢紅豆 

  文匯報:種質(zhì)資源庫為何要對植物極小種群等都給予重點關(guān)注?畢竟有專業(yè)人員認為,物種消失是自然規(guī)律,不需要為一個僅有幾株的植物去保護。 

  李德銖:保護植物極小種群對維護生物多樣性、基因多樣性而言意義巨大。一種植物的滅絕,可能導致十至數(shù)十種相關(guān)生物出現(xiàn)生存危機乃至滅絕。一個少為人知的物種,無論從生態(tài)系統(tǒng)的功能性還是未來遺傳資源保護與發(fā)掘利用來說,都有生態(tài)、科學、文化、經(jīng)濟方面的潛在價值。目前,我們對極小種群種子的野外收集工作已取得不小進展,極小種群的野外回歸工作也作出了嘗試。

  當一個物種快要滅絕時,我們就要開展生態(tài)修復,這是保存種質(zhì)資源的作用之一。但野外回歸難度較大,要花大量的功夫。一棵樹在野外成活還不算回歸,我們說的野外回歸應當是種群生態(tài)服務功能的整體回歸,這需要時間,也是下一步的重點方向。

 

▲長穗越橘 

  文匯報:未來,我們在哪些方面還可以繼續(xù)提升? 

  李德銖:建設(shè)初期,種質(zhì)庫的主要著眼點還是在國內(nèi)。如今,種質(zhì)庫已是具有重要國際影響的野生生物種質(zhì)資源保藏設(shè)施,保藏能力達到國際領(lǐng)先水平,有能力在世界范圍內(nèi)特別是“一帶一路”沿線地區(qū)發(fā)揮影響。

  接下來,我們還將繼續(xù)提升種質(zhì)保有量,預計再收集5000—6000種。由于英國千年種質(zhì)庫的國際話語權(quán)明顯高于我們,因此未來要進一步加強國際合作,提高中國種質(zhì)庫的國際話語權(quán)。目前支持種質(zhì)庫建設(shè)的力量中,還是政府、科研院所、專家學者居多,未來應更加多元,特別需要社會力量的支持,植物方面的公眾教育亟需彌補。

    《文匯報》(2020年6月17日)

    來源:http://wenhui.whb.cn/zhuzhanapp/jjl/20200617/355238.html?from=timeline&isappinstalled=0×tamp=1592362861356


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