种质库野生植物的“诺亚方舟”
位于云南省昆明市的植物园，因种植着众多云南名贵花卉和珍稀濒危植物闻名于世，每年吸引着大量中外游客前往参观。在植物园的一隅，一座四层楼的建筑在高大树木的掩映下，显得很不起眼，但这里却是许多野生植物种子的“家园”，保存着中国及其他国家的珍稀野生植物种质资源。它犹如一个避难所，让野生植物免于灭绝的厄运。
2014年12月，冬日的昆明温暖如春，和煦的阳光透过窗外的树木洒在杨忠兰的身上，她正在洗手池边忙着清洗种子。杨忠兰是中国西南野生生物种质资源库（简称种质库）的种子清理员，这座占地面积并不是很大的种质库，保存着国内外众多野生植物种子，是中国第一座国家级野生生物种质资源库，目前也是亚洲最大、世界第二大的野生植物种质库。
在中国西南野生生物种质资源库的展厅里，有一面墙上密密麻麻地安装着许多亚克力杆，每一个杆中都嵌入若干颗种子，构成了一个种子的小世界。这些亚克力杆是上海世博会英国馆“种子圣殿”曾使用过的，在种质库的大楼里，几乎随处都可以看到与种子相关的东西，种子博物馆、比人胳膊还要粗的豆荚果实、各种各样的植物鉴别图鉴、用松塔做成的小工艺品……这座占地面积并不是很大的种质库，是中国第一座国家级野生生物种质资源库，目前也是亚洲最大、世界第二大的野生植物种质库。
“我是从种质库刚开始采集种子的时候就当种子清理员了，经过我手里处理的种子少说也有两千多种了。”45岁的杨忠兰一边工作，一边笑眯眯地说。她手中那些网眼大小各异的过滤盘就像魔法盘一样，一层层地过滤掉果皮、果肉，然后把藏纳其中的种子过滤出来。洗洗涮涮半个多小时后，杨忠兰眼前原本肉泥一般的果子，赫然变成了一小堆干净饱满的种子。她把它们平摊在一个个小筛子上晾晒，这些种子晒干后，再经过筛选，即将会成为种质库中的一分子，在零下20摄氏度的恒温冷藏库中“冬眠”。在那里，它们可以存活几十年、数百年，甚至上千年。
加了一件厚外套之后，杨忠兰用车子推着已经初步干燥好的种子，打开干燥间厚重的金属密闭门，这里是种质库的核心工作区域，十余名工作人员有条不紊地工作着。之所以要加衣服，是因为这里的工作环境常年保持在“双十五”（湿度15度、温度15度）标准，在这样的条件下，种子的含水量可以降到5%左右，是干燥种子的理想环境。
每一粒进入种质库冷藏保存的种子，都要经过严格的管理流程：从种子采集、运输和接收到种子鉴定、种子数据入库，再经过初步干燥、种子清理和分析检测、种子计数和主要干燥的复杂流程，最终才会分装入库。而且入库的种子还要经过两次萌发实验，以监测其活力情况。
看不到硝烟的基因争夺战
种质库的主要工作就是采集、保存、鉴定珍贵的野生植物种子，为什么那么多研究人员，要花那么大的力气保存这些种子呢？
一个故事在野生生物种质资源库的验收会上被多次提及。上个世纪50年代中期，美国14个州发生大豆孢囊线虫病，使得大豆产业受到毁灭性打击，结果产自我国的“北京小黑豆”成了美国大豆的“救星”。美国农业部将其抗病基因转育到当地栽培的大豆中，育成新的高产抗病品种，使大豆产量迅速复苏。
采集人员就像“救火队员”
种质库的种子主要来源于野外采集，图为2014年11月，种质库采集组在独龙江乡马库村收集红花栝楼的植物标本。独龙江被植物学家认定为“野生植物天然博物馆”，是我国原始生态保存最完整的区域之一。由于交通不便，独龙江一直是植物研究比较薄弱的地区之一。2014年，贡山
到独龙江的公路开通后，种质库立刻派人员去收集植物标本。采集工作就像救火一样，与城市开发抢时间、抢地盘，才能避免一些植物变得濒危甚至灭绝。
中国是大豆的原产地，拥有世界上已知野生大豆品种的90％，共超过6000多种。同时，大豆也是中国最早食用和种植的五谷之一，栽培历史在4000年以上。直到上世纪六七十年代，中国仍是世界上最大的大豆生产国和出口国。但从70年代起，美国就取代中国，成为世界上大豆最大的生产国和出口国，而中国却成了大豆及豆制品的进口大国。而这一切的基础，都源自美国引进优质基因改良的当地大豆品种。
1974年9月，美国派出一个植物代表团访问中国，其中有著名大豆遗传学家布尔纳德。当他们结束访问准备回国时，布尔纳德在上海虹桥机场候机楼外的小路旁，采集到一株野生大豆，并将它带回美国，这株大豆就是现今转基因大豆的蓝本。
2003年，国家开放了大豆的进口限制，大量转基因大豆进入中国市场。这些携带着中国大豆基因的转基因大豆，比中国种植的大豆价格便宜了约10%，出油量又多了约17%。此后，大量中国本土大豆品种被迅速淘汰。看看身边的转基因大豆及其产品，谁会想到它与中国的野生大豆有如此的渊源。由于控制不了大豆市场，我们也丧失了对食用油的定价权，国内食用油价格只得任由外资摆布。
“一个物种影响一个国家的经济，一个基因关系到一个国家的兴盛。”著名植物学家、中国科学院院士吴征镒教授曾发出这样的感慨。他也是创立中国西南野生生物种质资源库的倡导者和先驱，没有他，可能就不会有今天种质库的存在。
1999年8月8日，时任中国科学院昆明植物研究所名誉所长的吴征镒院士致信国务院总理朱基，提出要尽快建立云南野生生物种质资源库，这是中国生物技术产业全球竞争的战略重点，也是国家利益所在。吴征镒建议将种质库建在云南，他在信中写道：“云南省拥有植物15000多种，约占全国的五成……是中国未来生物技术发展的根本性资源基础。”2004年，国家发改委正式批准在昆明建设中国西南野生生物种质资源库，并于2007年开始运行。
选种子的过程好似“选美”
在种质库储藏的每颗种子，都是经过了严格的筛选。在初干燥间里，已经被清理完毕的种子在这里被分装入瓶，之后它还要经过X光机检测质量、编号、进一步干燥，最后才能进入自己“冬眠”的去处——零下20摄氏度的冷库。
种质库不等于种子库
杨忠兰清洗的这批“新成员”，来自于2014年11月种质库在云南省怒江傈僳族自治州境内的采集项目。采集部张挺是这次项目的负责人，他兴奋地捧着一把种子问我们：“这是我们库里目前收集到的最大种子，你猜猜是什么种子？”那些种子有一元硬币大小，纺锤形的种壳上布满一道道纵纹，乍看起来有点儿像新疆的大坚果“巴旦木”。明显知道答案的杨忠兰在旁边笑而不语,我们则猜了半天也没猜对。“这是珙桐的种子，它们可是采集部的蔡杰他们从猪口夺食，抢回来的胜利果实！”
由于经济开发、人类活动的加剧和全球气候变化，野生植物的种质资源正在面临着严重威胁。
李徳铢
中国科学院昆明分院院长
中国科学院昆明植物研究所
中国西南野生生物种质资源库
主任、研究员
普通野生稻在云南的分布点已由上世纪80年代初的26个变成现在的2个，药用野生稻的许多分布点已经消失。建设中国西南野生生物种质资源库，对我国的生物多样性保护意义重大，为我国生态文明建设和社会经济的持续发展提供了生物资源战略储备。目前国际上通用的种子保存方式是将种子在室温15摄氏度和相对湿度15%的条件下充分干燥后，置于零下20摄氏度的冷库中保存。这种保存方式可以保存大约75%—80%的物种，即所谓“常规型”种子，使其在数百年乃至几千年之后仍然可以保持较高的萌发率。对于许多在热带雨林、亚热带季风常绿阔叶林等高温、高湿环境下生长的物种，即脱水敏感的“顽拗型”物种，上述方法可能使其种子迅速丧失活力，因此只能通过制造“人工种子”的方式，将其幼胚经过特殊处理后置于液氮中超低温保存。目前种子超低温保存的研究尚处于初始阶段，大部分顽拗型乃至“中间型”种子的保存问题，还没有可行的解决方案，需要加大力度以攻克这类科技难题。最新的研究发现，有不少“常规型”种子在通用的种子保存条件下寿命也不尽相同，如分布在高山冷湿环境下的一些毛茛科植物，其种子在几个月内萌发率显著下降，而位于低山干燥环境下的种子萌发率较高。出现这种现象的原因还不是很清楚，目前认为可能是这些物种长期对高湿环境适应产生的。在长期农业生产实践中，人们对经常使用的1200多种作物的种子生物学有较好的研究，但对大自然中30万多种野生植物的研究则非常欠缺。
这批珙桐种子采自贡山独龙族怒族自治县独龙江乡雄当村附近的山上。在那里，采集部的蔡杰和同事发现了独龙江乡面积最大的一片珙桐林。珙桐俗称水梨子、鸽子树，因其模式标本采自四川珙县，叶片形状像桐子叶，故命名珙桐。珙桐是珙桐科珙桐属落叶乔木，该属仅有珙桐和光叶珙桐两种，是我国特有的第三纪孑遗植物，故有“植物活化石”和“绿色熊猫”之称，被列为国家一级珍稀保护植物。
由于珙桐树干高大，蔡杰他们用高枝剪剪下带果的枝条，没料到果子刚掉到地上，一群家猪便蜂拥而上，抢夺珙桐的果子。张挺笑着说：“珙桐的果子很像猕猴桃，我们本来也不确定它的果肉是否可以食用，没想到那群猪帮我们找出了答案。后来我才想起来，此前在澜沧江畔采集的时候，在当地傈僳族的语言里，珙桐果子就是‘猴子爱吃的果子’的意思。”当时与猪夺食的现场，忙乱程度可想而知，这也算是采集人员工作中的一个小插曲。
在种质库目前采集过的种子中，最大的就是珙桐种子，有一元硬币大小，最小的种子只有几微米大，细如灰尘，如缘毛鸟足兰（Satyrium ciliatum）种子只有1.36×10-7克，只有在显微镜下才能看到其真貌，兰花的种子基本上都是这种类型的。种子的形态和生物学特性千差万别，这给种子的保存技术带来了很大麻烦，过大或过小的种子很难彻底干燥，不能使用干燥法低温保存种子的实体；还有些种子含水量很大（30%—60%），干燥后无法正常萌发，甚至死亡，这类种子被称为顽拗型种子，产于热带和亚热带地区的许多果树如荔枝、板栗、芒果都属于这种类型。
这里是珍稀植物的避难所
工业化时代的人口增长、空气污染以及气候变化等原因使得植物的生境遭到了严重的破坏，不少物种已经变得濒危甚至灭绝。种质库为它们提供了一个避难所，在零下20摄氏度的冷库中，一瓶瓶种子被分门别类地放置在架子上。目前中国西南野生生物种质资源库已经保藏了218科、1846属、8855种、65067份种子。
对于这些特殊的种子，只能为其打造更加舒适的“环境”，比如将植物种植在资源圃内；在超低温环境下，离体保存植物可供繁殖的组织，包括花粉、胚或叶尖等；还可以从植物的叶片或种子中提取DNA进行保存。因此在种质库的“大家庭”里，除了有宏观的实体种子，还有大到植株小到花粉，甚至微观到植物的DNA，这些携带植物遗传信息的资源统称为种质资源。
在种质库的离体库里，保存了一株采自1978年的铁皮石斛（Dendrobium officinale），这株兰花可以说是种质库的镇库之宝了。离体库可以改变植物的生存条件，让它的生长变得缓慢，然后定期从植株上取下一段组织，再次进行离体培养，解决不能使用干燥法的植物种子的保存问题。而DNA库是种质资源保存技术的又一大突破，DNA分子因携带生命个体的所有遗传信息，保存了了物种完整的遗传信息，就意味着对生命体的保存。DNA库除了解决不能使用干燥法的植物种子的保存问题，还为鉴定和利用植物的优质基因提供了“样品”。前文提到的大豆基因争夺战，就是利用植物的优质基因改良品种性状的典型案例。
种质库的“家庭”里不光有种子
在种质库里，除了保存有宏观的实体种子，还有大到植株小到花粉，甚至微观到植物的DNA，这些携带植物遗传信息的资源统称为种质资源。在离体库中，植物的叶尖或花粉等组织被细致地养在培养基中，这里是那些种子不能适应冷库低温环境，或是种子在脱水干燥时就死亡的植物的家园。
未雨绸缪的种子银行
其实对于野生生物资源的保存，西方国家已远远走在了前面。早在1946年，美国就建立了国家植物种质系统；1997年英国投资8000万英镑启动了千年种子库项目；2008年挪威在北极圈斯匹次卑尔根岛的一处山洞中，修建了“世界末日种子库”……截至2010年，据联合国粮农组织的统计资料显示，目前全世界有近1750座种质库，收集保存的农业和粮食植物种质资源已达740万份。
“从这个层面来说，如果中国没有自己的种质库，一旦某些物种在中国消失，将来可能不得不花费巨资向外国买回自己的资源。”种质资源库的主管杨湘云博士说。其实这样的情况已不乏先例，野生猕猴桃原产于中国，新西兰将中国的野生猕猴桃品种带回国，摇身一变地育成品种“基维果”，成了主导国际猕猴桃市场的新品种；野生月季原产于中国，大约200年前传入欧洲，经国外育种专家培育出香水月季，而今国内花卉市场的香水月季90％要依赖国外进口。
种质是指亲代传递给子代的
遗传物质，通常是指所有携带遗传物质的活体。就植物而言，除了包括种子，还有植株、根、茎、胚芽和细胞等等，也包括DNA片段。
高爱农
中国农业科学院
作物科学研究所
研究员
植物种质资源保存方式一般分为原生境保存和非原生境保存。原生境保存是指在原来的生态环境中，就地进行繁殖保存种质，如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。非原生境保存是指种质保存于该植物原生态生长地以外的地方,如建设低温种质库、田园种质库（种质圃、植物园）以及试管苗种质库和植物DNA库等。一般而言，植物种质资源库是指以植物种质资源为保护对象的保存设施。种质库保存的类型有植物的种子、营养器官、细胞和组织，甚至是DNA片段等多种形式，保护的物种从有性繁殖植物到无性繁殖植物及顽拗型种子植物等。植物DNA库是近年发展起来的保存种质资源的一种方式，常见的保存方式有组织保存、细胞或细胞核保存、DNA分子保存、基因组文库保存、cDNA文库保存、特异基因片段保存等。DNA库一般保存在低温（零下20摄氏度）或超低温（零下80摄氏度或零下196摄氏度）条件下，理论上讲，可以保存几十年、上百年或者更长时间。DNA分子携带生命个体所有遗传信息，保存了种质资源完整的DNA，就意味着对生命体的保存。但是DNA库目前因为各种原因，并不是用来保存所有的种质资源，重点是保存特有、珍稀、濒危和野生的植物种质材料，以及那些难以得到种子或种子在传统种质库不易保存的种类。近年来，世界范围内建立了许多更安全更长久保存的种质库，如挪威斯瓦尔巴群岛的“末日种子库”，约1亿粒世界各地的农作物种子被保存在零下18摄氏度的地窖中，该种子库堪称全球最安全的基因储存库；英国南部的“千年种子银行”，在全球各地寻找采集濒临灭绝、地方独有和有经济价值的植物种子，被称为植物的“诺亚方舟”；我国国家海洋药源生物种质资源库在福建已正式启动建设，欲打造海洋生物的“诺亚方舟”。俄罗斯媒体最近报道称，俄将建首座地球生物材料库，它将集合地球上已经灭绝的、正在濒危的以及尚存的所有生命体的信息库，并将该项目称为“诺亚方舟”。
除了国家战略层面的考虑之外，生物多样性和生物种质资源的极速丧失，也是促使世界各国建立各种类型种子库的重要原因之一。
我国是世界上生物种质资源最丰富的国家之一，但由于人口压力大、生态系统恶化等原因，生物多样性受到严重威胁。上世纪八九十年代，中国植物学会的理事长洪德元院士在云南考察野生稻时，发现在近十年中，云南野生稻的分布点从最初的26个减少到仅剩2个，消失率高达92.3%。
杨湘云说：“有了种质库，中国很多濒危植物就可以得到长期保存，一旦某个物种在自然环境下灭绝了，还能够通过存放在种质库中的种子或DNA使其重生，从而可以避免彻底灭绝的命运。”正是这种预先保存，以备不时之需的理念，所以种质库又被形象地称为“种子银行”。对普通人来说，种子没有什么特别之处，但是在杨湘云眼里，它是有活力的生命体，“它和人类一样，就像是人类的胎儿时期，只要精心养育，它就能像人一样成长，古莲的种子就已经被证实在千年之后还能萌发。”
种质资源的拥有者才有可能领跑生物技术行业
种质库在种子保存的基础上，还利用分子生物技术对植物进行基因等基础研究，进而开发出新兴的生物产品，这也是当代植物学和生物学者热门的研究方向。上图中颜色鲜亮的物质是经过荧光染色的植物染色体，就像人有X和Y两组染色体一样，这种采自青海的仲彬草属植物有P、St和Y三组染色体，这个属的植物是小麦家族的一员。知道了植物染色体的组成和数量，就可以用于植物分类和遗传改良等方面的研究。图片来源/中国农业科学院作物科学研究所
追种子的危险和乐趣
2005年，这座与云南省昆明市植物园毗邻的“种子银行”迎来了第一批“存款”——来自昆明近郊的147种植物种子，也迎来了第一批“追种子的人”。
作为种质库最早的员工之一，张挺当时是刚刚研究生毕业的植物分类学“菜鸟”，他是在本科毕业工作了一年之后重新攻读植物学的。“我之前的工作是卖房子，要是坚持做，早就发了。结果我选择了做科研，没办法，自己更喜欢研究植物。”
“种子采集的过程，同时也是认识自然的一个过程”，采集工作最让张挺兴奋的是会发现很多别人从未发现的植物，而且可以在短期内积累大量的植物学知识。但是未知也意味着危险，在野外工作时，张挺和同事不止一次遇到过因为“未知”而带来的伤害。
有一次他在广西的百色遇到了一个狠角色——火麻树（Dendrocnide uretissima），它的种子上面长满了毒刺，虽然采摘时戴着手套，但他还是被扎了三根刺，顿时一股麻痛感顺着手掌、胳膊一直传到心脏，“就像被蛇咬了一样，胳膊直接麻掉了，手稍微沾点儿水就刺痛难耐”。他尝试了肥皂水冲洗、荨麻叶子捣成浆糊贴敷，甚至用上了自己的尿液，“总之能想到的办法都想了，结果还是没用”。直到几天后，毒性才自行消退。后来他查阅了植物志，发现上面写着：本属植物的刺毛毒性很强，刺伤人体、牲畜后有难以忍受的痛痒感，皮肤出现斑状红肿，要数小时到数天才能消散，有的种类甚至还会引起儿童或幼畜死亡。
火麻树的种子毒刺毒性很强、圆基火麻树（Dendrocnide basirotunda火麻树属的另一个种）的种子会散发出令人不停打喷嚏的过敏源、扁担藤（Tetrastigma planicaule）的种子看起来如诱人的大葡萄，但是吃一颗下去会让人半个多小时说不出话……一次次未知的探索，让他们在经历过惨痛的教训后，也记住了很多毕生难忘的“知识”。
在种质库最初期的工作人员中，只有主管杨湘云算是“老手”。1989年从北京大学生物系毕业后，杨湘云一直坚持学习种子贮藏生理学，又作为访问学者在英国皇家植物园邱园千年种子库，接受了正规的种子生物学培训。2002年西南野生生物种质资源库筹建时，她担任项目的总工程师，从无到有再到日臻完善的国际性科研机构，她已经同种质库一起走过了13年。
由于种质库和英国皇家植物园“千年种子库”的合作，现在的工作人员先后到英国接受了系统的专业培训。在杨湘云看来，“我的同事是一帮充满激情的年轻人，大家在工作中和种质库一起成长，这是件令人兴奋的事。”
一粒微小的种子蕴藏着成长为参天大树的全部密码
借助X光造影仪的强大力量，我们得以更深入地欣赏种子精美的外部和内部结构。这些精巧的结构和多样性，经过上色与组合的各种处理，让人领略到植物世界乃至整个宇宙的精妙与繁杂。种子库不仅仅保藏种子，同时也对种子的生物学特性进行研究。为了在不对种子进行机械损伤的情况下观察种子的内部结构，中科院昆明植物研究所的研究人员利用X光造影设备拍摄了一系列形态各异的种子图片。科研人员能够从这些照片中读出种子或果实的发育情况以及健康状态，借以判断
它们是否具有保藏价值。
摄影／李涟漪 牛洋
无奈的种子信息悬赏
目前，中国已知的种子植物有274科、3152属、29233种，截至2014年12月底，中国西南野生生物种质资源库已经保藏了218科、1846属、8855种、65067份种子。科属的覆盖率分别达到了78%和58%。按照预定的“边建设、边保藏、边研究、边利用”的原则，种质库计划将于2020年保藏19000种、19万份野生生物种质资源。
种质库的种子保藏计划，有着比较详尽的标准和计划。他们在保障保藏种子饱满、能萌发的质量前提，以及每种最低2500粒、最佳超过10000粒的数量前提下，会优先考虑濒危程度较高的种类，然后就是中国特有种和经济价值比较高的种类。他们的采集和保藏进度已经超额完成预期计划，但是张挺表示：“2015年后开始的第三个五年期采集计划，难度将增加很多，此前容易采集的我们都采了，后面剩下的都是些难啃的硬骨头。”
不仅如此，给他们的采集工作带来更大困扰的是经济发展、人口增长、环境污染以及气候变暖等因素导致的生境丧失，这使得很多植物种类变得濒危甚至灭绝，“我们到植物的模式标本产地去寻找，结果发现那里已经变成了农田、水库，甚至楼盘。有些采集过种子的地方，一两年后也变成了另一番模样。”
其次很多植物结果子的周期很长，有的甚至十几年才结果，这也给采集增加了难度，想要采到果实需要等待比较长的时间。另外，中国植物的本底调查相对较少，信息和数据也比较老旧，导致信息匮乏，“很多时候和大海捞针没啥区别，很多采集到的未知植物要经过繁复的鉴定工作”。
有一部分种子植物在种子保藏的时候，无法在现有条件下实现有效保藏，这又要折去一定数量的种类。张挺半开玩笑半认真地说：“我们现在对很多种类在悬赏收集。”随着采集工作的深入，张挺愈发感觉到种子采集责任和意义重大，“有时候自己感觉像救火队员一样，需要抢救性的采集，才能避免一些植物变得濒危，甚至灭绝。”“手中有粮心才不慌”，这些被细心呵护的种质资源，也给未来在生物技术产业研究和利用这些野生生物资源创造了更大的空间。
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