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【文汇报】在种质资源库,探寻物种延续的终极希望

文章来源:文汇报  |  发布时间:2020-06-17  |  作者:  |  浏览次数:  |  【打印】 【关闭

 

 

萌发实验 

  中国,是世界上生物多样性最为丰富的国家之一。 

  长久以来,我国以最积极的态度,建立国家公园、自然保护区、生态走廊等,对濒危植物资源进行抢救性保护,起到了较好的效果。随着人口的继续增长以及环境的不断变化,“种子(质)库”这一新颖的迁地保护模式开始在中国发芽生长——其中,位于云南昆明北郊的中国西南野生生物种质资源库,是我国唯一的国家级野生生物种质资源库,目前保有的植物种子超过1万种,规模居世界第二位。 

  种质库更神奇的作用在于,假若某个物种在野外灭绝,通过贮藏种子的野外回归,或许有机会创造  “亡者归来”的奇迹。种质库的背后,种下的是一个个物种延续的终极希望。 

  人类对种质库这一大科学设施到底有多重视?中国西南野生生物种质资源库主任李德铢研究员打了个比方,种质库所在建筑只有四层楼,而地基质量足以盖起40层楼,  “因为它是百年大计、千年大计”。 

 

  采集种子是知识和耐力的考验 

  前些天,“种子猎人”刘成从无量山带回了一位“新科长”——美丽桐正式落户中国西南野生生物种质资源库。

  科,是被子植物分类中的一个分类等级。最早,被子植物分类的话语权完全掌握在西方科学家手里;当中国科学家开始参与分类时,大部分科已经建立。美丽桐科则是我国植物学家发表的第6个被子植物科。

  亲手采集到种质库美丽桐科的第一份种子,这是刘成简单的小幸福,更让他感受到民族自豪感。

  蔡杰是种质库第一批采集员,他永远忘不掉西藏墨脱之行。在那里,数小时内,便可领略从巍峨雪山到热带雨林的千姿百态,“一山显四季,十里不同天”。“让我心动的不仅是祖国的大美河山,更重要在于,作为中国人在自家土地上摸清家底,填补一些空白。带回种质库的每一颗种子,都意味着沉甸甸的责任。”他说,“种子在哪,我们就去哪。植物何时结种,我们就何时出发。”

 

▲蓼科心叶大黄萌发小苗 

  为采集足够量的种子,蔡杰和同事有时必须从山脚采到山顶。俗话说,“一母生九子,九子各不同”,为使采集到的种子尽可能地代表物种的遗传多样性,同一种植物需进行不同居群的采样。再考虑到日后的保存、研究,一份种子数量通常在2500—10000粒之间,每个居群个体数不少于50个。为尽可能减少对目标物种生存或繁殖更新的影响,所采集的量不超过当时可采集量的20%,也被称为“20%可获得种子量”原则。

  此外,采集员还需根据果实和种子的形态等,对种子成熟度进行判断,成熟度与种子初始活力密切相关,而活力则是种子保存能否成功的基础。

  除了种子,采集员还会采集凭证标本、DNA叶片材料,记录采集时间、地点、经纬度、海拔、所采植株数、土壤类型、周围环境和植被状况等相关野外信息,拍摄生境、植株、花或果特写等照片。

 

▲采集员郭永杰为了一份种子攀上悬崖。  

  若是“缘分”没到,采集员只能白跑一趟。蔡杰以禄劝的平当树为例,在之前与它相关的记录极少。第一年没找到;第二年深秋,位置对了,找到了,但花期已过,回到种质库进行人工培育;第三年,才确定了花期在9月至10月之间;第四年,终于在花期成功进行了野外采集。

  种子采集并非探险,采集员往往会提前做足避险措施,但这并不意味着没有风险。“遇到过野兽、毒蛇,被红火蚁、山蚂蟥、马蜂咬早已是家常便饭。有时,连植物也不好‘对付’。”蔡杰记得,采集火麻树种子时,被树枝上的刺毛蜇到,一股剧痛迅速从手臂传到心脏,连呼吸也变得困难,一周后才消肿。后来听说,火麻树刺毛的毒性很大,能让小孩致命。

 

▲褐色沙拐枣 

  蔡杰始终认为,种子采集并不是身体的挑战,而是知识和耐力的考验。

  在同一片区域,往往生长着很多外形相似,但物种不同的植物,因此种子采集员在采集时绝不能弄混。蔡杰是植物分类学博士,从二十出头采到年近不惑,和种质库一同成长,知识储备已足以应对这样的挑战。

  随着种子采集的物种数量破万,物种数量增加速度趋缓。“容易采的物种都采到了,相同物种种子采集也有饱和的那一天,接下来的工作肯定越来越难。”蔡杰表示,采集队伍已经做好应对挑战的准备。

 

  对待种子像母亲对待孩子般全心呵护 

  种质库位于昆明北郊黑龙潭。在这里地下一层一个相当于两层楼高的空间内,包含5个总面积为220平方米的冷库。

  一般来说,利用低温、干燥的方式,能延长种子的活力。以玉米种子为例,在室外保存632天,萌发率就会从97.5%下降至50%,但在种质库冷库环境内,理论上在900年后,仍有50%萌发。根据理论模型预测,棉花种子的寿命,甚至有望突破6万年。

 

▲紫椴萌发小苗 

  专家介绍,在一定范围内,储存温度每降低5摄氏度,种子寿命增加一倍;种子含水量每减少1%,种子储存寿命延长一倍。综合考虑科学性和可行性之后,种质库选择了“零下20摄氏度、相对湿度为15%”这一低温干燥条件。

  进入冷库,映入眼帘的是一个个玻璃瓶。大瓶里装的是体积较大的种子,小颗粒种子被放在小瓶里,然后再放进密封盒。“每个瓶子里还放置了变色硅胶作为指示剂,一旦受潮能及时发现。”种子管理组组长何华杰说。在冷库内,记者看到了国家一级重点保护野生植物珙桐等濒危植物的种子,以及平日很难见到的竹子种子,甚至还有野生稻种子。

 

▲喜马拉雅红豆杉萌发小苗 

  为什么会存放野生稻?种质库的收集目标需遵循“3E”标准,即Endangered(濒危)、Endemic(特有)和Economically important(有重要经济价值)。野生稻和哪个E有关系?何华杰向记者解释,包括野生稻在内的农作物野生近缘种,和“有重要经济价值”密切相关。

  现代农业在发展高产优质的同时,遗传多样性大大丧失,品种单一化。杂交稻技术中的雄性不育系,正是野生稻,但目前我国野生稻的种类和分布区域,都在急剧缩减……

  根据操作规范,一份种子入库之前要经历签收登记、初次干燥、清理、质量检测、计数、再次干燥等6个实验室步骤。其中,两次干燥是为尽量祛除种子中的自由水,防止低温下种子因细胞间隙和细胞内结冰而受到伤害。

 

▲◆种子存于“零下20摄氏度、相对湿度15%”的冷库中。 

  进入冷库,并不代表种子到了处理的终点。“我们很容易判断动物或植物是死是活,但种子的活力很难辨析。”萌发实验员杨娟表示,很多种子都在休眠,需要通过萌发实验来检测种子的活力。

  95%以上物种的萌发实验条件都是未知的,而且80%的温带、极地种子会休眠。且休眠深浅程度不一。以野生大百合为例,两年的时间里,杨娟在它的身上用了不同温度、不同基质、不同时间的十几种组合定温及变温条件,但每一天,打开培养柜,她只能在记录本上无奈地写下“0”。

  她从没放弃努力,第三年她决定模仿大百合生长的四季温度环境,从春到冬、从夏到春、从秋至夏、从冬到秋模拟四种条件下同时实验。最终在次年夏天,种子变“大”了,胚芽变得更宽更胖。终于,她可以在记录本记下“1”。

  “对待这些种子,就像母亲对待孩子,全心呵护。”杨娟表示,每份种子她会设置3—5个条件的萌发实验,每周都要对每个实验进行统计,以探索最佳的实验条件。有些物种自播种至实验结束实验过程可长达1000多天。

  而在种子入库的5—10年后,杨娟会组织再次萌发,观察种子贮藏期间的活力变化,一旦低于75%,便会繁殖育种,或是重新去野外采集。

 

▲莲 

  目前,复旦大学生命科学学院教授钟扬所采集的高原种子中,一部分储存在种质库,这些种子活力保持得如何?“钟老师的种子非常好,萌发实验显示,活力保持得很不错。”杨娟告诉记者,在高原种子的萌发中,起初遇到了一些坎儿,“我们认为高原极端环境下种子都能萌发,那么在更‘友好’的相对高温环境下,种子应该更容易萌发。事实上,很多高原种子在相对高温下不萌发,只会在它原先所处于的低温下萌发。”

 

▲超低温保存技术。 

  “种子是最容易保存的种质资源。”何华杰介绍,在种质库,还有另外三种保存方式:第一种是超低温保存(零下196摄氏度的液氮中),将自然界约20%左右在低温、低湿度条件下会失去活力的顽拗型种子,比如芒果、椰子等,把种子里的胚、茎尖等组织取出来,通过渗透包埋处理,放到液氮里;还有一种是离体保存,主要针对的是兰花等难以用种子保存的植物,保存的材料包括试管苗、愈伤组织、块根、块茎、球茎及其他微繁殖体或培养物;第三种是保存DNA,将植物的DNA提取出来进行低温保存。

  在何华杰职业生涯的前13年,种质库保存了中国1/3的种子植物。他期盼着,到自己退休时,这一比例能上升到2/3。

 

  需重视濒危种群生态服务功能的整体回归 

  ——访中科院昆明植物研究所种质资源库首席科学家李德铢 

  文汇报:为何要为小小的种子建大科学设施? 

  李德铢:千万不要小看这“小小”的种子,种质资源是一个国家的战略资源和核心竞争力。老一辈植物学家常说:一个物种影响一个国家的经济,一个基因关系到一个国家的兴盛,谁掌握了大量的种质资源、研究得最深入、利用得最多,谁就能把握生物技术的未来。

  建设种质库能有力保障我国生物战略资源安全、助力作物改良与创新和新作物筛选、科学管理国家植物资源并促进我国相关学科体系的发展。它将为我国野生生物种质资源的保护、研究、开发及合理利用,提供技术支撑条件和决策依据。

  要像重视芯片一样,重视物种基因的保护和挖掘,作为大科学设施,种质资源库一定要做一些前瞻性、战略性、基础性的研究工作,这样才能实现种质资源的增值服务。

 

▲野胡萝卜 

  文汇报:与其他物种保护手段相比,种质库保护有何特殊之处? 

  李德铢:在保护植物多样性的过程中,就地保护和迁地保护是互补的,应互相结合。种质库在资金投入、保存时间和保存效率方面远远高于就地保护(如建立保护区、生态廊道等)和其它迁地保护手段(如种苗站的树种、离体培养的试管苗等)。

  在我国,就地保护行动较好地保护了植物多样性。但自然(洪水、泥石流等)灾害、人为(火灾、砍伐等)灾害以及经济发展(矿产开发、水电建设、过度旅游等)随时可能让野外植物毁于一旦。另外,随着气候变化的加剧,一些原先适合植物生长的区域变得不再适合生长。这些都是种质库可以解决的难题。

  同时,同其它迁地保护手段相比,种质库可以较好地保存物种的种性和多样性,较大范围、较长时间保护植物多样性,较少空间贮藏数量巨大、类别繁多的种子,从种子再生为植株简单而方便等诸多优点。

 

▲乌桕 

  文汇报:目前种质库的建设进度如何? 

  李德铢:去年2月,种质库提前实现了保存野生植物种子1万种的长期建设目标。截至2019年底,已累计采集保存种子总量达10285种,82746份,种数占中国种子植物总数的35.2%,分属230科、2044属。我们用了15年的时间,从零起步,如今已成为亚洲最大、世界第二大的野生生物种质资源收集、保藏机构,仅次于英国千年种质库。

  除了数量上的提升,15年里,种质库还在以下多个方面取得了巨大进步:我们掌握了更多的有效保存方法;我们已经形成多项标准规范,技术平台可帮助国内外有意愿建立种质库的人们早日梦想成真;我们还具备多种技术手段——基因组浅层测序和DNA条形码等方法和技术的应用已较为成熟。

 

▲软荚红豆 

  文汇报:种质资源库为何要对植物极小种群等都给予重点关注?毕竟有专业人员认为,物种消失是自然规律,不需要为一个仅有几株的植物去保护。 

  李德铢:保护植物极小种群对维护生物多样性、基因多样性而言意义巨大。一种植物的灭绝,可能导致十至数十种相关生物出现生存危机乃至灭绝。一个少为人知的物种,无论从生态系统的功能性还是未来遗传资源保护与发掘利用来说,都有生态、科学、文化、经济方面的潜在价值。目前,我们对极小种群种子的野外收集工作已取得不小进展,极小种群的野外回归工作也作出了尝试。

  当一个物种快要灭绝时,我们就要开展生态修复,这是保存种质资源的作用之一。但野外回归难度较大,要花大量的功夫。一棵树在野外成活还不算回归,我们说的野外回归应当是种群生态服务功能的整体回归,这需要时间,也是下一步的重点方向。

 

▲长穗越橘 

  文汇报:未来,我们在哪些方面还可以继续提升? 

  李德铢:建设初期,种质库的主要着眼点还是在国内。如今,种质库已是具有重要国际影响的野生生物种质资源保藏设施,保藏能力达到国际领先水平,有能力在世界范围内特别是“一带一路”沿线地区发挥影响。

  接下来,我们还将继续提升种质保有量,预计再收集5000—6000种。由于英国千年种质库的国际话语权明显高于我们,因此未来要进一步加强国际合作,提高中国种质库的国际话语权。目前支持种质库建设的力量中,还是政府、科研院所、专家学者居多,未来应更加多元,特别需要社会力量的支持,植物方面的公众教育亟需弥补。

    《文汇报》(2020年6月17日)

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


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原本山川 极名草木