中国农科院国家作物种质库一间操作间里,透明的培养皿中,放满了刚刚发芽的白菜种子,工作人员正在对收集来的白菜种子进行发芽率检验,发芽率超过85%的种子,即为合格。合格的种子,在重新包装、标识之后,就会入库储藏,在-18℃的储藏库中,它们可以保存50年,仍旧保持着合格的发芽率……近日,中央经济工作会议提出,“要加强种质资源保护和利用,加强种子库建设。要尊重科学、严格监管,有序推进生物育种产业化应用。”为此,新京报记者探访了国家作物种质库,邀请专家解读,现代种质库如何保护和利用种质资源。

 

国家作物种质库。新京报记者 王巍 摄

 

留住那些消失的种子

 

种质,是指携带生物遗传信息且具有实际或潜在利用价值的载体,包括种子、花粉、芽等多种形态。丰富的遗传物质是生物演变和进化的基础。

 

作物种质是农作物的遗传资源,不同的组合配比,不断地产生新的生物品种。不过,随着现代农业的发展,栽培种迅速扩张,越来越多的传统品种、地方品种在快速消失在自然界中,作物品种越来越单一。数据显示,当前,我国地方品种已经消失了97%以上。

 

作物种质库是保护作物多样性的重要措施,它留住了那些自然界已经消失或即将消失的作物基因,也为未来的作物育种提供了丰富的基因资源。

 

记者在位于北京北三环的国家作物种质库中见到,来自全国各地的作物种质都被集中在这里,经过检测、标识等入库前处理之后,最终进入这个庞大的种质库中,像“冬眠”一样,在低温环境中被长期保存。

 

即将入库的种子,都要进行发芽率检测,合格的才会入库储存。同时,存库的种子,每隔一段时间也要进行检测。新京报记者 王巍 摄


这里只是作物种质保存的一部分。中国农科院作科所资源中心主任李立会告诉记者,作物种质的保存,是一个完整的体系,包括种质库和种质圃,用于保存不同形态的种质资源,种质库主要保存种子等,种质圃则保存果树、蔬菜等多年生无性繁殖的品种。

 

种质库本身也并非只有一座,而是按照功能差异,分为多个不同的库。有用于保存的长期库,还有防范风险的复份库,为科研提供资源的中期分发库,以及原生境资源保护点、种质资源信息中心等。

 

据介绍,目前,我国种质资源保护体系中,包括位于北京的长期库1座,位于青海的复份库1座,分布全国的中期分发库10座,还有同样分布全国的种质圃43个,原生境保护点205个。

 

种质库的科幻之旅

 

粮食、棉花、水果、蔬菜、油料作物……国家种质库中,保存了国内外绝大部分仍在种植和已经不在种植的作物品种。

 

在一间仓库中,记者看到,无数透明的玻璃瓶整齐地摆在架子上,每个瓶中都有一截嫩绿的茎尖,仓库里有控制照明、湿度、温度的设备。作科所副研究员尹广鹍告诉记者,这是试管库,主要保存土豆、红薯等无性繁殖的品种。仓库中长期保持着合适的照明、温度、湿度等,保障它们存活的同时,控制它们用最慢的速度生长。即便如此,每隔一段时间,就要重新处理一次,只留下保存遗传物质的茎尖。

 

试管库外面,还有几个大小不等的罐子,是超低温保存的设备,罐子里装着液氮,温度达到-196℃,主要保存花粉等正常条件下难以保存的种质资源,“花粉在自然条件下,普遍只能存活几分钟,所以需要超低温保存,保证它能够保存足够的时间”。

 

种子形态的种质资源,则主要保存在-18℃的库中,也是种质库最大的储存仓库。

 

记者看到,仓库有两部分,入口处是一个很小的适应间,温度比外面低,但没有达到-18℃。入库或出库的种质资源,会在这里停留15天左右,适应温度的变化,然后才会进入下一步操作。

 

-18℃的冷库中,种子可以保存50年以上。新京报记者 王巍 摄


仓库中,摆满了四五米高的架子,装在小金属罐里的种子被整齐地摆放在架子上,两排架子之间的缝隙很小,要通过机械才能挪开架子,让工作人员进入存取。尹广鹍告诉记者,自1986年建成以来,这个库中就一直保持着-18℃的温度,从未变过,这里所有的设备,都有双重备份,以保障种质库环境的稳定。

 

除了这些保存方法外,还有一种科技含量更高的保存方式——全基因组保存。李立会告诉记者,这些年来,随着基因组学的发展,越来越多品种的全基因组被检测出来,这样的情况下,就可以进行全基因组保存,比如某些珍稀品种、繁殖困难的品种等,就可以通过这种方式保存。

 

国家种质库设计容量为40万份。过去34年中,经历三次作物普查和征集,成为世界第二大作物种质库,迄今保存了超过52万份的作物种质,已经远远超出了设计容量。而且,储存数量还在以每年2万份左右的速度增加。

 

李立会告诉记者,一座新的种质库正在建设,预计到明年8月份就可以试运行。新库使用了更多的科技设备,将是一个全自动的智能库,设计容量为150万份。届时,更多的作物种质资源将会得到更好的保存。

 

保护过去就是保护未来   

 

在科幻作品《流浪地球》中,科学家们在空间站冷藏了1亿颗农作物种子,以防备环境的变化导致作物灭绝。事实上,现实中的作物种质库,储存的种质远超电影中的数量。而且,除了防备灭绝之外,种质库还承担着更重要的工作,为作物育种提供基础资源。

 

我国每年推广种植的农作物品种超过5000个,主要粮食作物几乎全部为自主选育品种,中国粮用中国种,其中,种质库的作用不可忽视。

 

位于北京的种质库是一座长期库,其主要功能是保存物种,在全国各地,还有10座中期库。李立会告诉记者,这些种质库,每年分发的种质资源超过8万份,供全国各个科研机构使用。

 

李立会所在的作物科学研究所,也承担着育种的工作。他告诉记者,在自然界中,人类活动的扩张导致了野生种快速灭绝,而在种植环境中,现代栽培种也在快速替代传统品种和地方品种。现代栽培种抗性更高、营养更丰富、产量也更高,在种植效益上,远远超过传统品种和地方品种。那么,为何还要保存那些品种呢?

 

中国农科院作科所资源中心主任李立会。新京报记者 王巍 摄


“现代栽培种确实种植效益更高,但在基因上,却具有越来越高的遗传一致性,”李立会解释说,“这使得作物抗风险的能力降低了。简单来说,如果在一个区域、一个国家甚至全球,都只种一种作物,一旦出现短时间难以解决的威胁,比如某种新的病虫害,就可能导致灾难性的后果。”

 

单一作物造成的风险,其实人类早已经历数次,19世纪40年代,爱尔兰马铃薯晚疫病爆发,饿死近百万人,爱尔兰人口锐减四分之一。上世纪70年代,美国玉米小斑病爆发,导致美国玉米减产165亿公斤。

 

多样且优秀的品种,是防范类似灾难的有效措施,而要育成更多更好的品种,则需要一个庞大的基因基础。“我们的研究发现,地方品种中,81%的品种具有遗传异质性,也就是说,它们蕴含着更丰富的遗传基因。地方品种可能确实产量不高,但它们可能蕴含着许多在某一方面特别优秀的基因,科学家们在育种时,在一个丰富的基因库中寻找到这些基因,然后不断培育出更好的、适应不同环境的品种”。

 

失去的味道其实并未消失

 

云南芒市遮放镇,一种名为“毫目细”的大米被称为“顶级大米”。在过去曾是贡米,被称为“遮放贡米”。在今天,每斤可以卖到数百元。这种只在遮放生长的大米品种,在过去几十年中,一度消失。

 

不过,消失的遮放大米,并没有真正灭绝,在国家种质库中,仍保存着“毫目细”种子。当地申请将早年存入的种子取出,重新繁育,使得“遮放贡米”再次面世,如今已经在当地形成了年产值4亿多、帮助当地农民增收近3亿元的产业。

 

类似的还有陕西千阳县的桃花米,这是一种种子形似桃花的大米,上世纪90年代后逐渐消失,2008年,当地从国家种质库引回该种子,使桃花米重现人间。

 

“现代育种,尤其是我们这样一个人口大国的育种,首先考虑的往往是高产、高营养等因素,保障我们的粮食安全,这是没有问题的,”李立会说,“不过,近年来,随着生活水平的提升,也有一些人开始追求口味、风味等,所以,一些传统的作物也逐渐受到重视。它们可能产量不高,或者在其他方面有缺陷,但却具有某种特殊的风味,被人们怀念。在今天,有条件的情况下,这些古老的品种,也有了自己的市场,一方面满足不同的需求,一方面还可以为脱贫致富、帮助农民增收做出贡献”。

 

除了大米,还有西红柿、桃、黄瓜等,近年来都出现了很多传统品种,它们以“小时候的味道”吸引了不少消费者,也形成一个独特的小市场。

 

此外,许多作物还被开发出不同的功能,如观光、保健等,在国家种质库,就有过许多这样的经历。李立会介绍,“在观光农业中,一些花用的作物受到重视,比如桃,以前人们选择栽培的品种,考虑的是果实的品质好不好。但在观光农业中,人们会考虑它的花好不好看,什么时候开。在一片桃林中,如果种植花期不同的桃树,就可以延长观赏的时间。还有多彩的油菜花、芝麻花等,都有类似的情况。在保健食品业里,一些传统的作物,也被发掘出比较好的保健作用,因此重新受到青睐”。

 

未来仍需加强人才队伍建设

 

过去数十年中,无数科技工作者,为保护作物种质资源做出了巨大的贡献。然而,种质资源的保护和利用,是持续性的工作,在未来,仍需要社会方方面面的努力。

 

人才是当前种质资源保护和利用首要的问题,李立会告诉记者,“种质资源保护是公益性的,而且是一个长期且重复的工作,要不断地搜集各种不同的种质资源,然后鉴定优异的基因,妥善地保存。这和当前的科研评价体系,有一定的错位。这些年来,我们国家已经出台了许多相关的文件。未来要吸引更多的人才,需要不断地落实这些文件,也需要更进一步改革和优化评价体系,使从事种质资源保护的科研人员,能够获得更多的认可”。

 

国家种质库。新京报记者 王巍 摄


在种质资源利用方面,也需要更有效的利用方式,“利用和利用效果,是两个不同的概念,我们搜集到了好的资源,鉴定出优质的基因,但是否能够以此为基础,培育出更好的品种,取决于利用效果。举例来说,上世纪50年代,我国引进了碧玉麦,和本土品种蚂蚱麦组合杂交,当时很多科学家都是用这两种杂交。但只有当时西北农学院教授赵洪璋培育出了碧蚂1-6号6个品种,其中碧蚂1号是迄今为止我国推广种植面积最大的小麦品种”。

 

如何才能提升种质资源利用的效率,培育出更多的“中国种”,李立会认为,这需要更多的科研人员做出更多的努力,也需要在育种研究的评价体系中,做出更多的改革和完善。“比如知识产权的问题,科研评价的问题等。在发达国家,一个新品种的育成,大概需要10-15年的时间,这个周期很长。但我们的科研评价体系,评价的周期没有这么长,在未来,应该考虑进一步深化改革,使得科研人员有动力、有耐心花费更长的时间、付出更多的精力去培育新品种。此外,对于育成一个新品种,如何保护知识产权也是需要思考的,如果知识产权保护不力,也就同样缺乏育种的动力”。

 

困难不止存在于育种研究中,种质资源保护同样如此,“种质资源保护,不只是收集、保存,还有鉴定、寻找优质基因、创制新种质等工作,这些科研工作,同样需要知识产权的保护。”李立会说。

 

新京报记者 周怀宗 摄影 王巍

编辑 张树婧 校对 李世辉