任务一 认知种质资源
一、任务描述
植物种质资源在不同生态环境条件下经历漫长自然演变进化,蕴藏着各种潜在可利用基因,是国家的珍贵财富。我国地域辽阔、生态类型丰富,是世界上种质资源丰富中心之一,研究种质资源的分布,分类夯实我国农作物育种种质基因库,为我国农业持续健康发展提供强有力的保证。
二、任务目标
在认知国内外种质资源基础上,能进行种质资源分类及保持。
三、任务实施
1.实施条件
当地适宜保存种质资源田间、当地优良种质资源。
2.实施过程
① 严格实地考察当地自然生态条件。
② 建立种质资源保存基地。
③ 对当地各类作物种质资源进行分类。
四、任务考核
五、相关理论知识
(一)种质资源的概念
具有一定种质或基因的生物类型称为种质资源(基因资源、基因库、基因银行)。农作物种质资源是指选育农作物新品种的基础材料,包括农作物的栽培种、野生种和濒危稀有种的繁殖材料,以及利用上述繁殖材料人工创造的各种遗传材料,包括果实、籽粒、苗、根、茎、叶、芽、花、组织、细胞和DNA、DNA片段及基因等有生命的物质材料。
(二)种质资源
1.开展种质资源工作的意义
“谁掌握了资源,谁就把握了未来;一粒种子改变了世界;一个基因可以影响一个国家的兴衰,一个物种可以左右一个地区的经济命脉;一份种质可以造福黎民百姓,一份种质甚至可以拯救一个国家。”地球上的生态环境和耕作方式千差万别,千万年来在各种环境中形成的基因多种多样。某种基因一旦从地球上消灭就难以用任何先进方法再创造出来,因此,保护、研究和利用作物种质资源是农作物品种改良所必需的,是农业持续发展所必需的。
种质资源是在漫长的历史过程中,由自然演化和人工创造而形成的一种重要的自然资源,它积累了源于自然和人工引起的极其丰富的遗传变异,即蕴藏着各种性状的遗传基因,是人类用以选育新品种和发展农业生产的物质基础,也是进行生物学研究的重要材料,是极其宝贵的自然财富。
作物育种成效的大小,很大程度上取决于掌握种质资源的数量多少和对其性状表现及遗传规律的研究深浅。世界育种史上,品种培育的突破性进展,往往都是由于找到了具有关键性基因的种质资源。
20世纪50年代,中国由于发现和利用了矮脚南特和矮子黏等水稻矮源,从而育成了广场矮、珍珠矮等一批高产、抗倒的矮秆水稻良种。同时,由于低脚乌特这一水稻矮源的发现与利用,进一步推动了世界范围的“绿色革命”浪潮。低脚乌特原产于中国台湾及福建,它现在几乎是世界所有国家矮秆水稻品种的祖先。我国台湾地区以低脚乌特为亲本,1960年育成了TN1(台湾本地种1号)。国际水稻研究所(IRRI)用低脚乌特与皮泰(Peta)杂交,1966年育成了IR8。据IRRI调查(1980),继IR8之后,36个国家育成的370个新品种,其中矮秆良种占70%。而矮秆良种中,IR系统占1/3。追溯其基因来源,几乎都有低脚乌特。20世纪70年代由于发现和利用了野败型雄性不育水稻种质,使水稻杂种优势利用的研究获得了突破性进展,并为以后水稻杂交种的选育和利用奠定了基础。
美国利用日本冬小麦农林10号的矮秆基因育成了第一个高产、半矮秆冬小麦品种格恩斯(Gaines),于1965年创造了高产纪录。国际玉米小麦改良中心(CIMMYT)利用农林10号小麦,通过杂交,将半矮秆与光照不敏感性相结合,自20世纪60年代,育成了一大批丰产性能好、适应性广、半矮秆的春性小麦品种,迅速在北非、中东、南亚等地区的一些国家推广。
2.种质资源的重要性
(1)种质资源是育种工作的物质基础 品种资源是在长期自然选择和人工选择过程中形成的,它们携带着各种各样的基因,是品种选育和生物学理论研究不可缺少的基本材料来源。如果没有品种资源,作物育种工作就成为“无米之炊”。
筛选和确定作物育种的原始材料,也是作物育种的基础工作。能否灵活地、恰当地选择育种的原始材料,受作物品种资源工作的广度和深度的制约。
(2)育种工作突破性的成就,取决于关键性基因资源的发掘与利用 国内外作物育种工作实践表明,一个特殊品种资源的发现和利用,往往能推动作物育种工作取得举世瞩目的成就,促进作物育种工作实现质的飞跃。
我国20世纪50年代在水稻生产上实现了品种矮秆化,主要是利用了广东省的矮脚南特和广西壮族自治区的矮子黏等一批矮秆品种资源,使水稻亩产由200~250kg提高到300~350kg以至500kg。
(3)种质资源是不断发展新作物的主要来源 1999年董王琛指出农作物种质资源,又称农作物品种资源、遗传资源、基因资源,它蕴藏在农作物各类品种、品系、类型、野生种和近缘植物中,是改良农作物的基因来源。
农作物育种和遗传改良是改良现有的品种和创造新的品种,即包括从自然界中选择已有的优良类型育成新的品种,以及用杂交、理化因素处理等方法来改造现有的栽培类型和优良类型,并通过有效地培育、选择和鉴定,创造出优良的新品种,甚至新的物种。由于农作物种质资源在农作物育种上的广泛利用,新中国成立以来,主要农作物品种更新换代八次,良种覆盖率达到90%以上,为粮、棉、油单产和总产的提高发挥了巨大作用,给农业带来了显著的经济效益和社会效益。
(4)实现新的育种目标,必须拥有更多的基因资源 育种目标是对所要育成品种的要求,也就是在一定地区的自然、耕作栽培经济条件下所要育成的新品种应具备的一系列优良性状指标。确定育种目标是育种工作的前提,是决定育种工作成败的首要关键要素。育种目标由高产、稳产、适应性强,逐步过渡到现在的高产、稳产、优质、适应性强。
要实现育种目标的突破,关键是拥有新的种质资源。玉米的蛋白质含量较低,品质较差。1964年玉米高赖氨酸突变体奥派克2(OPaque-2)的发现,大大推动了玉米营养品质的遗传改良。一般玉米品种籽粒中的氨基酸含量较低,特别是赖氨酸,只有0.22%~0.28%,色氨酸更低。而奥派克2(OPaque-2)的籽粒蛋白质中赖氨酸含量达0.35%~0.45%,比普通玉米高70%。据国际玉米小麦改良中心(CIMMYT)报道(1983年),通过轮回选择已育成一些带有奥派克2高赖氨酸基因和硬质胚乳的玉米改良群体,国际上统称为HQPM玉米(high quality protein maize),其产量与对照种不相上下或略高,但其营养价值大大提高。只要有充足的种质资源,采用科学的手段和方法就可实现新的育种目标。
(5)种质资源是理论研究的重要材料 我国地域辽阔,有多种生态环境,造就了丰富的植物资源。目前我国有高等植物30000多种,仅次于巴西和马来西亚,名列世界第三,其中近200个属的植物为我国所特有,是一个种质资源宝库,为我国开展生物多样性研究提供了丰富的物质基础。
开展农作物种质资源基础理论研究,不仅能在生物基础理论研究领域中有新的突破,揭示农作物种质资源在国内乃至世界生物基础理论研究中应有的地位,而且对农作物遗传育种、耕作栽培、植物保护、作物品种区域化和农业宏观规划等方面,都会有一定的指导作用和实用价值。
3.国内外种质资源概况
根据国际农业研究磋商小组(CGIAR)统计,世界各地基因库保存作物种质材料184.6万份。联合国粮农组织(FAO)和国际植物遗传资源委员会(IBPGR)组织并推动了植物种质资源研究工作的国际合作和交流。IBPGR还组织了世界性的国际长期库网,有42个国家或国际农业研究机构参加。世界各国政府和农业科研机构对种质资源的搜集、保存、交流和研究工作十分重视。
在美国,有完备的植物种质资源工作体系,主要机构是美国农业部研究中心的植物遗传和种质研究所,农作物国家引种站和地区引种站、马铃薯引种站和国家种子贮藏实验室以及私人种子公司等,并建立了水果和干果无性系种质库,拥有世界各地的种质材料总数达43万份以上。各机构协作进行植物种质资源的搜集、引种、保存、繁殖、鉴定、分类、编目和分配,并设有种质资源信息网络,拥有从全世界搜集的60万种以上的植物样本特性的信息数据库。
西欧的植物种质材料主要由国家植物园保存。英国国家园艺研究所保存了10000份蔬菜种质材料,它在威尔斯博思(Wellesboume)建有低温种子库,可在0℃下保存12万份种质材料。北欧5国(瑞典、挪威、丹麦、芬兰和冰岛)建有北欧基因库中心(瑞典马尔默Malmo)和5国基因库分中心及有关信息系统,已保存种质材料34000多份。俄罗斯与40多个国家或地区有种质交换关系,每年引进国外新的种质材料7000~8000份,征集本国材料3000~4000份,拥有蔬菜种质材料63000份。
日本筑波农业研究所种子贮藏管理室保存有170种作物32000多份品种的种子,可为农业研究机构提供种质材料。韩国在1985~1991年农业振兴厅基因库共搜集107000份种质材料。
中国拥有极丰富的植物种质资源,前苏联学者瓦维洛夫在《主要栽培植物的世界起源中心》一书中将“中国起源中心”列为世界上植物种类最多、范围最广的一个独立的世界农业发源地和栽培植物起源中心。中国农业科学院作物品种资源研究所组织协调全国栽培植物的种质资源研究工作,截至1984年,已搜集作物种质30万份;已与89个国家、地区和国际组织建立了种质交流关系,先后于北京建成一号和二号种质库。一号种质库以中期保存为主,二号库为长期库,可贮藏种质材料40万份。此外,在山西、河北、黑龙江、广西、广东、湖北、青海(天然库)、河南、上海及北京等省、市、自治区建有地区种质库,安全保存农作物种子。有关农业机构、农业院校育种单位也结合育种工作,搜集、保存、整理鉴定了一批种质材料。蔬菜种质材料的考察、搜集、整理研究由中国农业科学院蔬菜花卉研究所组织进行,种质材料入库已达1.7万份。
我国共有15个果树国家种质资源圃,共保存苹果、梨、柑橘、葡萄、李、杏、柿、枣、栗、龙眼、枇杷、香蕉、荔枝、草莓14个主要树种,及云南特有果树砧木资源,新疆名特寒果树,涉及31个科,58个属果树种质资源1万余份,圃地地面面积120多公顷。我国现有11146种药用植物,临床常用的植物药材有700多种,其中300多种以人工栽培为主,传统中药材的80%为野生资源。
4.种质资源的类别
(1)本地种质资源 本地种质资源包括在当地自然条件和耕作制度下,经过长期培育选择得到的地方品种和当前推广的改良品种。由于它们对当地生态环境、栽培条件和消费习惯等有比较好的适应性,在利用种质资源时,可作为主要对象。此外,地方品种往往是一个遗传类型多样性的群体,有可能从中选择出优良类型。
(2)外地种质资源 外地种质资源是指引自外地区或国外的品种或材料。它们具有不同生物学和经济上的遗传性状,是改良品种的宝贵种质资源。有些外来的优良品种,若原产地的生态环境和本地区基本相近,能够适应生产发展要求,就可以直接引种利用。
(3)野生植物资源 野生植物资源包括栽培植物的近缘野生种和有潜在利用价值的植物野生种。这些种质材料是在自然条件下经长期适应进化和自然选择形成的,具有很强的适应性和抗逆性,或者具有栽培植物所欠缺的某些重要特性。通过杂交等方式,可以把野生植物中的优良基因或携带这些基因的染色体或其片段转移到栽培植物中来。野生植物常常是砧木的重要资源,可在提高作物的抗寒性和土壤适应性方面发挥作用。此外,某些野生植物经济性状被认识后,还可发展为新作物。
(4)人工创造的种质资源 人工创造的种质资源包括人工诱变而产生的突变体、远缘杂交创造的新类型、育种过程中的中间材料、基因工程创造的新种质等。这些材料是培育新品种和进行有关理论研究的重要遗传资源。
(三)种质资源管理机构
为了加强农作物种质资源的保护,促进农作物种质资源的交流和利用,根据《种子法》的规定,制定了《农作物种质资源管理办法》(以下简称《办法》)。《办法》规定农业部设立国家农作物种质资源委员会,研究提出国家农作物种质资源发展战略和方针政策,协调全国农作物种质资源的管理工作。委员会办公室设在农业部种植业管理司,负责委员会的日常工作。各省、自治区、直辖市农业、林业主管部门可根据需要,确定相应的农作物种质资源管理单位。
依《中华人民共和国野生动物保护法》规定,国家林业局、农业部分别主管全国陆生、水生野生动物管理工作,省、自治区、直辖市林业(农林)厅(局)、渔业(水产、海洋与水产)厅(局)分别主管省、自治区、直辖市陆生、水生野生动物管理工作,自治州、县、市渔业(水产、海洋与水产)局主管自治州、县、市水生野生动物管理工作,自治州、县、市林业(农业、农林、畜牧、农牧)局主管自治州、县、市陆生野生动物管理工作。
(四)种质资源保护
种质资源可以被消耗或补充,可以科学地管理和保护。有效地管理和保护种质资源,不仅能够使其生存而且还能够增值,从而为人类的持续发展而永续利用。人类社会不只依靠正被利用的种质资源,未被利用的种质资源也具有巨大的潜在利用价值。丰富的种质资源不仅是人类赖以生存的基础,而且为人类社会适应自然变化提供了选择机会和原材料。可以说,保护种质资源就是保护人类未来。
20世纪90年代有研究指出,现存的生物物种是过去数十亿年进化的结晶,是几十亿个物种灭绝后的幸存者。但随着人类活动的加剧,物种的栖息地快速丧失,物种生存受到严重威胁,灭绝速率不断加快。蕴藏全球70%物种的热带森林,目前仅残存900万平方公里,并且以每年7.6万~9.2万平方公里的速度消失。美国国会技术监督局认为,如果人类消费方式和破坏作用仍不改变,地球上物种灭绝的速度是自然状态的1000倍,到2050年,25%的物种将陷入绝境。截至目前,虽未有明确的数据证实这一观点,但这个研究结果告诉我们,保护种质资源确属当务之急。
植物种质资源是植物品种改良的基因宝库。栽培植物从野生植物演化而来,在不同的生态环境下通过自然选择和人工选择,形成许多地方品种。地方品种经过人工有目的地选育,形成栽培植物品种。在这个过程中,植物的遗传多样性不断丧失,对环境的适应能力、抗逆性和抗病虫害性逐渐减弱。要改良现有植物品种的丰产性、抗病性、抗逆性及品质,必须依靠现有植物的种质资源。但20世纪以来,特别是近40~50年以来,植物新品种的推广,带来了大面积生产上品种的单一化,再加上自然灾害(如洪涝、干旱)、生态环境破坏和污染,使大量地方品种和野生植物种质丧失。为了使植物育种有更广泛的遗传基础,必须挽救、保护和保存不断减少的植物种质资源。
六、课后训练
结合当地实际制订某种作物种质资源保护方案。