生物资源领域国际发展态势研究及启示*

陈 方 丁陈君 郑 颖 宋 琪 吴晓燕

（中国科学院成都文献情报中心，成都610041）

生物资源是人类繁衍和发展最基本的物质基础，主要包括动物、植物、微生物有机体及由其组成的群落、种群和生态系统。生物资源在地球生物圈中发挥着重要的作用，首先，生物资源是人类繁衍和发展最基本的物质基础，为人类生产生活提供食物、药品、材料和燃料等必要保障；其次，生物资源是地球上物种多样性和遗传多样性的重要载体，与其生活的环境共同构成了多样性的生态系统和生态过程，对人类生存的气候和环境发挥重要的调节和保持作用；最后，各个年代和地域的生物资源所具备的独特美学、工程学等非物质特性，可供满足精神需求和带来创新启发，对多样性的文化发展和人类文明延续具有重要意义。

生物资源是一个国家保障和协调生态文明、经济发展、人民健康和生物安全的重要战略资源。1992年在巴西里约热内卢举行的联合国环境与发展大会上通过了《生物多样性公约》（Convention on Biological Diversity，CBD），旨在保护生物多样性、可持续利用生物资源、公平公正地分享利用遗传资源所产生的惠益。其后，在《生物多样性公约》框架下还通过了《卡塔赫纳生物安全议定书》（2000年）和《关于获取遗传资源和公正和公平分享其利用所产生惠益的名古屋议定书》（2010年），以合作应对借助现代生物技术获得的活性生物体的安全利用和转移方面的问题，促进公正、公平地分享利用生物遗传资源所产生的惠益。此外，《濒危野生动植物种国际贸易公约》《保护野生动物迁徙物种公约》《粮食与农业植物遗传资源国际条约》等也是这一领域的重要条约。

本文介绍了世界上主要国家和地区在动物资源、植物资源、微生物资源、标本资源和人类遗传资源等保藏和利用体系建设发展现状，以及国际生物资源研究与开发方面的前沿研究主题与进展情况，分析了国际生物资源领域发展趋势和挑战，并针对加强我国战略生物资源保护与利用提出了几点建议。

1 国际生物资源保护和利用体系建设发展现状

《生物多样性公约》明确指出：生物资源是指对人类具有实际或潜在用途或价值的遗传资源、生物体或其部分、生物群体或生态系统中任何其他生物组成部分，最好在遗传资源原产国建立和维持异地保护及研究植物、动物和微生物的设施。《生物多样性公约》对于“遗传资源的原产国”和“提供遗传资源的国家”均给出了界定，并且申明“各国对自己的生物资源拥有主权权利”。为了更好地保藏和利用自身的生物资源，世界主要国家与地区在动物资源、植物资源、微生物资源、标本资源等方面开展了一系列体系建设工作。

1.1 美国

美国高度重视对生物资源的保护与利用，每年投入大量研究经费，通过先进植物计划、特种植物研究计划、动物基因组研究蓝图、微生物组计划等，为美国生物资源的保护、研究和开发形成全方位、全链条的支撑与管理。

美国有1300个有关实验动物工作的生产与研究单位。1962年美国国立卫生研究院（National Institutes of Health，NIH）设立的国家研究资源中 心 （National Center for Research Resources，NCRR）资助建立了很多实验动物种质资源中心［1］，包括啮齿类实验动物资源中心、国家级非人灵长类实验动物中心、若干个实验基地，以及若干其他脊椎和无脊椎动物资源中心，例如突变小鼠资源中心、加利福尼亚国家灵长类研究中心、国家海兔资源中心、斑马鱼国际资源中心等。现代分子生物学、胚胎工程及低温生物学等手段的应用促进了实验动物种质资源商业化体系的发展，代表性企业包括美国的Jackon实验室、Charles River公司等。

植物种质资源是用来选育新品种的遗传原材料，是植物遗传多样性的表现形式。美国1946年颁布了《研究与市场法案》（The Research and Marketing Act），在该法案的指导下建立了4个专门用于保存、评价植物种质资源的区域性植物引种站。1990年美国国会批准建立国家遗传资源计划（National Genetic Resources Program，NGRP）负责对重要的种质资源进行获取、描述、保存、记录和分发等活动并进行信息化共享。在NGRP基础上，建立了种质资源信息网络系统（Germplasm Resources Information Network，GRIN），它由美国农业部农业研究局负责，网络服务器提供有关植物、动物、微生物和无脊椎动物的种质信息，GRIN系统的建立使种质资源材料更容易管理和操作［2］。美国国家植物种质资源系统（National Plant Germplasm System，NPGS）是农作物种质资源收集、保存、评价、鉴定、分发并信息化共享的平台。

在微生物资源的保存利用方面，美国有三个主要的信息和保藏中心，即美国真菌遗传学信息中心（Fungal Genetics Stock Center，FGSC）、美国典型菌种保藏中心（American Type Culture Collection，ATCC）以及美国农业研究菌种保藏中心（Agricultural Research Service Culture Collection，NRRL）。其中，ATCC的馆藏包括多种用于研究的生物材料，包括细胞系、分子基因组学工具、微生物和生物产品［3］；NRRL是世界上最大的微生物公共保藏中心之一，保藏着大约98000个细菌和真菌分离株［4］。

1993年美国国家自然历史博物馆（American Museum of Natural History）创建的生物多样性及保护中心（Center for Biodiversity and Conservation，CBC）和1859年成立的密苏里植物园（Missouri Botanical Garden）为美国标本资源的保护保藏和利用提供了条件。CBC将国家自然历史博物馆的科学、收藏和技术整合到美国和世界各地的各种项目当中，旨在通过提供广泛的科学和教育资源保护全球生物多样性。密苏里植物园是全美国最古老的植物园，是国家历史地标，它是植物研究和科学教育的中心，也是世界上最大的稀有和濒危兰花收藏地之一［5］。

在人类遗传资源的保护利用方面，美国着重于相关立法和政策实践，建立了基因专利的立法和一些实践中的约定，如《基因专利的立法》《统一生物材料移转合约（UBMTA）》《美国细胞培养暨储存中心示范合同》《大学示范合同》等。

1.2 英国

英国法律规定任何药品在作用于人体之前都需经过动物实验，每年开展大量动物实验，拥有全欧洲最大的动物实验企业亨廷顿生命科学公司（Huntingdon Life Sciences），2015年与 Harlan实验室等合并后成为全球性的Envigo公司。与此同时，英国政府长期致力于减少动物实验规模，推动非动物实验研究的技术改进。英国是最先提出动物实验的“3R”原则的国家［6］，即 Replacement（替代）、Reduction（减少）和 Refinement（优化），并制定了第一部规范动物实验的法律。

英国皇家植物园邱园（Royal Botanical Garden，Kew）始建于1759年，目前已成为规模巨大的世界级植物园和全球重要的植物研究中心，藏品超过850万件，约占现有维管植物属的95%和真菌属的60%。此外，邱园内还有标本馆、图书馆和全球最大的野生植物种子库“千年种子库”。千年种子库项目（Millennium Seed Bank Project）启动于2000年，是世界上最宏伟的植物保护项目。千年种子库收集保存了全球24000份重要和濒危的种子，计划到2020年增加25%［7］。目前，全球多家科研机构专家正在邱园组织下开展全球植物普查调研行动，以年度报告的形式展现全球植物面临的问题，为相关政策制定提供详实的资料基础。

英国国家菌种保藏中心（The United Kingdom National Culture Collection，UKNCC）和英国食品工业与海洋细菌菌种保藏中心（National Collections of Industrial，Food and Marine Bacteria，NCIMB）是英国微生物资源的重要保藏中心，UKNCC提供的生物包括模式细菌和参考细菌菌种资源，涉及临床、兽医等多种领域；NCIMB主要从事分类学、分子生物学的研究和采用冷冻干燥方法保藏菌种。

英国皇家植物园标本馆（邱园标本馆）是英国最大的植物标本保藏机构和世界上最重要的标本馆之一。邱园标本馆收藏有世界各地约700万份植物标本，代表了地球上95%的维管植物属和33万种类型标本。邱园的真菌标本馆于1879年建立，总共收藏有125万份干燥样品，其中大约有37.5万个来自英国的标本，是世界上最古老、最大与最重要的真菌收藏机构［7］。

在人类遗传资源上，英国早在2000年就建立DNA银行网络，开始正式对人类遗传资源进行大规模的收集与利用，并针对一些大病和常见病重点收集储存如晚期阿尔茨海默氏症、抑郁症等相关遗传资源样本。此外，英国曼彻斯特大学基因组医学综合研究中心也提供人类遗传资源的相关服务。

1.3 日本

日本对动物资源的保藏利用机构主要包括日本理化所生物资源中心（RIKEN BioResource Center，RIKEN BRC）、日本实验动物中央研究所（Central Institute for Experimental Animals，CIEA）、日本熊本大学生命资源开发与分析学院（Institute of Resource Development and Analysis Center，IRDA）和筑波大学实验动物资源中心等。成立于2001年的RIKEN BRC是亚洲最大的生物资源中心，主要目的是收集、保存和分配各类生物资源：啮齿类模型、植物模型、人源及动物来源的细胞系、遗传材料、微生物资源（放线菌、古细菌、丝状真菌、酵母）等。目前BRC收集了6000余种用于研究人类疾病和基因功能的小鼠模型。此外，BRC还保存有拟南芥种子、DNA和养殖的细胞用于对环境、食物以及新材料生产的研究。CIEA是日本最早提供无特定病原（Specific Pathogen Free，SPF）级小鼠的单位，也是日本最早建立无菌级小鼠的单位，建立了很多特有小鼠和狨猴模型资源等。IRDA下属的动物资源开发研究部门以保存、供给和开发转基因小鼠为目的，建成于2000年，主要以小鼠品系的冷冻保存为基础，建有动物相关的数据库——CARD R-base（Resource Database），截至2019年7月1日，该数据库保有2172个小鼠品系。筑波大学实验动物资源中心主要保存大小鼠和山羊资源，其中以小鼠最为突出（存有8万只小鼠，其中基因敲除小鼠600多种）。

植物资源方面，日本对农业及食物资源较为侧重，相关的机构有国家农业生物科学研究所（National Institute of Agrobiological Sciences，NIAS/NIAES）、日本农业科学研究中心（Japan International Research Center for Agricultural Sciences，JIRCAS）和国立渔业研究所（National Research Institute of Fisheries Science，FRA）。NIAS从2016年4月1日起纳入日本进行农业和食品研究和开发的核心机构NARO，其种质资源保存体系包括了植物种质资源库、动物种质资源库、微生物库、DNA库、水生生物种质资源库和森林树种收集区。JIRCAS是在其前身热带农业研究中心（Tropical Agricultural Research Center，TARC）重组后于1993年10月成立的［8］，旨在为农业、林业、渔业和相关产业技术进步进行信息搜集和综合实验研究，同时致力于为全球粮食和环境问题以及稳定的农、林、渔产品和资源供应做出解决方案。FRA由水产研究局和国立水产大学合并而成，于2016年4月1日成立，主要负责渔业相关的研究和实验运用以保证水产品的供给和渔业产业的稳定发展。

日本技术评价研究所生物资源中心（NITE Biological Resource Center，NBRC）是日本半政府性质菌种保藏中心，主要从事农业、应用微生物、菌种保藏方法、环境保护、工业微生物、普通微生物、分子生物学等的研究。此外，NBRC生物资源目录还提供微生物基因组DNA和人类cDNA资源的概述等各种信息。

日本国立科学博物馆（Type Collection in the Herlarium of National Museum of Nature and Science，TNS）成立于 1877年［9］，是日本最古老的博物馆之一，研究、收集并展览动植物、细菌、真菌等标本和材料，现收藏了超过370万个标本。分子生物多样性研究中心成立于2006年7月，主要收集和储存DNA研究材料、DNA数据和提取DNA标本的综合设施，旨在促进生物多样性研究的发展。东京大学综合研究博物馆（The University Museum，The University of Tokyo）拥有世界知名的植物标本馆，馆藏有丰富的东亚植物标本，其中有丰富的报春花科植物标本，众多是在泛喜马拉雅地区采集，有大量模式植物标本。

1.4 德国

德国联邦食品和农业部（Bundesmisterium für Eraährung und Landwirtschaft，BMEL）是动物实验监管和实验动物保护的政府主管部门，负责制定、修订和实施相关法律和条例。1957年德国建立了中央实验动物研究所，旨在利用实验动物领域中的研究工作促进科学发展。

马克斯普朗克植物育种研究所（Max-Planck-Institut für Planzenzüchtungsforschung，MPIPZ）主要开展植物基础分子生物学研究，其目标是改进传统与种方法，为作物开发环保的植物保护策略，主要关注植物的进化，植物基因蓝图、发育及其与环境的相互作用。

德国的国家菌种保藏中心——微生物菌种保藏中心（Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen，DSMZ）成立于 1969年，旨在研究、收集和利用微生物和细胞生物多样性。DSMZ保藏中心的研究人员开发了许多成功的生物信息学工具和数据库，如对原核生物搜索工具（Bac-Dive、TYGS、PNU-LPSN、GGDC、VICTOR等）及对真核生物研究的微卫星在线分析工具等［10］。DSMZ目前拥有7万多种生物资源，其微生物开放性馆藏包含近3万种培养物，代表大约1万种和 2000属［11］。

德国柏林大莱植物园（Botanischer Garten und Botanisches Museum Berlin-Dahlem，BGBM）始建于1679年，保存了极为丰富的植物物种资源。同时，BGBM与柏林自由大学的其他研究所一起组建了大莱植物科学中心（Dahlem Centre of Plant Sciences，DCPS）。BGBM坚持以地中海植物和热带植物为研究重点，研究水平始终处于世界前沿。

1.5 中国

中国是《生物多样性公约》《卡塔赫纳生物安全议定书》《名古屋议定书》的缔约国，成立了国家生物多样性保护委员会，制定了《生物多样性保护战略与行动计划（2011—2030年）》《联合国生物多样性十年中国行动方案》等文件，持续开展相关履约工作并取得显著成就。作为生物资源与生物多样性大国，我国高度重视生物资源的保护保藏与研究开发。

在动物资源方面，我国实验动物资源库开展相关实验动物种质资源及其相关生物资源的收集、保存、鉴定以及疾病动物模型等相关研究和动物资源信息共享工作。2006年建立的中国科学院实验动物资源平台联合全国多家实验动物种子中心，共享多种遗传工程实验动物品系和实验设备，围绕战略生物资源服务网络计划，力求在生命科学领域开发拥有自主知识产权的新型实验动物模型，保障国家重要科研项目顺利开展和实施。

在植物资源方面，我国目前已经建成国家农作物种质资源、国家林木种质资源和国家重要野生植物种质资源三大植物种质资源共享服务平台。中国科学院形成了以“三园两所”（即武汉植物园、华南植物园、西双版纳热带植物园以及植物研究所和昆明植物研究所）为代表的植物园和植物科学学科体系，并在近年逐步拓展。

我国国家微生物资源平台（National Infrastructure of Microbial Resources，NIMR）以中国农业微生物菌种保藏管理中心等9个国家级微生物资源保藏机构为核心，整合了我国农业、林业、医学、药学、工业、兽医、海洋、基础研究、教学实验等领域的微生物资源。平台近年来注重特殊生态环境微生物资源的整合，极大地丰富了库藏资源的多样性。

由中国科学院动物研究所国家动物博物馆牵头，联合中国科学院多个研究所下属的17个标本馆/博物馆，正努力建成世界范围内具有重要影响力的生物标本保藏中心和全国乃至亚洲最大的生物学知识传播中心。

在人类遗传资源方面，中国科学院建有细胞库和干细胞库、中华民族永生细胞库、人类资源样本库等，为我国生命科学研究、生物技术创新及产业发展提供高质量生物遗传资源和高水平的专业技术服务，2019年获批组建国家模式与特色实验细胞资源库。目前，中国科学院细胞库已完成所有细胞资源的规范化和数字化整理，有400多种细胞可对外提供资源共享服务，是全国范围内细胞种类最全、供应量最大的资源中心之一。

2013年启动建设的中国生物多样性监测与研究网络（China Biodiversity Observation Nework，SinoBON）已建成了覆盖全国30个主点和60个辅点，包含针对动物、植物、微生物等多种生物类群的10个专项监测网和1个综合监测管理中心。2014年，SinoBON被亚太地区生物多样性监测网络（Asia-Pacific Biodiversity Observation Network，AP BON）和全球生物多样性监测网络（Group on Earth Observations Biodiversity Observation Network，GEO BON）正式接受成为其成员网络。

1.6 其他地区和国家

除上述提及的主要国家外，全球其他多个地区和国家也在生物资源的保护、保藏和利用上开展了一定体系建设工作。

欧盟在《2010—2020年欧洲生物多样性研究战略》中规划了欧洲重点关注生物多样性研究领域；并以欧洲研究基础设施联合体为基础开展了生物资源科研信息化建设，支持服务、工具集成、工作流程等的信息化基础设施的建设。在植物资源方面，2012年欧盟投资建立植物科学网络ERA-CAPS，协调和整合欧洲以及其他国家和地区的植物科学研究信息；2014年美国国家自然科学基金会和英国生物技术与生物科学研究理事会共同资助拟南芥信息门户（Arabidopsis Information Portal，AIP）的建设。在微生物资源方面，生物信息资源导航（Common Access to Biological Resources and Information，CABRI）为全球科研团队提供多个数据库入口，尤其是生物学和遗传学资源，如有关细菌和弓形虫、真菌、酵母、质粒、抗菌素、动物与人类细胞、DNA探针、植物细胞、植物病毒的资源。2013年9月正式建立的欧洲生物样品库与生物分子资源研究基础设施（Biobanking and Bio-Molecular Resources Research Infrastructure，BBMRI）的欧洲生物银行网络（European Biobanking Network）是欧洲层面生物样本资源库。2017年3月，欧盟批准建立了隶属于欧洲研究基础设施联合体（European Research Infrastructure Consortium，ERIC）的生物多样性和生态研究的科研信息化（e-Science）和技术欧洲基础设施（LifeWatch）［12］。

加拿大尤其重视植物资源。关于植物遗传资源保护的法规包括《植物种质系统获取政策》、《植物保护法》。此外，加拿大植物基因资源保护（Plant Gene Resources of Canada，PGRC）和国家自然资源保藏（Nature Conservancy of Canada，CNC）项目于2002年启动，保护和保育加拿大农业遗传资源，并为国内和国际上的遗传材料提供鉴定服务。

俄罗斯面向公众开放的莫斯科大学数字植物标本馆，整理了俄罗斯最大的生物多样性数据库，建成的俄罗斯最大数字标本馆已于2018年上线。莫斯科大学标本馆藏品已有一百多万份标本，数字化水平达到馆藏量的89%。此外，俄罗斯计划创建俄罗斯植物名录分布数据库。

澳大利亚在生物资源保存利用上更加重视生物多样性。由联邦科学与工业研究组织（Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization，CSIRO）、国家公园理事（Director of National Parks，DNP）、国家植物园（Australian National Botanic Gardens，ANBG）和可持续发展、环境、水、人口和社区部（Department of Sustainability，Environment，Water，Population and Communities，SEWPaC）联合建立的澳大利亚国家生物多样性研究中心（Centre for Australian National Biodiversity Research，CANBR），旨在监测澳大利亚环境的生物多样性，为本地植物建立分类体系，并记录其地理分布和生态关系，解决生物多样性丧失这一挑战。CANBR还包括澳大利亚国家标本馆（Australian National Herbarium，ANH）和一个独立的数据库——综合植物信息系统（Integrated Botanical Information System，IBIS）。在植物标本方面，澳大利亚新南威尔士州政府拟建千万级容量的大型植物标本馆，将容纳140多万株植物标本，并命名为澳大利亚植物科学研究所［13］。此外，创建于1816年的悉尼皇家植物园（The Royal Botanic Garden，Sydney）内收集展示了大量热带和亚热带植物，园内有南威尔士国家标本馆。南威尔士国家标本馆是澳大利亚两大标本馆之一，以收集澳大利亚植物为主。

2 国际生物资源研究与开发进展

近年来，生物资源研发领域在传统生物资源保藏和保护手段和工具的基础上，结合信息科技和生物科技领域的前沿技术，例如人工智能、数据库和数据分析相关技术、合成生物学、第三代测序技术等，在新资源的收集、保藏、分类、鉴定，生物多样性检测、保护以及资源的开发利用等方面取得了许多成果。

2.1 生物资源保护和保藏

2.1.1 标本数字化

生物标本是过去和现在动植物信息的主要保存者，是人类认识、利用自然的历史见证和档案，是物种多样性最直接的凭证，同时也是生物资源研究和保护的重要科技资料。标本数字化主要涉及以下几个方面：将物理对象转换为高质量数字图像；将相关描述性文本转换为电子记录：将模拟声音和动作记录转换为数字表示。

随着生物信息学的快速发展，生物标本作为生物多样性信息学发展的重要载体已被越来越多的国家和机构重视。例如截止到2019年6月底，美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）资助的“促进生物多样性收藏数字化”计划［14］创建的生物标本综合数字化平台iDigBio数据库已实现从动植物到化石等接近12亿份的标本数字化。澳大利亚国际生物多样性数据库（Atlas of Living Australia，ALA）主要汇集了物种和环境两种基本要素的信息，并以不同方式共享和分析这些数据，帮助科学研究、环境监测、生物多样性保护规划，以及教育和公民科学活动等。现已完成8523万份标本数字化。标本的分布信息字段是标本采集信息中关键的字段之一。全球生物多样性信息设施（Global Diversity Information Facility，GDIF）已收集超过13亿的物种分布记录，为科研人员提供更为准确和方便的分布信息。

由于数据库的发展，以前专注于少数物种或单一植物群落的研究现在都可扩展到全球水平。实现大规模的标本数字化将有助于科学家利用大数据在全球范围内解决主要的生物多样性问题，包括生物多样性保护及其演化的预测到缓解气候变化的影响等。但目前使数据库能够顺利地相互协作仍是科学界使用生物标本大数据的重大挑战，每个系统中的数据通常以不同的方式收集，实现数字化信息管理的科学性和完备性，开发数字信息的管理、保藏的接口标准，实现数字化信息的规范性和一致性，将多个系统集成并无缝连接是未来技术发展的主要方向。此外，随着深度机器学习和人工智能等技术的进一步发展，让计算机使用大型复杂数据集的神经网络，解决自动化识别标本和进行物种分类已成为可能。这些新技术的应用极大地减少了植物学家收集和识别标本的时间，还能帮助改进标本数据贫乏地区的植物鉴定水平，并对标本数据进行额外的分析和挖掘，获取更多有用的信息。

2.1.2 环境DNA技术

全球生物多样性的持续下降是人类面临的重大危机和挑战，再加上缺乏了解生物多样性状态和分布情况的有效监测方法，从一定程度上加剧了这种现状的威胁程度。环境DNA的概念于上世纪80年代被首次提出，即直接从环境样品（土壤、沉积物、水等）获得遗传物质，是一种有效、无创且易于标准化的取样做法。在2010年前后，还有研究者逐渐将环境DNA技术引入海洋调查中。目前，环境DNA与DNA宏条形码技术相结合，已成为生物多样性监测有力的新型工具。

研究人员从环境样本中提取出物种DNA，并将从中获得的遗传标记序列与DNA数据库中的序列相比对，从而确认分析的DNA来自什么物种。因此，建设拥有综合全面、高质量DNA序列的数据库是环境DNA技术发展的重要基础。此外，结合海水中各种复杂的化学和物理过程，构建环境DNA研究的相关计算模型，环境DNA技术将发挥更大的作用。

2.2 生物资源鉴定研究

2.2.1 DNA条形码

基于序列分析的DNA条形码（DNA barcoding）技术是目前影响较大、应用最广泛的DNA鉴定技术之一。该技术的应用可以极大地节约物种识别的时间，提高识别精度，同时也是生物学家进一步了解生态系统内发生的相互作用的有效工具。DNA条形码的研究内容主要体现在类群、群落和区域等三个水平，相应地在物种鉴定、系统发育关系构建和生物多样性资源保护等研究中发挥重要作用，例如，始于2007年的“国际生命条形码”（international Barcode of Life，iBOL）计划继2015年完成第一个项目BARCODE 500K，为50万种物种提供了DNA条形码之后，于2019年6月启动为期7年的后续工作——BIOSCAN项目，将识别全球2500个地点的生物群体，同时扩展用于诠释这些数据的DNA条形码数据库，旨在将其参考文库扩大到1500万条条形码记录，与此前专注于已知物种提取条形码不同，此次研究的条形码中90%来自未描述的物种［15］。未来，结合快速、廉价、小型的DNA测序仪的新型DNA条形码技术将为生物大发现开启全新篇章。

2.2.2 动物标本三维重建技术

基于显微CT、激光共聚焦显微镜、连续组织切片、核磁共振、透射电镜、聚焦离子束、结构光显微镜等成像技术，结合计算机三维重建方法，可以真实而直观的反映物体的空间形貌，越来越多地被应用于动物分类学研究领域。通过三维可视化技术，可以真实的、全面的反映出动物重要特征的立体结构，从而为物种鉴定提供了全新的视角和更多的可用特征。随着深度学习和人工智能技术的快速发展，动物结构的三维可视化和人工智能大数据平台的广泛建立，为动物结构的三维可视化和物种快速识别、鉴定带来了新的契机。通过此项技术，不仅可以快速提高三维可视化的重建速度，也可为后期的动物物种快速识别、鉴定提供可靠的技术支撑，对系统发育、个体发育、形态与功能、进化、仿生机制等方面的研究也具有重要的指导意义。

2.3 生物资源开发和利用

2.3.1 全基因组测序和功能基因挖掘

基因组测序技术是现代分子生物学研究中最常用的技术，DNA序列分析在现代生物学和生命科学中扮演着重要的角色。全基因组测序具有信息全面、精确、高效等优点，尤其能对未知基因和未知结构变异进行高效探索。凭借算法和计算性能的不断优化，基因组、转录组、表观基因组变异检测技术不断更新，基因组测序技术为开展生物学研究提供了丰富的数据，在有效挖掘生命科学关键信息方面发挥着越来越重要的作用。

此外，第三代基因测序技术凭借其在读长和测序速度方面的优势，已帮助研究人员获得了许多高质量的基因组图谱，尤其是针对基因组庞大、多倍化且存在大量重复区域的植物基因组，例如乌拉尔图小麦A基因组。由20个国家的研究人员组成的国际小麦基因组测序联盟（International Wheat Genome Sequencing Consortium，IWGSC）在制作面包的小麦的21条染色体上鉴定了10.7万个基因，成功绘制了最完善的小麦基因组图谱［16］，为利用分子设计育种培育小麦新品种奠定了理论基础。在动物基因组测序方面，研究人员结合Illumina短读长和PacBio长读长测序技术，对多种动物基因组进行全面解析［17］。对物种的全基因组测序对挖掘和利用相关功能基因、阐明起源驯化机制及研究遗传多样性方面都具有重要意义。

2.3.2 合成生物技术

合成生物学是近几年来迅速崛起的以应用为导向的多学科融合的交叉学科，以此为基础发展起来的合成生物技术也可应用于动植物资源种质创新及特色优异遗传资源挖掘和利用。在种质创新方面，美国加州理工学院的科学家在构建了能够生产碳—硅键的生命体之后，又首次创造出能生产硼-碳化学键的大肠杆菌，并且这种细菌的生产速度比普通化学反应快400倍［18］。中科院分子植物科学卓越创新中心覃重军研究团队在国际上首次成功改变了真核染色体的数目，人工创建出含有单条染色体的酵母细胞［19］，成为合成生物学领域的里程碑。在遗传资源挖掘利用方面，美国桑迪亚国家实验室研究人员构建了高效高产的大肠杆菌，可以将木质素转化为化学品［20］，为创建更多的化学品生产平台、工程途径，并扩展到大肠杆菌以外的微生物宿主提供了可行的路径。中科院天津工业生物技术研究所与云南农业大学合作，首次实现治疗心脑血管疾病的中成药灯盏花素全合成［21］。该研究成果为实现灯盏花素的规模化工业发酵奠定了基础，大幅降低了生产成本。中科院青岛能源所研究人员构建了“定制化”的工业微藻细胞工厂，有助于生产自然界不存在或稀有的、具有特殊燃料特性或营养功效的“特种TAG”打开了大门［22］。中国农科院研究团队在黄瓜重要农艺性状的关键基因解析，以及优质多抗种质资源创制方面也取得了显著进展［23］。云南师范大学等研究机构利用基因组学和合成生物学为指导，利用二倍体马铃薯进行分子设计育种，革新了马铃薯的育种和繁殖方式［24］。尽管上述某些改良的细胞目前还没有任何实际应用，但仍展现出合成生物学在医药、能源、农业等领域的应用潜力。

2.3.3 计算机辅助技术

人工智能自1956年首次提出以来近年来迅速发展，理论和技术日渐成熟，应用领域不断扩大。利用人工智能相关技术监测和保护生物多样性，挖掘和利用新型种质资源等研究已成为生物资源领域的研究热点。由联合国开发计划署（U-nited Nations Development Program，UNDP）、联合国环境署（United Nations Environment，UNE）和生物多样性公约秘书处共同启动的联合国生物多样性实验室将采用人工智能进行自动化监测，持续提供可持续发展大数据，以支持人类健康和地球相关的规划［25］。

计算机辅助蛋白结构预测以及设计策略也取得了快速进展，已成为酶功能改造领域的多学科交叉研究热点。2016年，蛋白质计算设计被《科学》杂志遴选为年度十大科技突破。2018年12月4日，谷歌继“阿尔法狗”之后推出的“深度思维”的最新人工智能“阿尔法折叠”（AlphaFold）程序，可根据基因序列成功预测蛋白质的3D结构。中国科学院微生物研究所通过使用人工智能计算技术，构建出一系列的新型酶蛋白，并首次通过完全的计算指导，获得了工业级微生物工程菌株，开启了新一代生物制造［26］。哈佛大学和哈佛医学院利用深度学习直接从氨基酸序列中预测蛋白质基本特征，这种方式是继定向进化和理性设计之后第三种蛋白质设计方法［27］。华盛顿大学成功利用蛋白质结构预测的Rosetta算法平台从头设计出抗癌蛋白［28］和可根据环境变化而发生构象变化的人造蛋白［29］。

借助计算机辅助设计工具，基因工程师在基因电路设计时避免了以往利用人工设计费时费力和易错困境，实现了复杂遗传电路设计过程的自动化。现有的工具如Cello、j5和iBioSim等可以将电路编织成全基因组或设计数千种突变体来检测基因、酶或蛋白质结构域的不同组合，并预测其功能［30］。

3 国际生物资源发展趋势及我国发展建议

3.1 生物资源是国家发展的重要战略资源

生物资源在国家保障和协调生态文明、经济发展、人民健康和生物安全方面具有重要战略价值，加强战略生物资源的保护、研究和利用意义重大。

第一，生物资源是保护国土生态文明的重要战略资源。生物资源是自然资源的有机组成部分，丰富的生物多样性和良好的生态环境是国家和区域可持续发展的必要基础；珍惜和保护生物资源，维护生物栖息地与维持生态系统平衡，体现其社会功能与文化价值，对于人与自然的协调发展至关重要。

第二，生物资源是保障国民生命健康的重要战略资源。生物资源是生命科学与生物技术创新的源头资源，粮食、农业和畜牧业遗传资源的持续稳定供应是保障人民温饱的基本条件；人类遗传资源相关材料和信息是现代生命科学与民族医学发展的关键资源；收集、保藏和鉴定现有生物资源，探索和挖掘野生、珍稀与特殊生物资源，改良和创制新型生物种质资源，将为国民营养与健康、公共卫生与安全提供重要保障。

第三，生物资源是保持国家经济发展的重要战略资源。生物资源是生物经济可持续发展的重要基石，可再生的生物质资源能够为各类材料、化学品和能源需求提供可持续原料供应，利用生物体（动植物、微生物和酶、细胞等）的功能生产有用物质或改进过程的生物技术驱动的产业已经成为国民经济行业的重要组成部分；基于生物科技及相关科技的研发与创新，有序开发和合理利用各类生物资源，可为农业、医药、能源、工业发展和环境治理提供基础原料保障和绿色解决方案。

第四，生物资源是保卫国门生物安全的重要战略资源。生物资源的保护开发利用是国家主权权利和核心利益的重要组成；保护生物遗传资源及传统知识免于生物剽窃和掠夺，公平公正地获取和分享利用遗传资源所产生的惠益，防治外来有害生物物种入侵，防控灾难性生物事件风险与防御生物恐怖威胁，是维护国家生物资源主权与生物安全的现实要求。

3.2 生物资源与生物多样性面临严峻挑战

目前，全球生物资源保护和可持续利用正受到前所未有的挑战。联合国于2010年在日本名古屋正式通过了《2011—2020年生物多样性战略计划》及20项爱知生物多样性目标，但是持续的全球评估显示，目前的情况距实现其中的绝大多数目标还有相当大的差距［31］。

第一，全球生物多样性丧失威胁巨大。联合国生物多样性和生态系统服务政府间科学政策平台（Intergovernmental Science-Policy Platform on Biodiversity and Ecosystem Services，IPBES）发布的《生物多样性和生态系统服务全球评估报告》［32］显示，全球物种种群正在以人类历史上前所未有的速度衰退，物种灭绝的速度正在加速，近百万种物种可能在几十年内灭绝，对世界各地造成严重影响。主要原因包括土地与海洋的使用变化、资源过度利用、气候变化、环境污染及外来物种入侵等。

第二，地球环境破坏和生态系统退化问题严重。全球气候变化加剧，极端天气事件和自然灾害频发，导致生态系统的稳定性受到持续威胁和破坏，全球超过一半的植被都出现了“褐化”趋势［33］；工业废物排放、海洋塑料污染等问题治理亟待解决，生物栖息地进一步遭到破坏，生物生存空间极度压缩和碎片化。

第三，遗传资源的惠益分享仍然存在争议。由于生物资源蕴藏巨大的研究价值和产业前景，是未来生物经济时代基因工程不可替代的宝贵原材料，其引发的商业竞争与知识产权贸易纠纷逐年上升，围绕生物遗传资源及数据资源的生物剽窃和信息窃取事件时有发生，全球遗传资源获取和多边惠益分享机制尚未达成。

第四，生物资源相关新兴技术的管理存在挑战。例如对于人工合成生物体和基因编辑作物作为食品和饲料方面的技术监管，以及遗传资源数字序列作为新形式的大数据资产的管理等。2017年10月，《生物多样性公约》成立了一个由全球25位专家组成的“遗传资源数字序列信息专家技术组”，专门讨论生物遗传大数据适用公约保护宗旨的相关问题。

第五，与生物资源相关的生物安全形势日趋严峻。由高致病性病原微生物引发的未知流行性疾病暴发趋势抬头，同时，现代生物技术的颠覆性发展大大提升了人类操作生物体的能力和水平，生物技术误用、谬用可能带来的生物安全风险有增无减。

3.3 加强我国战略生物资源保护与利用的建议

我国是生物多样性大国，是世界上生物资源最丰富的国家之一；随着国内生物技术产业的快速发展，在遗传资源的利用上也已成为主要的技术领先国家。另一方面，我国人口众多、人均资源占有量低，资源约束趋紧、环境污染严重、生态系统退化、生物安全风险巨大。党的十九大以来，我国高度重视生态文明和绿色低碳循环经济体系的建设，逐步加强战略生物资源保护与利用。为此，本文提出以下发展建议：

第一，在“美丽中国”建设的指导体系下，面向战略生物资源的可持续利用与发展更新制度框架体系，制定我国面向2050年的生物多样性保护战略目标，完善相关法律法规体系，加强生物安全和生物伦理问题的监管。

第二，加强生物资源与生物多样性保护和生态环境建设，加强我国生物资源的普查、收集和保藏，重视野生种质资源和特殊生物资源的挖掘与利用，创建特种资源保藏体系。开展生物多样性观测和评估，查明存在的突出问题并及时采取对策。

第三，加强生物资源相关学科和技术的研究与开发，加强生物资源与生物多样性研究的基础设施建设和数据平台建设，利用现代生物技术开展生物资源的功能评价与挖掘，促进新技术的交叉融合，拓展极端环境和海洋生物资源的持续开发利用等。

第四，发展基于可再生生物资源循环利用的生物经济新模式，重视生物质资源的开发与高效综合利用，推进基于微生物资源开发的现代生物技术研发与产业应用，提升我国生物产业的核心知识产权有效供给。

第五，拓展生物资源保藏保护体系的社会服务功能，加大公众科普宣传力度，扩大国际信息交流与合作，动员发挥全社会和全球伙伴力量，为促进达成2020后全球生物多样性框架目标和联合国可持续发展目标而共同努力。