植物遗传资源的保存与利用研究(一)

植物遗传资源的保存与利用研究(一)

摘要:植物遗传资源是人类赖以生存和发展的物质基础,是人类开展栽培、育种和生物学研究的基础材料。植物遗传资源的保存对生物多样性、生态平衡、农业未来的发展具有十分重要意义。本文主要就利用原生境和非原生境的方式保存植物遗传资源,从高产、优质、抗病虫、抗旱、高肥效等方面进行了系统研究,它对于植物遗传基因的挖掘和利用研究具有一定的参考。

关键词:植物遗传资源;保存;利用

植物遗传资源是生物多样性的重要组成部分,是地球上极为重要的财富,是人类生存和发展的重要物质基础。作物遗传资源也称种质资源,是具有特定种质或基因,可用于栽培、育种和生物学研究的各种生物类型的总称。长期以来,人类对作物遗传资源的保存缺乏足够的认识和重视,遗传资源流失加速,遗传多样性减少和一致性增强,其后果是导致作物遗传脆弱性和病虫害的暴发而造成农业损失,并影响农业的可持续发展。

1.植物遗传资源保存的紧迫性

1.1人类活动的加剧,加速了植物遗传资源的流失

随着人类认识自然、改造自然能力的不断增强,人口增长,对资源的需求增多,特别是对资源不合理的过度开发与利用,加速了作物遗传资源的流失。N.Meuers(1988)估计在过去2亿年间,大约每27年有一种高等植物灭绝,而现在的灭绝速度是自然灭绝速度的1000倍(E.O.Wilson1988)。我国云南景洪原有野生稻分布点26个(1968年),现仅剩1处;江西东乡原有野生稻分布点7～8个(1978年),现仅有2处。这些种质的消失,是难以用任何现代生物技术重新创造的。

1.2遗传多样性的减少,导致遗传脆弱性和病虫害的暴发造成农业损失

20世纪以来,随着新品种的大量推广,少数品种成为优质品种,品种遗传的多样性减少,遗传基础越来越狭窄,现代品种基因的等位性变异愈来愈少。建国初期,我国有1万个小麦品种(主要是农家品种)在种植使用,到20世纪70年代仅存1000个品种。我国育成的小麦品种数百个,其亲本大都离不开14个骨干亲本。贾继增等用分子检测方法证明现代选育品种遗传多样性最差,地方品种较好,野生种遗传多样性最丰富。用RFLP标记在14个普通小麦品种各条染色体的472个位点进行遗传多样性检测,发现283个位点有多态性,其中硬粒小麦与粗山羊草杂交后染色体加倍育成的Synthetic持有等位变异175个,10个品种间杂交育成的品种只有0～7个。美国在过去100年间,玉米品种丧失91%,西红柿品种丧失81%。作物品种单一化和遗传基础狭窄,增加了作物对病虫害抵抗能力的遗传脆弱性。19世纪40年代,爱尔兰马铃薯晚疫病流行,造成200万人移居美国,50万人死亡。

1.3作物遗传资源的保存,关系到农业的可持续发展

农业的发展历史,充分证明植物遗传资源在农业发展中具有不可替代的重要作用。洲际引种开创了高产作物引种,使农业总产量提高1倍;石油农业虽使作物产量进一步提高,但也带来了环境污染、作物倒伏等问题的出现。1960年左右小麦、水稻等矮秆基因的开发和利用,标志着第三次农业发展“绿色革命”开始了。杂交水稻之父袁隆平发明的“水稻野败型雄性不育株转育成不育系”,开创了我国“三系”配套杂交水稻生产的新局面。农业未来的发展取决于人类对植物遗传资源的保存和广泛利用,用一种生产效益型、资源节约型、环境保护型、食物安全型的可持续发展农业方式代替传统的农业运作方式。

1.4遗传资源是人类赖以生存和发展的物质基础,应进行科学分析和客观评价

对植物遗传资源的科学分析和评价是推广利用的前提,特别是利用现代生物技术从分子水平上研究遗传多样性。随着生产发展,人民生活水平的提高,对品种的要求越来越高,也越来越多,而任何一个品种和类型都不可能具有与社会发展需要完全相适应的性状(基因),必须通过育种途径来实现这一需要。育种工作就是要按人类的意图对植物遗传资源进行加工、改造、选

择和培育出符合人类需要的品种,遗传资源为人类提供食品、药品,并为人类构建了良好的生态环境。

2.植物遗传资源的保存方法

保存就是人类利用生物圈(即全部生物)的管理,使其能给人最大的持久利益,并保持其潜力以满足后代人的需要和愿望。植物遗传资源的保存是以天然或人工创造的适宜环境保持样本一定数量和原有生活力及遗传性,使生物个体的遗传物质具有完整性,并能通过繁殖将其遗传物质传递下去,减少繁殖过程中的遗传漂变。保存可采用自然(原生境)和基因库(非原生境保存)相结合的方法。

2.1原生境保存

原生境保存是指在原有生态环境中,就地进行繁殖保存。可通过建立自然保护区或天然公园等途径来保护野生及近缘植物物种。据国家林业局保护司数据显示,截至2003年底,我国现有的各级各类自然保护区共有1999处,面积为14398万km2,占国土总面积14%左右。建有3个国家级珍稀野生植物保护区:广东高州和江西东乡的野生稻保护区,山东垦利野生大豆保护区,我国卧龙山、长白山和鼎湖山三处被列为国际生物圈保护区。

2.2非原生境保存

非原生境保存是指将植物遗传资源迁出植物原有生态环境以外的地方进行保存的方式。2.2.1植株保存。可采用种质圃、植物园等保存植物遗传资源的种子或无性繁殖器官的生活力。该保存方法为使植物遗传资源保持一定数量,必须隔一定年限(1～5年)种植繁殖一次。特别适合于产生顽拗型种子的植物(如槭树、七叶树等)。这种种子在干燥(种子水分低于12%),低温(10～15℃)的条件下迅速失去活力。

2.2.2种子保存。主要通过保存种子的种质库来完成。根据库温、保存年限、相对湿度可分为:(1)短期库:库温10～15℃,相对湿度60%,种子含水量为8%左右。主要是临时贮存应用材料,并分发供种子研究、鉴定、利用。种子存放于布袋或纸袋,可保存2～5年。(2)中期库:库温0～10℃,相对湿度60%,种子含水量为7%左右。以中期贮存为目的。种子存放于玻璃瓶或纸袋,可保存15年以上。(3)长期库:库温为-18℃或-20℃,相对湿度50%,种子含水量为5～7%。为种子长期贮存,为保证遗传完整性,一般不分发种子。种子存放于种子盒或小铝盒,可保存50年或更长。

2.2.3离体保存。主要是利用细胞具有全能性的特点,采用试管保存细胞培养物质或组织和超低温保存。陈振光于1985年将柑橘试管苗培养在20℃、12h光照条件下,不做转移继代培养保存长达13年。我国建立的马铃薯和甘薯试管苗种质库保存900份和1600份。

超低温保存是利用超低温冰箱(-80℃)、干冰(-79℃)、液态氮(-196℃)、气态氮(-140℃)保存细胞或组织。目前,豌豆和苹果茎尖在液态氮中贮藏时间最长,1～2年后仍有60%以上培养物分化植株。

2.2.4核心种质保存。弗兰克尔(Frankel)、布朗(Brown)等提出了核心种质。核心种质就是通过一定的方法从整个遗传资源中选择一部分样本,以最小的数量和遗传重复,尽可能最大程度代表整个遗传资源的多样性。核心种质具有代表性、实用性、有效性、动态性。目前,我国建有芝麻、一年生野生大豆和栽培大豆、小麦等植物的初选核心样本。

2.2.5基因文库技术保存。自然界每年有大量动植物死亡灭绝,遗传资源枯竭,建立发展基因文库技术保存遗传资源意义重大。程序:提取DNA——利用限制性内切酶获取目的DNA片段——大肠杆菌克隆——获得单拷贝基因。建立基因文库,可长期保存植物遗传资源,并可反复培养繁殖筛选获得目的基因。