中国西南野生生物种质资源库


文/《走近科学》栏目

 

据科学家推测,我国野生生物正在以每天1种的速度走向濒危甚至灭绝 。也就是说,我国每年都有300多种生物趋于濒危乃至消失。为了应对这种人们不太重视的灾难,中国科学院昆明植物研究所的科学家正在为野生生物建立“诺亚方舟 ”——中国西南野生生物种质资源库(以下简称“种质资源库”)。它的使命就是保存野生生物的种质,以防最坏的情况发生。
种质资源库的重要性
种质资源库, 是国家发展和改革委员会批复的国家重大科学工程,依托中国科学院昆明植物研究所建设和运行,项目总投资1.48亿元人民币,建设5个种质库,包括种子库、植物离体库、DNA库、微生物库(依托云南大学共建)和动物种质资源库(依托中国科学院昆明动物研究所共建),以及植物基因组学和种子生物学实验研究平台。
种质资源库至今已建成有效保存野生植物种子、植物离体材料、DNA、微生物菌株、动物种质资源的先进设施;建立了种质资源数据库和信息共享管理系统;建成集功能基因检测、克隆和验证为一体的技术体系和科研平台;具备强大的野生种质资源保藏与研究能力,保藏能力达到国际领先水平。
李德铢研究员是中国科学院昆明分院的院长,也是种质资源库的主任。他说:“种质资源库将是我国最大的野生生物种质资源的保存设施,也是全球第二大设施。为了让种质资源库能够有效地保护种子,我们不但要考虑温度和湿度,还要考虑建筑本身的牢固性。我们用可以建造40层楼的地基,来建造这座4层楼的种质资源库。”
种质资源库中,与人类最密切相关的是一些粮食作物的野生物种的种质。在漫长的历史长河中,很多野生作物被人类驯化 ,造就了伟大的农耕文明。即便在工业化的今天 ,粮食问题依旧是国家战略的重中之重。
1970年11月23日,杂交水稻育种专家袁隆平的助手李必湖和冯克珊在海南岛南红农场找到野生稻种“野败”(野生的雄性败育稻)。从那以后 ,袁隆平的课题组将不同的稻种与“野败”进行杂交,提高了水稻的产量,在解决中国数亿人的粮食问题上起了很大的作用。但是,目前野生稻的生长区域已经比40多年前大大减少了。种质资源库对于粮食作物的野生物种的种质保存,将使人类远离饥荒。
采集野生物种的种质
种质的保存是从采集开始的。2015年的一天早上,郭永杰动身到昭通市巧家县去采集巧家五针松的种子。巧家五针松被誉为植物界的大熊猫。作为一个物种,它们是在1992年被发现的。野生种群总数仅存34株,被列为极危物种。2006年,连续几个月的干旱,当地护林员靠肩背马驮运水上山才保住了这些树。2008年,被大雪冻伤的两棵巧家五针松,直到两年前才恢复了生机。尽管科研人员已经通过人工培育,栽培了上百株巧家五针松的幼苗,可是比较原始的DNA信息是蕴藏在野生植株的细胞内的,因此必须采集野生植株上的种子。
在自然界,每一个物种都不是独立存在的。不同的植物、动物、微生物会互相依赖而组成一个群落。一个物种的灭绝,也许意味着一个群落的消失,无数群落的消失就是人类要面对的荒芜。种质资源库保存的就是960万平方千米的生态。而保存种质,了解植物对节候的各种反应规律也很重要,科学家们称之为物候。
在海拔3100米的高山草甸,很多相似的植物长在一起。在果期去采集很难分辨物种,但是它们的花往往差异很大,所以种子采集员需要在花期的时候提前拜访,并确定植物的物候情况,以便在种子成熟的时候能及时采集。
我们很难窥探,在漫长的自然演化中,植物为了适应环境有着怎样的进化。但是,科技的进步,使人类能够逐步了解到更多。我们也可以通过一些有趣的现象看到植物自身的聪慧。比如,海拔4600米的高山流石滩,远看似乎毫无生命的迹象。走近一看,会发现那里开放着不少绚丽的鲜花。
高山流石滩植物,很好地适应了高山缺水、昼夜温差大的环境。绢毛菊长成莲座状,叶子紧紧地贴着岩石,白天可以从岩石上吸收热量,晚上可以减少热量的散失,同时还可以减少水分的蒸腾。槲叶雪兔子,也就是我们常说的雪莲,一般生长在高山流石滩背风的一面。它的叶子一层一层的,紧紧地簇生在一起,就像一朵莲花。同时在叶子的表面密被细毛,这样能够起到很好的保温作用,来应对高山流石滩非常大的昼夜温差。

保存种质资源的方法
保存种质资源,其实就是保存遗传资源。种瓜得瓜种豆得豆,这是对遗传现象生动的描述。一个普通植物细胞里贮存的遗传信息,大概相当于一个小型图书馆全部藏书的字数。不同物种里面,蕴藏着丰富多样的基因资源。只要发现和利用其中一小部分就足以为培育农畜新品种和医药研发开辟广阔天地。这也是研究种质资源的科学家为之努力的意义所在。
一份种子从采集到入库,最快大约需要2个月的时间。通常情况下,种子被采集回来后,研究人员会将这些种子进行计数和清理,筛选出健康饱满的种子,并在X光下统计种子的虫蛀、空瘪、发育不良等情况;最后经过干燥,就可以放入冷库保存了。但是,郭永杰采集回来的巧家五针松的种子,却不准备放入冷库,而是采用超低温保存法进行保存。超低温保存法,就是将种子的胚进行处理后放入液氮,在-196℃的条件下迅速冷冻。在需要的时候,再通过组织培养的技术培育出完整的植株。
种子一般由种皮、胚和胚乳三部分组成。种子的形成使幼小的胚珠得到母体的保护,并像哺乳动物的胎儿那样,得到充足的养料。当种子遇到合适的环境、适宜的温度、一定的水分、充足的空气,种子里的胚便会萌发,破壳而出,运气好的话就会成长为新的植株 。
科学合理的储藏手段都是为了延长种子的生命周期。种子成熟离开母体后仍是活的,但各类植物种子的寿命有很大差异。其寿命的长短除与遗传特性和发育是否健壮有关外,还受环境因素的影响。有些植物种子寿命很短,如柳的种子仅有12小时;而莲的种子寿命很长,可存活长达数百年以至千年。
根据英国皇家植物园的种子信息数据库里的种子活力参数预测,在经过干燥后保存于-20℃的种子库中,小麦种子能存活1615年,而在室温下只能保存503天;水稻种子能存活1920年,室温下只能保存874天。
在未来的日子,会有越来越多的地方留下科研人员的足迹,也会有越来越多的种质被保存在种质库。而如今,西南野生生物种质资源库还加入了国际生命条形码计划,为生物建立DNA条形码数据库。未来,人们可通过DNA技术对物种进行鉴定。
“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。”已故的著名植物学家吴征镒教授曾发出这样的感慨。他提议建立的种质资源库,为野生生物建立了一个避难所。如今,这里已经保存了16000多种种质。它保存的不仅仅是种质 ,而是我们赖以生存的家园。

(本文由中央电视台《走近科学》栏目供稿)
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