水稻等重要作物种子的保存与管理体系探究

孔宪琴 张小惠 李春生 张克勤 胡光连

（1中国水稻研究所，杭州310006；2浙江国稻高科技种业有限公司，杭州311400）

随着社会的发展与进步，人们的生活水平逐渐提高，但与此同时，人类的活动使大气、土地、淡水等各种资源均遭到了不同程度的污染，农业资源也遭到严重的破坏和侵蚀。农业生产机械化和良种的大面积推广使得许多作物的大量地方品种被淘汰，作物品种失去多样性，常见作物例如水稻、大豆、小麦等的野生种或近缘野生植物已很难在农田见到。如何有效保护这些珍贵的作物资源已成为我国农业发展的当务之急[1-2]。

1 种子保存的重要性与必要性

1.1 种子保存的重要性

种质资源是在不同的生态环境下经过上千年的繁衍而形成的，蕴含着丰富的潜在可利用基因，是一笔宝贵的财富，其中，农作物种质资源更是人类生存、繁衍和发展的物质基础。

为防止全球物种迅速缩减而造成物种灭绝，挪威人在挪威的斯瓦尔巴特群岛建立了一个国际种子库，该种子库位于北极圈以内的北冰洋上，因其设备先进、位置偏僻、人迹罕至，建设者将其称为“地球上最安全的诺亚方舟”，约1亿粒世界各地的农作物种子被保存在-18℃的冷库中，永久冻土层为种子贮存提供了得天独厚的条件。只有当人类遇到小行星撞击、核战争、海平面上升、气候巨变等末日危机且外界无其他种子可用时才能打开这个种子库。用相关负责人的话来说：“即使发生最坏的事，它也能让人类在地球上重新建立农业生产。”因此也被称为“末日穹顶”。由此可以说明，作物种子是农业生产最基本、最重要的生产资料，种子保存是保护大量物种最有效可行的方法，对于全人类的生存繁衍具有重要意义。

1.2 种子保存的必要性

运营管理“末日穹顶”的全球作物多样性信托基金负责人MariaHaga说：“从1950年至今，中国灭绝了90%的大米作物，美国灭绝了90%的果蔬作物。那些我们已经失去的，没办法再追回，种子库的目的，就是尽可能地保存更多的种子，利用已有的种子来保护人类的现在和未来。”

由于长期的遗传改良和驯化，现今许多优良品种都面临遗传背景单一的问题，在农业生产上，许多作物的骨干品种种质基础日渐狭窄，遗传脆弱性以及突发毁灭性病害的隐患日趋严重，迫切需要从地方品种或野生近缘种引进新的有利的等位基因。然而，由于良种的推广、农业机械化的发展，许多地方品种及野生近缘种已被逐渐淘汰，再加上病虫的天敌数量锐减导致作物病虫害日益加重，以及难以避免的外来种侵蚀，我们在不知不觉中失去了许多作物品种，种子保存的必要性显而易见[2-3]。

1.3 种子保存的意义

1.3.1 提高作物质量，保证品质

作物品种的优良程度在影响产量的诸多因素中所起的作用占1/3，而良种的培育离不开种质资源，充足的种质资源是提高作物质量的源头和关键，对作物的产量和品质都起着决定性作用。因此，收集并保存优质的种质资源，挖掘并利用其丰富的基因资源，有利于品种的进一步改良，从而提高作物质量[4]。

1.3.2 选育作物新品种

培育新品种时，优良基因的来源主要是现有的品种资源，也就是说种质资源是选育新品种、促进农业生产发展的重要物质基础。与直接从种质库中获得优良基因相比，自然突变和人工诱变产生新品种的概率小得多且具有不定向性，多为隐性突变或有害突变。因此，要在选育新品种上取得突破性进展，必须充分研究利用关键性品种资源。土生土长的地方种和野生近缘植物是长期自然选择和人工选择的产物，能抵御自然灾害，拥有栽培种不具有的优良性状，保存并研究这些野生资源，可对比发现特异基因，用以研发和培育新品种[4]。

1.3.3 保护濒危作物资源

对濒危的作物品种进行调查，探究濒危的原因，研究具有针对性的繁育保存技术，收集并保存该作物的种质资源，这对保护作物品种多样性具有重要意义。

1.3.4 保护生态环境和自然资源，维持生物多样性

随着人口的迅速增长，毁林开荒的现象越来越严重，大量森林草地资源遭到破坏，土地沙化严重。因此，进行作物资源的保存、研究和利用，提高作物产量，有利于保护自然资源和生态环境。

生物多样性的保护一直是国内外关注的热点，而农作物种质资源是其重要组成部分，它不仅是作物资源评价、保存和利用的基础，同时也是引种栽培、野生抚育的前提。加强种质资源的收集、保护和评价，研究各种农作物适宜的生长环境以及气候条件，有利于生物种群的协调平衡，进而达到维持生物多样性的目的[5]。

1.3.5 确保资源的可持续利用

资源的可持续利用是指充分的、合理的、可再生的、高效的利用，能满足当代与后代的发展需要。种子的保存和研究，对推动资源的可持续利用具有重要意义。

1.3.6 解决粮食问题，巩固农业大国地位

我国是人口大国，同时也是农业大国，粮食历来是国家长治久安、人民安居乐业的保障，我国农作物资源丰富，享有很高的国际地位，市场需求广泛。但是近年来我国的粮食问题逐渐凸显，截至2014年5月，我国的粮食自给率已经跌至87%，全部农产品的自给率在70%左右，而剩下的30%则需要依赖进口补充，长此以往，必将受制于人。现代农业的机械化操作、化学肥料的大量使用、大规模的单一栽培都导致了土壤退化、地力下降，再加上由于我国工业化、城镇化的迅速发展，城市迅速扩张，农村务农人口锐减，土地抛荒、耕地面积不断减少。因此，加强种子的保存、研究和利用，已成为我国农业科技创新驱动战略的重要构成部分，是我国从农业大国向农业强国转变的关键，对我国的农业发展起着至关重要的作用[3]。

2 现存国内外的种子保存状况

作物种质资源的保存工作涉及面很广，包括种子的收集、鉴定、编目、繁种更新等基础性工作以及基因发掘、种质创新等应用性研究。种质保护工作者依据作物繁殖方式等生物特性，实行种质资源原生境保存与非原生境保存相结合、补充的立体保存策略。原生境保存，即在植物原来的生态环境中设立保护区或保护地，使重要作物的野生种以及野生近缘植物就地自我繁殖从而达到保存种质的目的；非原生境保存是指将种质保存在该植物原生地以外的地方，包括将种子保存在低温种质库、将植株保存在种质圃、将组织培养物保存在试管苗种质库等方式[6-7]。

2.1 国内种子保存现状

随着农民对良种、栽培种的高度依赖，很多作物的地方品种迅速减少，以大豆为例，我国传统种植的15 000多种大豆品种中已有90%被弃种，据统计，我国农作物品种的数量正以每年15%的速度消失[7]。

为了保护这些珍贵的资源，我国采取了一系列政策措施。1989年国务院颁布了《中华人民共和国种子管理条例》，1996年开始实施“种子工程”，2000年《中华人民共和国种子法》颁布并实施，2011年国务院印发了《关于加快推进现代农作物种业发展的意见》，2013年印发了《关于深化种业体制改革提高创新能力的意见》，明确了农作物种业作为国家战略性、基础性核心产业的地位，提出促进现代种业持续发展、建设种业强国的目标。经过几十年的努力，我国作物种质保存的基础性工作已经卓有成效，建立起了一套科学的种子保存与管理系统，对其重视程度也达到了前所未有的高度[7-8]。

目前，我国已建有长期库（即国家作物种质库）1座和中期库40余座，保存农作物种质资源50多万份，保存总量居世界第2，为我国作物的生产和育种提供了雄厚的基础。长期库的主要功能是负责全国作物种质资源的长期保存，而中期库负责种质资源的收集、编目、中期保存、评价整理、繁种更新以及分发利用，同时向国家作物种质库提供新的种质。除此之外，还有国家复份种质库负责长期种质库种质资源的备份安全。在技术与管理层面，我国已建立科学的种子入库前处理技术与入库贮存管理标准，还研究出了65种难发芽种子的生活力测定方法，为种子的顺利入库以及安全监测提供了强有力的技术支持[2，9]。

2．1．1 国家作物种质库

国家作物种质库于1986年10月建成，简称国家种质库，是全国作物种质资源保存、研究中心，主要功能是负责全国作物种质资源的长期保存以及粮食作物种质资源的中期保存与分发。该库的总建筑面积为3 200 m2，由试验区、种子入库前处理操作区、贮藏区3部分构成，总贮藏面积为300 m2，可容纳种质40余万份。种质贮藏条件为：温度－18℃±1℃，相对湿度＜50%。种子入库前，先要对种子进行清洗、生活力检测、干燥脱水等保存前处理，然后密封包装存入冷库，入库保存种子的初始发芽率一般要求在85%以上，种子需干燥至含水量5%～7%，大豆8%。理论上，一般作物种子在上述贮藏条件下寿命可延长到50年以上。经统计，国家作物种质库保存的种质资源种类丰富，隶属于35科192属712种，这些种质的80%是从国内收集的，较大一部分属于我国特有的，其中国内地方品种资源占60%，稀有、珍稀以及野生近缘植物占10%左右。另外，通过国外的考察收集，也引进了不少外来作物品种，增加了我国的种质资源储备，进一步丰富了库存种质资源的遗传多样性[10]。

2．1．2 中国西南野生生物种质资源库

中国西南野生生物种质资源库于2009年建成并投入运行，预计将在2020年保存1．9万种19万份野生生物种质资源。该库是我国第一座国家级野生生物种质资源库，贮藏设施和能力达到世界一流水平，是世界上2个按照国际标准建立的种质资源贮存设施之一，有其不可替代性，被称为中国的“诺亚方舟”，是我国种质资源保存的重大飞跃，为我国的生态安全以及农业的可持续发展提供了坚实的基础支撑，对我国战略性生物资源以及生物多样性的保护起了不可或缺的推动作用。

2.2 国外的种子保存现状

对于种质资源的保存，相较于国内，部分西方国家走在更前面。早在1946年，美国已建立国家植物种质系统，并于1958年率先建造了世界上第一座国家级现代化低温种质库，大大延长了种子的贮藏寿命。1997年英国启动了千年种质库项目，想要保护世界上10%的野生植物免于灭绝。2008年挪威修建了“世界末日种子库”，被称为“地球上最安全的诺亚方舟”。目前，美国、英国、挪威、日本、巴西、印度、意大利等国家均已建立了较完善的种质资源保存与管理体系，截至2010年，全世界有约1 750座种质资源库，共保存各种种质资源约740万份。

3 对水稻保存现状的调研

水稻为禾本科稻属一年生单子叶植物，是稻属中作为粮食的最主要、最悠久的一种，原产于中国，是主要粮食作物之一，世界上近一半的人口以之为食。中国水稻播种面积占全国粮食播种面积的1/4，而产量则占一半以上。作为直接经济作物，水稻在农业生产上发挥着重要作用。我国地区辽阔，水稻主产区为东北地区、长江流域、珠江流域，从北到南跨越了寒温带、中温带、暖温带、亚热带和热带[11]，广泛的地域性、复杂的生态性使得稻作生产面临着各种威胁，如病虫害、低温、干旱等生物或非生物胁迫的影响。因此，我们需要遗传背景不同、具有良好的病虫害抗性以及广泛适应性的高产水稻品种。

一直以来，育种家使用不同的方法对水稻的产量、品质、适应性等方面进行品种选育，其研究过程贯穿着整个稻作发展史，也取得了不小的成就。栽培稻在品质和产量上都有了很大的提高，但是由于育种方法以及配种骨干亲本的局限性，再加上长期的人工驯化和选择，栽培稻的遗传背景日趋单一，不仅使水稻产量难以再度提高，甚至存在突发毁灭性病害的隐患。因此，进行栽培稻遗传改良、扩大可利用的基因资源已成为水稻育种过程中亟待解决的关键问题，而这些都需要充足的水稻种质资源作为后盾[12]。

水稻种质资源包括了栽培稻、野生稻等各种类型，野生稻是栽培稻的野生近缘种，由于长期处于野生状态，历经各种逆境的考验，蕴藏着许多栽培稻不具有或已经消失的优异的基因资源，已鉴定出的优良性状多达20余种，如抗稻瘿蚊、抗褐飞虱、抗稻瘟病、抗白叶枯病、抗寒、抗旱、高蛋白质含量等，且其遗传多样性远高于栽培稻[13－16]。

目前世界上共有约20个野生稻种，其中我国有3种，分别是普通野生稻、药用野生稻和疣粒野生稻[19]。对这些种质资源加以收集、保存及研究，是维持稻作生产可持续发展的基本保障和前提，若能妥善保存，这些资源必将成为子孙后代的宝贵财富。

3.1 水稻长期库保存

国内水稻的长期保存同样依赖于国家作物种质库，在温度－18℃、相对湿度＜50%的条件下，用马口铁盒密封包装，贮藏期限为50～100年。除此之外，长期库入库保存对种质的基本要求较为严格，入库时需提供该种质材料的信息资料，例如学名、品种名称、原产地、繁育条件等，且每份材料需提供一定数量的种子，一般情况下3 000～5 000粒，最低不能少于 1 500粒，种子要求是当季新收获的且无明显病虫损坏，发芽率高于85%[9]。长期库的任务是长期贮存，因此一般情况下不对外供种，只有当中期库或供种单位无法找到所需种质材料时，才能动用保存在长期库中的种质[2，4]。

另外，国外的一些公立机构对水稻种质的长期贮存做出了贡献，例如国际水稻研究所。国际水稻研究所于1962年在菲律宾建立，是目前亚洲最大也是历史最悠久的国际农业科研机构，其宗旨是调集各国科学家帮助解决水稻生产中的问题，搜索、保存全世界水稻品种资源，并无偿向全世界传播。目前，国际水稻研究所已经建立了较为完善的水稻遗传资源保护系统，保存有10多万份品种资源，包括了世界上主要的农家品种及野生稻种，并建立了国际水稻基因库，实现了水稻种质资源的共享与有效利用，保护了水稻遗传多样性[18]。

3.2 水稻中期库、短期库保存

国家水稻种质中期库建于中国水稻研究所，该所于1981年在杭州建立，是一个将水稻作为主要研究对象的综合性研究机构，其主要任务是水稻种质资源的收集、保存以及评价和利用，提高稻米的产量和品质，组织全国水稻重点科技项目以及综合发展研究，开展国内外水稻生产技术交流、人员培训以及合作研究[19]。

国家水稻种质中期库于1991年正式启用，总库容量为100万份，保存温度－1℃，相对湿度＜50%，可使水稻种子的活力保持20年以上。包括中期库Ⅰ、中期库Ⅱ和短期库共3个功能库，以及其他配套设施如种子收发作业室、发芽室、干燥包装室等。中期库的主要功能是种质分发、研究、评价及鉴定，入库前种子需进行接纳登记、查重去重、活力测定、含水量检测、干燥包装等处理操作[20]。国家水稻中期库承担了全国水稻种质资源的分发与共享工作，平均每年为30个科研单位提供水稻种质1 500份以上[21]。

短期库的主要功能是短期或临时保存待评价鉴定的新收集的种质资源，库温在10℃～15℃，相对湿度在50%～60%，一般可保存3～5年，若要延长保存时间，则需每隔几年对现有种子进行繁种并进行提纯复壮，从而达到保存种质的效果[4，22]。

4 问题与展望

种质资源保存是一项技术要求高、“功在当代，利在千秋”的长期性和公益性工作，需要投入巨大的人力和物力，虽然经过几十年的努力，种质保存工作已卓有成效，但是在许多方面仍存在不少问题亟待改进，如贮存于现代化低温种质库中的种子，虽然其贮藏寿命理论上能被大大延长，但是生活力检测结果发现，有少量种质贮存不到20年生活力就开始下降。更有研究表明，部分种质在贮存期间丧失了生活力或更新后发生了遗传漂变。由于物种或品种间寿命的差异以及入库前所受损伤等不可知因素，再加上种子老化、遗传变异等机制尚不十分清楚，难以预测或控制种质库中几十万份种子的生活力和遗传完整性。因此，随着贮存种子数量的增加、贮存时间的延长，种质贮存问题会更加突出[2]。因此，为了更好、更高效地保存种质，在未来的工作中需做好以下几个方面。

4.1 重视种子入库前的各个环节

研究发现，种子在生育期、成熟期、收获期的恶劣天气或收获后晒干、脱粒以及运输等环节受到的损伤均会对种子贮存过程中生活力的下降速率造成影响。因此，为最大程度地延长种质保存寿命，应从繁种环节开始，在发育期、收获期以及保存前处理期都把好质量关，控制种子的含水量和初始质量，使种子始终处于最适宜的环境条件下[9，13]。

4.2 探究种质的最佳含水量

有些种质库采用超干贮存（含水量＜5%）的方式，将种子密闭贮藏在常温条件下，来达到部分或全部代替低温库的目的。然而有研究表明，不同的作物种子在相同条件下有不同的最佳含水量临界范围，高于或低于该范围均会缩短种子的贮存寿命。因此，从某种意义上来说，超干贮存的方式并不科学，从实际应用的角度出发，研究各作物在一定条件下的最佳含水量是十分必要的，这对种质保存具有非常重要的指导意义。

4.3 区别对待不同品种，加强种质监测

明确各个物种中贮存寿命相对较长和较短的品种，并在保存工作过程中进行区别对待，对于贮存寿命相对较长的品种类型，可以适当延长监测的时间间隔，而对于贮存寿命较短、不耐藏的，以及生活力已出现明显下降的种子，应将其作为重点监测对象，缩短监测的时间间隔，且监测应逐份进行，不宜采用抽测。另外，应加强贮存种质遗传变化以及生活力监测技术改进的研究[9，13]。

4.4 确定适宜的种质更新标准

贮存的种子衰老速度并非保持不变，经研究发现，种子在老化初期具有一个平台期，此时种子的发芽率下降速率缓慢，几乎保持不变，而后下降速率突然加快，即在较短时间内，种子的生活力显著下降。而当发芽率下降至一定程度时，种子衰老的速率反而再次降低。也就是说，种子的衰老速度总体呈现出“慢—快—慢”的变化趋势，种子生活力下降速度突然加快的点被称为种子的衰老阈值[13，22]。贮存种子时，应对其进行发芽率监测，在其活力下降至衰老阈值前进行种质更新。

4.5 探索新的贮存方式

为了更高效地进行种质资源的贮存，要加大研究工作力度，发掘新的种质贮存手段。目前，超低温贮存受到国内外广泛关注，通常指将种子贮存在低于-80℃的条件下，主要是液氮（-196℃）或液氮蒸气。理论上来说，在这种条件下，生物材料的生理代谢活动几乎停止，能有效降低甚至抑制基因突变，从而保持种质的遗传稳定性[2]。超低温贮存为种质资源的保护提供了新的思路，被认为是种质长期保存的理想方式。

4.6 建立稳定的科研队伍

种质资源的保护责任重大、工作繁重、任务艰巨且技术要求高，低温库种质安全保存的理论与技术研究较为迫切，包括种子生活力监测技术、遗传完整性测定技术、最佳繁殖技术等，而这些研究都离不开长期稳定的科研队伍。除此之外，国家应将种质保护作为一项长期的科研任务，每年投入固定的科研经费，持久稳定的进行种质资源的收集、保存、鉴定、评价等工作[2，23]。