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探秘中国植物“诺亚方舟 ”

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  一个物种的灭绝,也许意味着一个群落的消失,无数群落的消失就是人类要面对的荒芜。而种质资源库保存的就是960万平方公里的生态。
 


中国西南野生生物种质资源库DNA样品扫描入库

  一粒种子,它也许是一棵草,也许是一株树。它们创造生命,调节气候,给地球带来生机和活力。但是,据科学家们推测,我国的野生生物正在以每天一个种的速度走向濒危甚至灭绝。也就是说,我国每年都有三百多种生物趋于濒危乃至消失。这是缓缓靠近人类的一种灾难。

  在中国科学院昆明植物研究所,科学家们正在为植物建立一个“诺亚方舟”——中国西南野生生物种质资源库。它的使命就是收集保存这些野生植物的种质,为这个星球上的植物,保存活档案以防最坏的情况发生。

  未雨绸缪的种质库蕴藏巨大潜能

  种子是开端、是结尾,是大多植物物种生命长河中的一个节点。保存这无数植物的种子,就等于保存了一个王国。一个普通植物细胞里贮存的遗传信息,大概相当于一个小型图书馆全部藏书的字数。不同物种里面,蕴藏着丰富多样的基因资源。只要发掘和利用其中的一小部分,就足以为培育农林业新品种和医药研发开辟广阔天地。这也就是种质资源库和科学家为之努力的意义所在。

  在种质资源库,与人类最密切相关的是一些粮食作物野生物种的种质。1970年11月23日,袁隆平的助手李必湖和冯克珊在海南岛南湖农场找到野生稻种“野败”,自此将近半个多世纪里,袁隆平的课题组将不同的稻种与“野败”进行杂交,提高了水稻的产量。在解决中国数亿人的粮食问题上,起了很大的作用。但是上世纪八十年代,在26个地方都存在的野生稻居群,而今在24个地方已经消失。而如今,种质资源库对于粮食作物的野生种质保存,将使人类远离饥荒。


种子资源库菊科种子样本

  在自然界,每一个物种都不是独立存在的。不同的植物、动物、微生物会互相依赖而组成一个群落。一个物种的灭绝,也许意味着一个群落的消失,无数群落的消失就是人类要面对的荒芜。而种质资源库保存的就是960万平方公里的生态。而保存种质,了解植物对节候的各种反应规律也很重要,科学家们称之为物候。

  李德铢研究员是中国科学院昆明分院的院长,也是种质资源库的主任。他说:“中国西南野生生物种质资源库的博物馆是我国最大的一个野生生物种质资源的保存设施,也是全球第二大的一个设施,并且它的防震等级非常高。目前种质库乍眼一看只有四层楼,其实是按照四十层楼的地基建造的,因为这是为了一个百年大计千年大计来考虑设计的。”

  “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。”已故的著名植物学家吴征镒院士曾发出这样的感慨。他提议建立的种质资源库,为这些物种建立了一个避难所。截至2014年底,种质资源库共收集保存包括植物种子、植物离体材料、DNA、动物细胞系、微生物菌株等各类种质资源20955种,169281份(株)。其中,野生植物种子8855种,65067份。但它保存的不仅仅是种质,而是我们赖以生存的家园,是一个世界。

  种质资源库的任务非常艰巨,它除了要保障种质的安全,更重要是延长种子的生命周期。即保证种子成熟离开母体后仍是活的,但各类植物种子的寿命有很大差异。其寿命的长短除与遗传特性和发育是否健壮有关外,还受环境因素的影响。有些植物种子寿命很短,如柳的种子仅有12小时;而莲的种子寿命很长,可存活长达数百年以至千年。

  根据英国皇家植物园丘园的种子信息数据库里的种子活力参数预测,在经过双15度干燥 、保存于零下20摄氏度的种子库中,小麦种子能存活1615年,而在室温下只能保存503天;水稻种子能存活1920年,室温下只能保存874天。

  中国西南野生生物种质资源库种质库的冷库在离地面6米的地下,这里常年低温,温度维持在零下20(摄氏)度。如今,已经有中国及部分东南亚地区的野生植物种子8855多种,在种质库的冷库里入住。这里的空气相对湿度15%,这种湿度和温度,可以让大多数种子能够保持更长时间的活性。


采集专家在海口发现珍惜植物水角

  窥探种子的智慧与乐趣

  保存种质资源,其实就是保存遗传资源,种子的保存从采集工作开始。中国科学院昆明植物研究所种质资源库的采集员张挺说:“在海拔3100米的高山草甸,很多相似的植物长在一起。我们在果期采集的时候很难分辨,但是它们的花却是完全不一样的,所以我们需要在早花期的时候提前拜访,并确定它的物候情况 ,以方便我们成熟的时候来采集种子。”

  去年张挺等采集人员为了采集水角的种子,前后三次来到海南,根据80多年前的标本采集记录进行找寻。几乎翻遍了整个海南岛,因为环境变化非常大,最后一位香港朋友带他们在羊山湿地发现了水角。水角的花和凤仙花长得非常相似,但是它的花瓣、果实和凤仙花不一样。而且水角喜欢长在池塘或者是溪流边,所以它的通气组织非常发达。它的果实是浆果,成熟之后会变成樱桃一样的紫红色。

  郭永杰作为中国科学院昆明植物研究所种质资源库采集员之一,准备动身到昭通市的巧家县去采集巧家五针松的种子。巧家五针松被誉为植物界的大熊猫,于1992年被发现。目前,巧家五针松的野生种群总数仅存34株,被列为极危物种。尽管科研人员已经通过人工培育,栽培了上百株五针松的幼苗,可是比较原始的DNA信息是蕴藏在野生植株的细胞内的,所以必须采集野生植株上的种子。

  事实上,我们很难窥探,在漫长的自然演化中,植物为了适应环境有着怎样的进化,抑或说被自然选择。但科技的进步,使人类能够逐步了解到更多。我们也可以通过一些有趣的现象看到植物自身的聪慧。张挺说,在海拔4600米的高山流石滩,远看毫无生命的迹象。但其实仔细走近一看,会发现一个非常绚丽的鲜花的世界。高山流石滩植物,很好地适应了高山缺水、昼夜温差大的环境。像绢毛菊生长成莲座状,叶子紧紧地贴着岩石,白天可以从岩石上吸收热量,晚上可以减少热量的散失,同时还可以减少水分的蒸腾。像槲叶雪兔子,也就是我们常说的雪莲,它的叶子一层一层的,紧紧地簇生在一起,就像一朵莲花,这样能够起到很好的保温作用,来应对高山流石滩非常大的昼夜温差。


科普日公众在种子博物馆展示区与种子亲密接触

  种子在冷库找到“避难所”

  种子一般由种皮、胚和胚乳三部分组成。种子的形成使幼小的胚珠得到母体的保护,并像哺乳动物的胎儿那样,得到充足的养料。当种子遇到合适的环境、适宜的温度、一定的水分、充足的空气,种子里的胚便会萌发,破壳而出,运气好的话就会成长为新的植株。

  一份种子从采集到入库,最快大约需要两个月的时间。通常情况下,种子被采集回来后,研究人员会将这些种子进行计数和清理,筛选出健康饱满的种子。并在X光下统计种子的虫蛀、空瘪和发育不良等情况。最后经过干燥后,就可以放入冷库保存了。

  张挺一大早来上班,种子萌发检测人员告诉他,水角种子的萌发失败了。水角属是凤仙花科最古老的一个属,所以,它对于研究整个凤仙花科的起源进化,具有非常重要的科研价值。水角种子的萌发全部失败,就证明水角不能采用常规的低温干燥法保存。

  哪种保存方法会更适合水角呢?张挺把重新采集到的水角的种子送到了离体库。离体保存,就是先用植物的种子或其他组织培养出一棵植株,然后在未来需要的时候,再用克隆的方法进行大量繁殖。离体保存主要是基于植物细胞具有全能性这样一个特点。目前离体库主要保存的有兰花、蕨类等物种。

  张挺说:“保存在冷库里的种子,每隔一段时间都要拿出来进行萌发检测。如果萌发失败,科研人员就需要找到失败的原因,并找到更好的方法来进行保存。”

  郭永杰表示,对于巧家五针松,我们之前已经采集保存了一些种子,但主要是通过低温干燥这种常规的方式保存。现在我们又考虑到这个物种特别的珍稀濒危,我们打算将这批采集回来的种子,通过超低温的方式把它保存起来。超低温保存法,就是将种子的胚进行处理后,放入液氮,在零下192摄氏度的条件下迅速冷冻。在需要的时候,再通过组织培养的技术培育出完整的植株。

  相信在未来的日子,会有越来越多的地方留下科研人员的足迹,也会有越来越多的生物种质被保存在种质库。而如今,中国西南野生生物种质资源库还加入了国际生命条形码计划,为生物建立DNA条形码数据库。未来,人们可通过DNA技术对物种进行鉴定。■

   (本文整理自央视科教频道《科学重器——走进中国科学院大科学装置》系列节目)

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