第二章 种质资源

第二章种质资源

第一节种质资源工作的重要性和迫切性

一、基本概念

1、种质：又叫遗传质，是决定生物遗传性状(或种质)，并将遗传信息从亲代传递给子代的遗传物质(的总称)。

2、种质资源：携带种质的载体。

水平：群体、个体、器官、组织、细胞（配子）、染色体、分子（基因或DNA片段）。种质资源是培育新品种的原始材料—育种的原始材料。

二、种质资源的类别

可根据其来源分为以下四类。

1、本地种质资源

此资源是指在当地的自然和栽培条件下，经长期的栽培与选育得到的地方品种和当前推广的改良品种。

特点：取材方便，对当地的自然条件、栽培条件适应性好，当地人消费容易接受。

利用价值：①改良、提高，选育成适于当地的优良品种②在杂交育种中常用做亲本之一。

2、外地种质资源

此资源是指由国内不同气候区域或由国外引进的植物品种和类型。

特点：①具有与本地品种不同的生物学特性和遗传性状，有些性状是本地品种所欠少的。②有可能不太适应本地的气候、土壤条件和耕作制度。

利用价值：①直接引种用于生产②通过选择育种培育新品种③用作杂交亲本。

3、野生种质资源

此资源是指未经人们栽培的自然界野生的植物。包括栽培植物的近缘野生种和有潜在利用价值的植物野生种。

特点：经过长期自然选择生存下来，具有很强的适应性和抗逆性。还可能具有栽培植物所不具有的特殊性状，如不育等。

利用价值：①驯化成新的栽培作物②通过杂交把优良基因、染色体(片断)转移到栽培植物中来。

4、人工创造的种质资源

此资源包括人工诱变而产生的突变体、远缘杂交创造的新类型、育种过程中的中间材料、基因工程创造的新种质等。

特点：具有比自然资源更新更为丰富的遗传性状。这些性状是自然资源中所缺乏的，可作为进一步育种的理想的原始材料。具有自然界所没有的种质。

利用价值：有的经过几代选育才有利用价值；有的可作为育种的好材料。

三、种质资源的重要性

1、种质流失问题

（1）人类的活动

在一般情况下，环境与发展是协调的或相互依存，相互促进的。随着人口的增长和活动范围的扩大，人类对资源的索取超过了环境本身有限的承受能力，使环境和发展失调，造成生态环境的破坏和生物资源的流失。

大量砍伐和焚烧森林，过度放牧使大片草原变成荒漠，使大量野生动、植物失去栖息、繁衍的场所。

城市化建设的加快（工矿、交通设施的发展）占用了大量的农田和绿地，造成土壤、水源和大气的污染。

大面积植被的破坏加剧了风雨对土壤的侵蚀和冲刷，掠走了农田中肥沃的表土，大量泥沙堵塞河流、湖泊。长江上中游85%的森林植被已经不复存在。

（2）环境条件的恶化

生态环境的破坏将导致自然灾害（干旱、洪涝、寒害、病虫害等）的发生加重，在严重破坏生态系统多样性的同时，大量的物种遭到灭绝。在过去的2亿年间，大约每27年有一种高等植物灭绝，且现在的灭绝速度是相当惊人的，相当于自然灭绝速度的1000倍，由于自然生态系统受到破坏，造成大约3.4万种的植物变得很稀少，可能很快消失，约占植物总数的12%，物种灭绝反过来又加剧了环境的恶化，形成了恶性循环。环境恶化→森林破坏→物种灭绝→食物链断裂。

（3）育种工作中认为选择的“片面性”

野生植物类型→自然选择、人工选择→地方品种→人工选择→高效植物栽培品种—对生态系统的要求单一化。在这一过程中，植物遗传多样性不断丧失，对环境的适应能力、抗逆性、抗病虫特性逐渐减弱，造成生态系统的单调脆弱，导致珍稀种质资源和地方品种的灭绝。

人类驯化野生动植物，使之成为人类赖于生存的少数几个动植物优势品种，人类的生存活动逐渐局限于几种单调脆弱的农业生态系统，在现代植物育种取得巨大成就的同时，也带来严重的消极后果—造成成千上万珍贵的种质资源和地方品种的灭绝。

人类育种过程中片面追求高效益，使那些不符合生产要求的品种遭到大量淘汰。随着新品种的推广，带来大面积生产上品种的单一化，少数高效品种在生产中占垄断地位，但品种的遗传基础出现狭窄化，用无性繁殖（组织培养）代替实生播种繁殖，以少数几个基因型代替成千上万的基因型，而其他基因型则在很短的时间内消失甚至灭绝，虽然单一品种在短期内能大幅度提高经济效益，但也会出现负面效应，这种遗传基础的单一化，若遇到突发的自然灾害（干旱、冻害、洪涝、新病虫害流行等）、生态环境的破坏和污染，就会使这一品种出现毁灭。

开展育种工作，离不开某些植物，如栽培植物的一些品种、野生植物的不同种、类型，还有一些杂交或诱变的植物材料。我们把培育新品种的这些植物称为育种的原始材料，也称为(20世纪60年代初)品种资源，现在国际上多采用比较确切的名称即种质资源。

2、保护种质资源的重要性

1）种质资源是人类赖以生存和发展的根本

它为人类提供了食品、药品、能源、工业原料，是人类拥有的最为宝贵的自然财富。J.R.Harlan(1970)认为，“人类的命运将取决于人类理解和发掘植物种质资源的能力”。丰富的生物种类和拥有的基因以及生存环境所组成的生态系统构成生物的多样性，对于维持生态平衡、稳定环境以及保持人类的持续发展具有重要作用。植物资源通过光合作用把太阳能贮藏起来，作为能量来源，为其它物种生存提供了能量基础。

2）种质资源是育种的物质基础

任何新品种都是在原来植物资源的基础上培育的，没有好的种质资源，就不能培育出好的品种，突破性的育种成就取决于关键性基因的发现和利用。假如原始材料中缺少控制某个性状的基因，而这个性状又正是你的育种目标之一，你就不可能培育出符合要求的品种。有了好的原始材料，“良好的开端等于成功的一半”，就可能产生事半功倍的效果。

如19世纪中叶欧洲马铃薯晚疫病大流行，几乎毁掉整个欧洲马铃薯种植业，后来从墨西哥引入抗病的野生种作杂交亲本，育成抗病的马铃薯新品种，才使欧洲马铃薯种植业得到挽救。3）种质资源是作物起源、演化、分类、生态、生理等项研究的物质依据

N.E.Vavilov之所以能提出栽培植物的起源中心学说，关键是他从世界60多个国家搜集到的15万份种质资源材料。过去认为水稻仅起源于印度；而近些年来，科学家对大量稻种资源的脂酶同功酶的分析确定，印度阿萨姆、缅甸北部、老挝和中国云南省为水稻起源中心

第二节种质资源的考察征集与保存

一、种质资源的收集

1、收集方法：

1）征集：植物种质资源的征集，一般是指国内通过国家行政部门或农业科研单位，向全国或某地区、某单位发公文或公函，由当地人员组织搜集种质资源，并送往主持单位。

我国先后组织了2次大型全国性的农作物品种资源的收集活动：50年代中期至58年共收集40多种作物的20多万份种质材料；1979-1984年间进行了补充征集,参加征集的农业科研人员达2万多人次，其他人员达30多万人次，共征集到作物种质资源10多万份，抡救了一批濒于灭绝的品种，挖掘了一批珍贵资源，搜集到一批有价值的野生近缘植物资源。

2）种质资源的调查搜集

每一次植物种质资源调查工作，必然伴随着种质资源的搜集。这是目前搜集和积累园艺植物种质资源的主要方式之一。我国自20世纪80年代以来开展的大规模种质资源考察活动，搜集到不少园艺植物种质资源。如1986-1990年间，组织专家到三峡地区收集到各种作物种质资源9526份。

种质资源调查：指查清和整理一个国家或一个地区范围内种质资源的数量、分布及特征特性的工作。它是整个种质资源工作中最艰苦的阶段，然而它也是开展园艺种质资源其它方面工作必不可少的前提。

考察前的准备工作：

制定考察计划：计划包括考察的目的、任务、组成人员、考察路线、时间、经费预算以及物资设备等。

组建考察队：园艺植物种质资源考察是复杂的科技工作，涉及到多种学科。

确定考察地点：园艺植物种质资源考察必须要先确定好该去的地区，否则，如果漫无目的，或去了不适当的地区考察，结果将会费尽财力、物力、人力，却无所收获，徒劳而归。

时间安排：考察时间必须安排紧凑、井井有条。既要有充分的时间去完成考察任务，又要从经费开支和工作进程的角度着想，不能把时间拉得太长。

经费预算：执行一项资源考察活动必须有一定的经费开支。对此在考察前应作出预算，包括总经费预算和分项开支预算。

物资设备的准备

3）交换和购买

各育种单位间开展品种资源交流，互通有无，是目前育种单位间品种资源交流的主要形式。

二、种质资源的保存

收集到的种质资源，经整理归类后，必须妥善保存，以备今后育种和各种研究所用。所谓种质资源保存，是在适宜条件下贮存种质以及基因载体，使其保持生活力、遗传变异度和适当的数量。

1、就地保存：种质资源在原来所处的生态环境中，不经迁移，采取措施加以保护，主要方式有：划定自然保护区、国家公园、人工圈护。保护对象：稀有的良种单株及历史上遗留下来的古树名木，稀有种、濒危种、野生种。划定自然保护区是保护野生种质资源的最好方式，它保留了种质资源原有的生态环境，使它不致随着自然栖息地的消失而灭绝。

2、种质圃保存：将种质材料迁出其自然生长地，集中改种在植物园、树木园、品种资源圃、种质资源圃等处保存。种质圃选址时应考虑：具有该种质生存的气候、土壤条件、无环境污染和严重病虫害；有良好的栽培条件和设施；交通便利；对种质圃种植的材料应严格执行检疫，防止混杂。

优点：不受繁殖方式所限；不受种子寿命所限

缺点：比较麻烦；特别种质资源数量较多时，易造成人为差错、机械混杂和生物学混杂；加快了世代进程，改变变异度(纯合、突变等)。

3、种子保存：种子：正常型种子：要求在低温（5-20℃）干燥的条件下保存的种子，采用种子库保存。顽拗性种子：当种子的含水量降低到12-31%时，生活力就下降，不能在低温干燥下保存的种子。核桃、栗、榛子、人心果、荔枝、龙眼。

种子库：短期库：用于临时存放种子。中期库：温度0-5℃，相对湿度为32-37%，用于分发用种子的保存。长期库：温度-10-15℃，相对湿度为32-50%，用于长期保存种质（30-50年），当种子发芽率降到65-85%或种子量下降到可接受程度时，需要进行繁殖更新。

4、离体保存：植物体的每个细胞，在遗传上都是全能的，含有发育所必须的全部遗传信息。上世纪70年代以来，国内外开展了用试管保存组织培养物的方法来保存种质。

优点：占用空间小、保存数量多、节约土地和劳力，成本低等。

对组织或细胞培养物试管保存的一般方法，作定期的继代培养和重复转移。

缓慢生长系统

降低培养温度或加入化学抑制剂等措施可以延长离体培养培养物继代的周期，达到长期保持的效果。需要使用时，将培养物进行继代培养，可立即恢复生长。

离体超低温保存：将原生质体、细胞、组织、器官或花粉经处理后，放入液氮中（-196℃）保存，使用时，取出材料，经一定程序解冻，原生质体、细胞、组织、器官可通过组织培养诱导分化，形成再生植株，花粉可用于授粉。

超低温保存的具体方法如下：

（1）选择材料：如果保存的材料为细胞，则应选择减数分裂处于旺盛时期，或者是培养5～9天的幼龄细胞。如果材料为芽，则应选择冬芽，因为这种芽抗寒能力强，可以有较高的存活率。

（2）对材料进行预处理：即将选好的材料放入冰冻保护剂中在0℃低温下处理一定时间（经常是处理约1小时）。常用的冰冻保护剂有二甲亚矾（DMSO）、甘油、聚乙二醇、山梨醇、糖等。经试验，在冰冻保护剂中加入0.3%氯化钙效果较好，采用复合冰冻保护剂（即用两种或以上冰冻保护剂）处理效果要比用单一保护剂处理要好。

（3）进行降温：材料经冰冻保护剂预处理后需立即降温。常用的降温方法有三种。即快速冰冻法、慢速冰冻法以及两步冰冻法。快速冰冻法是将预处理后的材料直接投入到液氧中。慢速冰冻法则是使预处理后的材料以每分钟下降0.1-10℃的速度逐渐降温到所保存的低温下。两步冰冻法是先用慢速冰冻法降低材料温度，使细胞达到适当的保存性脱水，到一定程度后再将材料投入到液氮中快速冰冻。

（4）化冻及生活力测定：超低温保存的种质资源在使用前首先应进行化冻，即在35-40℃的温水中化冻或在0℃，也可以是2-3或室温下进行化冻。

化冻后的植物材料必须进行生活力测定，常用的测定方法有3种。

①再培养法：根据培养物颜色的变化，判断材料的存活率，如果培养物呈褐色，则说明存活率较低。

②二醋酸酯荧光素染色法：先配0.1%荧光素染料和一滴化冻后的细胞悬浮液相混合，然后分别放于普通光学显微镜下及紫外光显微镜下观察计数。

③TTC法（氯化三苯四氮唑还原法）：有活力的细胞通过氧化还原反映能使氯化三苯基四氮唑的无色溶液变为红色，用分光光度计进行定量测定即可判断材料的存活性。

5、利用保存：种质资源在发现其利用价值后,及时用于育成品种或中间育种材料，这是一种对种质资源切实有效的保存方式。

6、基因文库保存：将总DNA或染色体所有片段随机连接到载体上，然后转化到大肠杆菌

或农杆菌中进行繁殖，提取质粒或在超低温下保存菌种。

第三节种质资源的研究、创新与利用

为了正确认识种质资源，有效地发挥其作用，必须对收集到的种质资源进行全面、系统的研究。只有占有比较全面的种质资源，并对其进行细胞学、遗传学、生物学等方面的系数研究，才能在较大的群体中根据育种目标选择最佳组合，培育新品种。

一、种质资源的研究

1、特征特性鉴定：

1）植物学形态特征—通过对收集到的种质资源各种材料的主要器官形状、大小、数量、色泽等外部特征的比较分析，可判断各种材料之间的亲缘关系及其在分类学的地位。通过对分类学性状的研究，可为以后的有性杂交、倍性育种等工作奠定基础。

2）生物学特性：生长发育习性、物候期、环境因子，自然环境鉴定—区域性鉴定、生长季节鉴定，了解种质材料对不同地区和生长季节的适应性。人工控制环境鉴定—温室、人工气候室、低温春化、低温要求、光照鉴定。低温春化和低温要求鉴定：一二年生的蔬菜花卉植物的春化特性、落叶树解除休眠所需的需冷度。光照鉴定：光周期特性、对光照强度的适应性。

3）园艺性状鉴定：产量构成性状、早熟性状、生长习性、结果习性、栽培习性。

4）品质鉴定：外观品质：颜色、大小、形状、整齐度。内质：质地风味品质—硬度、弹性、致密坚韧度、汁液多少、粘稠性、纤维含量、脆嫩程度、糖酸比、芳香性物质含量、特殊风味物质、一般用仪器测定、品尝；营养品质：糖类、纤维素、蛋白质、维生素、矿物质；贮藏品质、加工品质。

5）抗逆性鉴定：抗寒、抗旱、耐热性、抗盐性。采用自然条件下、人工模拟逆境、间接鉴定。

6）抗病性鉴定：直接鉴定：田间鉴定—自然诱发或接种，室内鉴定—人工接种。间接鉴定：毒素、植物保卫素、酶活性、同工酶、血清学鉴定。鉴定指标：普遍率、严重度、病情指数。7）抗虫性鉴定：田间自然鉴定、田间接种虫源增加危害压力法、网室鉴定。

2、基础理论研究

1）起源与演化研究：实地考察、收集考古证据和古书记载、形态特征、解剖学特性、交配亲和性、染色体倍性分析、核型分析、孢粉学特性、染色体显带、同工酶、DNA指纹。2）种内分类和生态型研究：形态分类和生态型分类；实验分类和数量分类相结合。

3）遗传分析：优异形状的显隐性、配合力、遗传传递力、基因定位、遗传力、性状及性状群分析。

二、种质资源的利用

1、直接利用：对适应当地生态环境、具有开发潜力、经济效益高的种质材料可直接利用。引种—引进优良品种经品种试验和适应性试验后直接在生产上推广；野生种的驯化与开发—猕猴桃、刺梨、沙棘，兰花，品种整理与单株选择。

2、间接利用：对当地表现不理想或不能直接利用生产，但具有明显优良性状（抗病、早熟、晚熟、雄性不育等）的种质材料，可作为育种的原始材料（杂交亲本、砧木、诱变材料）。

3、潜在利用：有些材料在现在还没有利用价值，但不表示以后没有利用价值，先将它们保存起来，以后利用。

三、种质资源的创新

种质资源的创新，为育种工作提供了特殊性状的基因源，从而使育成的品种在某些重要性状上有所突破，在植物育种工作中有重要意义。

创新途径：

（1）不断产生的天然变异,包括自然突变和天然杂交产生的新类型和新物种；；

（2）通过远缘杂交、细胞工程、染色体工程、基因工程、组织培养等手段来创造新的种质资源以及新的栽培植物类型和品种。这一方面的成果最为突出。

例如：应用远缘杂交技术，法国学者通过雄性不育的萝卜和甘蓝杂交，获得了甘蓝的胞质不育材料；日本学者用结球甘蓝和大白菜杂交得到抗病性强的白蓝新种；美国园艺家布尔班克用杏和中国李杂交，获得了几十个有价值的种间材料。采用体细胞杂交技术，使番茄和马铃薯体细胞融合，获得“番茄薯”；用基因工程技术，将ACC氧化酶反义基因转化番茄，已选育出耐贮性强的品系等等。