水稻等重要作物種子的保存與管理體系探究

孔憲琴 張小惠 李春生 張克勤 胡光連

（1中國水稻研究所，杭州310006；2浙江國稻高科技種業有限公司，杭州311400）

隨著社會的發展與進步，人們的生活水平逐漸提高，但與此同時，人類的活動使大氣、土地、淡水等各種資源均遭到了不同程度的污染，農業資源也遭到嚴重的破壞和侵蝕。農業生產機械化和良種的大面積推廣使得許多作物的大量地方品種被淘汰，作物品種失去多樣性，常見作物例如水稻、大豆、小麥等的野生種或近緣野生植物已很難在農田見到。如何有效保護這些珍貴的作物資源已成為我國農業發展的當務之急[1-2]。

1 種子保存的重要性與必要性

1.1 種子保存的重要性

種質資源是在不同的生態環境下經過上千年的繁衍而形成的，蘊含著豐富的潛在可利用基因，是一筆寶貴的財富，其中，農作物種質資源更是人類生存、繁衍和發展的物質基礎。

為防止全球物種迅速縮減而造成物種滅絕，挪威人在挪威的斯瓦爾巴特群島建立了一個國際種子庫，該種子庫位于北極圈以內的北冰洋上，因其設備先進、位置偏僻、人跡罕至，建設者將其稱為“地球上最安全的諾亞方舟”，約1億粒世界各地的農作物種子被保存在-18℃的冷庫中，永久凍土層為種子貯存提供了得天獨厚的條件。只有當人類遇到小行星撞擊、核戰爭、海平面上升、氣候巨變等末日危機且外界無其他種子可用時才能打開這個種子庫。用相關負責人的話來說：“即使發生最壞的事，它也能讓人類在地球上重新建立農業生產。”因此也被稱為“末日穹頂”。由此可以說明，作物種子是農業生產最基本、最重要的生產資料，種子保存是保護大量物種最有效可行的方法，對于全人類的生存繁衍具有重要意義。

1.2 種子保存的必要性

運營管理“末日穹頂”的全球作物多樣性信托基金負責人MariaHaga說：“從1950年至今，中國滅絕了90%的大米作物，美國滅絕了90%的果蔬作物。那些我們已經失去的，沒辦法再追回，種子庫的目的，就是盡可能地保存更多的種子，利用已有的種子來保護人類的現在和未來?！?/p>

由于長期的遺傳改良和馴化，現今許多優良品種都面臨遺傳背景單一的問題，在農業生產上，許多作物的骨干品種種質基礎日漸狹窄，遺傳脆弱性以及突發毀滅性病害的隱患日趨嚴重，迫切需要從地方品種或野生近緣種引進新的有利的等位基因。然而，由于良種的推廣、農業機械化的發展，許多地方品種及野生近緣種已被逐漸淘汰，再加上病蟲的天敵數量銳減導致作物病蟲害日益加重，以及難以避免的外來種侵蝕，我們在不知不覺中失去了許多作物品種，種子保存的必要性顯而易見[2-3]。

1.3 種子保存的意義

1.3.1 提高作物質量，保證品質

作物品種的優良程度在影響產量的諸多因素中所起的作用占1/3，而良種的培育離不開種質資源，充足的種質資源是提高作物質量的源頭和關鍵，對作物的產量和品質都起著決定性作用。因此，收集并保存優質的種質資源，挖掘并利用其豐富的基因資源，有利于品種的進一步改良，從而提高作物質量[4]。

1.3.2 選育作物新品種

培育新品種時，優良基因的來源主要是現有的品種資源，也就是說種質資源是選育新品種、促進農業生產發展的重要物質基礎。與直接從種質庫中獲得優良基因相比，自然突變和人工誘變產生新品種的概率小得多且具有不定向性，多為隱性突變或有害突變。因此，要在選育新品種上取得突破性進展，必須充分研究利用關鍵性品種資源。土生土長的地方種和野生近緣植物是長期自然選擇和人工選擇的產物，能抵御自然災害，擁有栽培種不具有的優良性狀，保存并研究這些野生資源，可對比發現特異基因，用以研發和培育新品種[4]。

1.3.3 保護瀕危作物資源

對瀕危的作物品種進行調查，探究瀕危的原因，研究具有針對性的繁育保存技術，收集并保存該作物的種質資源，這對保護作物品種多樣性具有重要意義。

1.3.4 保護生態環境和自然資源，維持生物多樣性

隨著人口的迅速增長，毀林開荒的現象越來越嚴重，大量森林草地資源遭到破壞，土地沙化嚴重。因此，進行作物資源的保存、研究和利用，提高作物產量，有利于保護自然資源和生態環境。

生物多樣性的保護一直是國內外關注的熱點，而農作物種質資源是其重要組成部分，它不僅是作物資源評價、保存和利用的基礎，同時也是引種栽培、野生撫育的前提。加強種質資源的收集、保護和評價，研究各種農作物適宜的生長環境以及氣候條件，有利于生物種群的協調平衡，進而達到維持生物多樣性的目的[5]。

1.3.5 確保資源的可持續利用

資源的可持續利用是指充分的、合理的、可再生的、高效的利用，能滿足當代與后代的發展需要。種子的保存和研究，對推動資源的可持續利用具有重要意義。

1.3.6 解決糧食問題，鞏固農業大國地位

我國是人口大國，同時也是農業大國，糧食歷來是國家長治久安、人民安居樂業的保障，我國農作物資源豐富，享有很高的國際地位，市場需求廣泛。但是近年來我國的糧食問題逐漸凸顯，截至2014年5月，我國的糧食自給率已經跌至87%，全部農產品的自給率在70%左右，而剩下的30%則需要依賴進口補充，長此以往，必將受制于人?，F代農業的機械化操作、化學肥料的大量使用、大規模的單一栽培都導致了土壤退化、地力下降，再加上由于我國工業化、城鎮化的迅速發展，城市迅速擴張，農村務農人口銳減，土地拋荒、耕地面積不斷減少。因此，加強種子的保存、研究和利用，已成為我國農業科技創新驅動戰略的重要構成部分，是我國從農業大國向農業強國轉變的關鍵，對我國的農業發展起著至關重要的作用[3]。

2 現存國內外的種子保存狀況

作物種質資源的保存工作涉及面很廣，包括種子的收集、鑒定、編目、繁種更新等基礎性工作以及基因發掘、種質創新等應用性研究。種質保護工作者依據作物繁殖方式等生物特性，實行種質資源原生境保存與非原生境保存相結合、補充的立體保存策略。原生境保存，即在植物原來的生態環境中設立保護區或保護地，使重要作物的野生種以及野生近緣植物就地自我繁殖從而達到保存種質的目的；非原生境保存是指將種質保存在該植物原生地以外的地方，包括將種子保存在低溫種質庫、將植株保存在種質圃、將組織培養物保存在試管苗種質庫等方式[6-7]。

2.1 國內種子保存現狀

隨著農民對良種、栽培種的高度依賴，很多作物的地方品種迅速減少，以大豆為例，我國傳統種植的15 000多種大豆品種中已有90%被棄種，據統計，我國農作物品種的數量正以每年15%的速度消失[7]。

為了保護這些珍貴的資源，我國采取了一系列政策措施。1989年國務院頒布了《中華人民共和國種子管理條例》，1996年開始實施“種子工程”，2000年《中華人民共和國種子法》頒布并實施，2011年國務院印發了《關于加快推進現代農作物種業發展的意見》，2013年印發了《關于深化種業體制改革提高創新能力的意見》，明確了農作物種業作為國家戰略性、基礎性核心產業的地位，提出促進現代種業持續發展、建設種業強國的目標。經過幾十年的努力，我國作物種質保存的基礎性工作已經卓有成效，建立起了一套科學的種子保存與管理系統，對其重視程度也達到了前所未有的高度[7-8]。

目前，我國已建有長期庫（即國家作物種質庫）1座和中期庫40余座，保存農作物種質資源50多萬份，保存總量居世界第2，為我國作物的生產和育種提供了雄厚的基礎。長期庫的主要功能是負責全國作物種質資源的長期保存，而中期庫負責種質資源的收集、編目、中期保存、評價整理、繁種更新以及分發利用，同時向國家作物種質庫提供新的種質。除此之外，還有國家復份種質庫負責長期種質庫種質資源的備份安全。在技術與管理層面，我國已建立科學的種子入庫前處理技術與入庫貯存管理標準，還研究出了65種難發芽種子的生活力測定方法，為種子的順利入庫以及安全監測提供了強有力的技術支持[2，9]。

2．1．1 國家作物種質庫

國家作物種質庫于1986年10月建成，簡稱國家種質庫，是全國作物種質資源保存、研究中心，主要功能是負責全國作物種質資源的長期保存以及糧食作物種質資源的中期保存與分發。該庫的總建筑面積為3 200 m2，由試驗區、種子入庫前處理操作區、貯藏區3部分構成，總貯藏面積為300 m2，可容納種質40余萬份。種質貯藏條件為：溫度－18℃±1℃，相對濕度＜50%。種子入庫前，先要對種子進行清洗、生活力檢測、干燥脫水等保存前處理，然后密封包裝存入冷庫，入庫保存種子的初始發芽率一般要求在85%以上，種子需干燥至含水量5%～7%，大豆8%。理論上，一般作物種子在上述貯藏條件下壽命可延長到50年以上。經統計，國家作物種質庫保存的種質資源種類豐富，隸屬于35科192屬712種，這些種質的80%是從國內收集的，較大一部分屬于我國特有的，其中國內地方品種資源占60%，稀有、珍稀以及野生近緣植物占10%左右。另外，通過國外的考察收集，也引進了不少外來作物品種，增加了我國的種質資源儲備，進一步豐富了庫存種質資源的遺傳多樣性[10]。

2．1．2 中國西南野生生物種質資源庫

中國西南野生生物種質資源庫于2009年建成并投入運行，預計將在2020年保存1．9萬種19萬份野生生物種質資源。該庫是我國第一座國家級野生生物種質資源庫，貯藏設施和能力達到世界一流水平，是世界上2個按照國際標準建立的種質資源貯存設施之一，有其不可替代性，被稱為中國的“諾亞方舟”，是我國種質資源保存的重大飛躍，為我國的生態安全以及農業的可持續發展提供了堅實的基礎支撐，對我國戰略性生物資源以及生物多樣性的保護起了不可或缺的推動作用。

2.2 國外的種子保存現狀

對于種質資源的保存，相較于國內，部分西方國家走在更前面。早在1946年，美國已建立國家植物種質系統，并于1958年率先建造了世界上第一座國家級現代化低溫種質庫，大大延長了種子的貯藏壽命。1997年英國啟動了千年種質庫項目，想要保護世界上10%的野生植物免于滅絕。2008年挪威修建了“世界末日種子庫”，被稱為“地球上最安全的諾亞方舟”。目前，美國、英國、挪威、日本、巴西、印度、意大利等國家均已建立了較完善的種質資源保存與管理體系，截至2010年，全世界有約1 750座種質資源庫，共保存各種種質資源約740萬份。

3 對水稻保存現狀的調研

水稻為禾本科稻屬一年生單子葉植物，是稻屬中作為糧食的最主要、最悠久的一種，原產于中國，是主要糧食作物之一，世界上近一半的人口以之為食。中國水稻播種面積占全國糧食播種面積的1/4，而產量則占一半以上。作為直接經濟作物，水稻在農業生產上發揮著重要作用。我國地區遼闊，水稻主產區為東北地區、長江流域、珠江流域，從北到南跨越了寒溫帶、中溫帶、暖溫帶、亞熱帶和熱帶[11]，廣泛的地域性、復雜的生態性使得稻作生產面臨著各種威脅，如病蟲害、低溫、干旱等生物或非生物脅迫的影響。因此，我們需要遺傳背景不同、具有良好的病蟲害抗性以及廣泛適應性的高產水稻品種。

一直以來，育種家使用不同的方法對水稻的產量、品質、適應性等方面進行品種選育，其研究過程貫穿著整個稻作發展史，也取得了不小的成就。栽培稻在品質和產量上都有了很大的提高，但是由于育種方法以及配種骨干親本的局限性，再加上長期的人工馴化和選擇，栽培稻的遺傳背景日趨單一，不僅使水稻產量難以再度提高，甚至存在突發毀滅性病害的隱患。因此，進行栽培稻遺傳改良、擴大可利用的基因資源已成為水稻育種過程中亟待解決的關鍵問題，而這些都需要充足的水稻種質資源作為后盾[12]。

水稻種質資源包括了栽培稻、野生稻等各種類型，野生稻是栽培稻的野生近緣種，由于長期處于野生狀態，歷經各種逆境的考驗，蘊藏著許多栽培稻不具有或已經消失的優異的基因資源，已鑒定出的優良性狀多達20余種，如抗稻癭蚊、抗褐飛虱、抗稻瘟病、抗白葉枯病、抗寒、抗旱、高蛋白質含量等，且其遺傳多樣性遠高于栽培稻[13－16]。

目前世界上共有約20個野生稻種，其中我國有3種，分別是普通野生稻、藥用野生稻和疣粒野生稻[19]。對這些種質資源加以收集、保存及研究，是維持稻作生產可持續發展的基本保障和前提，若能妥善保存，這些資源必將成為子孫后代的寶貴財富。

3.1 水稻長期庫保存

國內水稻的長期保存同樣依賴于國家作物種質庫，在溫度－18℃、相對濕度＜50%的條件下，用馬口鐵盒密封包裝，貯藏期限為50～100年。除此之外，長期庫入庫保存對種質的基本要求較為嚴格，入庫時需提供該種質材料的信息資料，例如學名、品種名稱、原產地、繁育條件等，且每份材料需提供一定數量的種子，一般情況下3 000～5 000粒，最低不能少于 1 500粒，種子要求是當季新收獲的且無明顯病蟲損壞，發芽率高于85%[9]。長期庫的任務是長期貯存，因此一般情況下不對外供種，只有當中期庫或供種單位無法找到所需種質材料時，才能動用保存在長期庫中的種質[2，4]。

另外，國外的一些公立機構對水稻種質的長期貯存做出了貢獻，例如國際水稻研究所。國際水稻研究所于1962年在菲律賓建立，是目前亞洲最大也是歷史最悠久的國際農業科研機構，其宗旨是調集各國科學家幫助解決水稻生產中的問題，搜索、保存全世界水稻品種資源，并無償向全世界傳播。目前，國際水稻研究所已經建立了較為完善的水稻遺傳資源保護系統，保存有10多萬份品種資源，包括了世界上主要的農家品種及野生稻種，并建立了國際水稻基因庫，實現了水稻種質資源的共享與有效利用，保護了水稻遺傳多樣性[18]。

3.2 水稻中期庫、短期庫保存

國家水稻種質中期庫建于中國水稻研究所，該所于1981年在杭州建立，是一個將水稻作為主要研究對象的綜合性研究機構，其主要任務是水稻種質資源的收集、保存以及評價和利用，提高稻米的產量和品質，組織全國水稻重點科技項目以及綜合發展研究，開展國內外水稻生產技術交流、人員培訓以及合作研究[19]。

國家水稻種質中期庫于1991年正式啟用，總庫容量為100萬份，保存溫度－1℃，相對濕度＜50%，可使水稻種子的活力保持20年以上。包括中期庫Ⅰ、中期庫Ⅱ和短期庫共3個功能庫，以及其他配套設施如種子收發作業室、發芽室、干燥包裝室等。中期庫的主要功能是種質分發、研究、評價及鑒定，入庫前種子需進行接納登記、查重去重、活力測定、含水量檢測、干燥包裝等處理操作[20]。國家水稻中期庫承擔了全國水稻種質資源的分發與共享工作，平均每年為30個科研單位提供水稻種質1 500份以上[21]。

短期庫的主要功能是短期或臨時保存待評價鑒定的新收集的種質資源，庫溫在10℃～15℃，相對濕度在50%～60%，一般可保存3～5年，若要延長保存時間，則需每隔幾年對現有種子進行繁種并進行提純復壯，從而達到保存種質的效果[4，22]。

4 問題與展望

種質資源保存是一項技術要求高、“功在當代，利在千秋”的長期性和公益性工作，需要投入巨大的人力和物力，雖然經過幾十年的努力，種質保存工作已卓有成效，但是在許多方面仍存在不少問題亟待改進，如貯存于現代化低溫種質庫中的種子，雖然其貯藏壽命理論上能被大大延長，但是生活力檢測結果發現，有少量種質貯存不到20年生活力就開始下降。更有研究表明，部分種質在貯存期間喪失了生活力或更新后發生了遺傳漂變。由于物種或品種間壽命的差異以及入庫前所受損傷等不可知因素，再加上種子老化、遺傳變異等機制尚不十分清楚，難以預測或控制種質庫中幾十萬份種子的生活力和遺傳完整性。因此，隨著貯存種子數量的增加、貯存時間的延長，種質貯存問題會更加突出[2]。因此，為了更好、更高效地保存種質，在未來的工作中需做好以下幾個方面。

4.1 重視種子入庫前的各個環節

研究發現，種子在生育期、成熟期、收獲期的惡劣天氣或收獲后曬干、脫粒以及運輸等環節受到的損傷均會對種子貯存過程中生活力的下降速率造成影響。因此，為最大程度地延長種質保存壽命，應從繁種環節開始，在發育期、收獲期以及保存前處理期都把好質量關，控制種子的含水量和初始質量，使種子始終處于最適宜的環境條件下[9，13]。

4.2 探究種質的最佳含水量

有些種質庫采用超干貯存（含水量＜5%）的方式，將種子密閉貯藏在常溫條件下，來達到部分或全部代替低溫庫的目的。然而有研究表明，不同的作物種子在相同條件下有不同的最佳含水量臨界范圍，高于或低于該范圍均會縮短種子的貯存壽命。因此，從某種意義上來說，超干貯存的方式并不科學，從實際應用的角度出發，研究各作物在一定條件下的最佳含水量是十分必要的，這對種質保存具有非常重要的指導意義。

4.3 區別對待不同品種，加強種質監測

明確各個物種中貯存壽命相對較長和較短的品種，并在保存工作過程中進行區別對待，對于貯存壽命相對較長的品種類型，可以適當延長監測的時間間隔，而對于貯存壽命較短、不耐藏的，以及生活力已出現明顯下降的種子，應將其作為重點監測對象，縮短監測的時間間隔，且監測應逐份進行，不宜采用抽測。另外，應加強貯存種質遺傳變化以及生活力監測技術改進的研究[9，13]。

4.4 確定適宜的種質更新標準

貯存的種子衰老速度并非保持不變，經研究發現，種子在老化初期具有一個平臺期，此時種子的發芽率下降速率緩慢，幾乎保持不變，而后下降速率突然加快，即在較短時間內，種子的生活力顯著下降。而當發芽率下降至一定程度時，種子衰老的速率反而再次降低。也就是說，種子的衰老速度總體呈現出“慢—快—慢”的變化趨勢，種子生活力下降速度突然加快的點被稱為種子的衰老閾值[13，22]。貯存種子時，應對其進行發芽率監測，在其活力下降至衰老閾值前進行種質更新。

4.5 探索新的貯存方式

為了更高效地進行種質資源的貯存，要加大研究工作力度，發掘新的種質貯存手段。目前，超低溫貯存受到國內外廣泛關注，通常指將種子貯存在低于-80℃的條件下，主要是液氮（-196℃）或液氮蒸氣。理論上來說，在這種條件下，生物材料的生理代謝活動幾乎停止，能有效降低甚至抑制基因突變，從而保持種質的遺傳穩定性[2]。超低溫貯存為種質資源的保護提供了新的思路，被認為是種質長期保存的理想方式。

4.6 建立穩定的科研隊伍

種質資源的保護責任重大、工作繁重、任務艱巨且技術要求高，低溫庫種質安全保存的理論與技術研究較為迫切，包括種子生活力監測技術、遺傳完整性測定技術、最佳繁殖技術等，而這些研究都離不開長期穩定的科研隊伍。除此之外，國家應將種質保護作為一項長期的科研任務，每年投入固定的科研經費，持久穩定的進行種質資源的收集、保存、鑒定、評價等工作[2，23]。