第二章 种质资源

第二章种质资源概述：种质资源(germplasmresources)：—般是指具有特定种质或基因、可供育种及相关研究利用的各种生物类型。也被称为一一①育种的原始材料二②品种资源；③遗传资源(geneticresources)二④基因资源(generesources)由于现代育种主要利用的是现有育种材料内部的遗传物质或种质，所以国际上现仍大都采用种质资源这一术语。种质资源内涵(发展的)，凡能用于作物育种的生物体都可归人种质资源之范畴。包括地方品种、改良品种、新选育的品种、引进品种、突变体、野生种、近缘植物、人工创造的各种生物类型、无性繁殖器官、单个细胞、单个染色体、单个基因、甚至DNA片段等。第一节种质资源在育种上的重要性种质资源是育种的材料基础：但是国内外作物遗传资源多样性的破坏与丧失异常严重。1949年，我国有1万个小麦品种，到20世纪70年代仅存1000个。水稻大豆品种基因的等位性变异愈来愈少，成为培育突破性品种的瓶颈。美国在过去100年间，玉米、西红柿、苹果的种植品种丧失程度达到80%以上。使得遗传基础日益狭窄，存在着遗传上的脆弱性和突发性病害的隐患。因此，抢救和妥善保存作物遗传资源十分重要。农业生产的每一次飞跃都离不开品种的作用，而突破性品种的培育成功往往与一新的种质资源的发现有关，例如我国杂交水稻培育成功就与矮败不育系的发现密不可分。归纳起来，种质资源在作物育种中的作用主要表现在以下几方面：—、种质资源是现代育种的物质基础育种目标得以实现依赖于种质资源的多样化；育种工作越向高级阶段发展，种质资源的重要性就越加突出。现代育种工作之所以取得显著的成就，与广泛地搜集和较深入研究、利用了优良的种质资源密不可分。育种工作者拥有种质资源的数量与质量，以及对其研究的深度和广度是决定育种成效的主要条件，也是衡量其育种水平的重要标志。可以综合某些特殊基因，育成新的品种。例如，抗病育种可以从种质资源中筛选对某种病害的抗性基因；矮化育种可以从种质资源中选取优异的矮秆基因，将二者结合育成抗病^矮秆新品种。二、稀有特异种质对育种成效具有决定性的作用掌握的种质资源数量和对其性状表现及遗传规律的研究深度在很大程度上决定作物育种成效的大小。水稻籼稻矮源低脚乌尖小麦矮源农林10号与世界范围的“绿色革命”；油菜品种Liho、Bronowski与双低油菜新品种选育；水稻矮源矮脚南特和矮子粘与我国水稻的矮秆育种；Polima雄性不育细胞质与国内外杂交油菜的发展；小麦IBL/1RS易位系与世界小麦抗锈育种；玉米高赖氨酸突变体Opaque—2与玉米营养品质的遗传改良，高蛋白、高赖氨酸大麦Hiprolys与大麦营养品质遗传改良这些特异种质资源对人类和平与发展起到了不可替代的作用。未来作物育种上的重大突破仍将取决于关键性优异种质资源的发现与利用。我国种质资源丰富，已发现了许多特异珍贵种质资源。如水稻广亲和材料，小麦太谷显性核不育材料，水稻、油菜、谷子、大麦、小麦光温敏雄性不育材料、核质互作雄性不育材料，大豆、谷子的CMS材料，特早熟大麦5199，抗旱抗寒半野生大麦等。三、新的育种目标能否实现决定于所拥有的种质资源新的育种目标能否实现决定于育种者所拥有的种质资源。如人类特殊需求的新作物、适于农业可持续发展的作物新品种等育种目标能否实现就决定于育种者所拥有的种质资源。种质资源还是不断发展新作物的主要来源，现有的作物都是在不同历史时期由野生植物驯化而来的。四、种质资源是生物学理论研究的重要基础材料不同的种质资源，各具有不同的生理和遗传特性，以及不同的生态特点，对其进行深入研究有助于阐明作物的起源、演变、分类、形态、生态、生理和遗传等方面的问题并为育种工作提供理论依据，从而克服盲目性，增强预见性，提高育种成效。第二节作物起源中心学说及其发展前苏联著名植物学家瓦维洛夫(Vavilov)所提出的作物起源中心学说；后继者对起源中心学说进行了发展意义：1.为研究作物的起源、演化、分布及其与环境的关系提供了依据；2.为种质资源的搜集、研究、利用工作提供了导向；3.对作物育种工作有特别重要的意义。一、瓦维洛夫的起源中心学说瓦维洛夫从1920年起，组织了一支庞大的植物采集队，先后到过60多个国家，在生态环境各不相同的地区考察了180多次。对采集到的30余万份作物及其近缘种属的标本和种子进行了多方面的研究。在近20年考察分析的基础上，于1951年提出了作物起源中心学说(Theoryoforigincenterofcrops)。瓦维洛夫的作物起源中心学说植物物种在地球上的分布是不平衡的，它们的起源是与一定的环境条件和地区相联系的，凡遗传类型有很大的多样性而且比较集中、具有地区特有变种性状和近亲野生类型或栽培类型的地区，即为作物起源中心(centersoforiginofcrops)。根据变异类型特点及近缘野生种情况可把起源中心分为初生中心和次生中心。瓦维洛夫作物起源中心学说主要内容包括：作物起源中心有两个主要特征，即基因的多样性和显性基因的频率较高，所以又可名为基因中心或变异多样性中心(Centerofdiversity)。(2)作物起源中心可分为原生起源中心(primaryorigincenter)与次生起源中心(secondaryorigincenter):作物最初始的起源地称为原生起源中心(primaryorigincenter)，现在一般称为初生中心，意为当地野生类型驯化的区域。一般有4个标志：即①有野生祖先。②有原始特有类型。③有明显的遗传多样性。④有大量的显性基因。当作物由原生起源中心地向外扩散到一定范围时，在边缘地点又会因作物本身的自交和自然隔离而形成新的隐性基因控制的多样化地区，即次生起源中心(secondaryorigincenter)或次生基因中心。同初生中心相比，它也有4个特点：即①无野生祖先。②有新的特有类型，如高粱，初生中心在非洲，但在中国形成糯质高粱，中国即为其次生中心。③有大量的变异。④有大量的隐性基因。(3)在一定的生态环境中，一年生草本作物间在遗传性状上存在一种相似的平行现象。如地中海地区的禾本科及豆科作物均无例外地表现为植株繁茂，穗大粒多，粒色浅，高产抗病，而我国的禾本科作物则表现为生育期短，植株较矮穗粒小，后期灌浆快，多为无芒或勾芒。瓦维洛夫将这种现象称之为“遗传变异性的同源系列规律”。(4)根据驯化的来源，根据作物驯化来源可分为原生作物与次生作物。一类是人类有目的驯化的植物，如小麦、大麦、玉米、棉花等，称为原生作物。另一类是与原生作物伴生的杂草，当其被传播到不适宜于原生作物而对杂草生长有利的环境时，被人类分离而成为栽培的主体，这类作物称之次生作物,如燕麦和黑麦。瓦维洛夫提出的作物起源中心瓦维洛夫于1935年提出了作物的8个起源中心，他认为，这8个中心在古代由于山岳、沙漠或海洋等地理障碍的阻隔，其农业都是独立发展的，所用的农具、耕畜、栽培方法都不尽相同。每个中心都有相当多的有价值的植物和多样性的变异体，是植物育种者探寻新基因的宝库。这8个中心是：1．中国一东亚中心2．印度中心2A.印度一马来亚补充区3．中亚细亚中心4．西亚中心5．地中海中心6．埃塞俄比亚中心7．南美和中美起源中心8．南美(秘鲁一厄瓜多尔一玻利维亚)中心8A.智利中心。重要的种有木薯、花生和风梨。8B.巴西一巴拉圭中心。作物起源中心学说的发展与补充有人主张用遗传多样性中心代替起源中心，用扩散中心代替起源中心(其理由是遗传多样性中心不一定就是起源中心，初生中心不一定是多样性最大的基因中心，次生中心有时比初生中心具有更多的特异种质。)荷兰的Zeven(1970)和前苏联的茹考夫斯基(1975)增加了4个起源中心，使之能包括所有已发现的作物种类。他们称这12个起源中心为大基因中心(megagenecenter)。包括：①中国一日本中心。②东南亚洲中心。③澳大利亚中心。④印度中心。⑤中亚细亚中心。⑥西亚细亚中心。⑦地中海中心。⑧非洲中心。⑨欧洲一西伯利亚中心。⑩南美中心。Q中美和墨西哥中心。Q北美中心。Zeven(1982)又称这些中心为变异多样化区域。瓦维洛夫作物起源中心学说在作物育种上的意义指导特异种质资源的收集。起源中心存在着各种基因,且在一定条件下趋于平衡，与复杂的生态环境建立了平衡生态系统，各种基因并存、并进，从而使物种不至于毁灭，因此在起源中心能找到所需的材料。起源中心与抗源中心一致，不育基因与恢复基因并存于起源中心。因此，可在起源中心得到抗性材料与恢复基因。指导引种，避免毁灭性灾害。二、Harlan的有关作物起源的观点瓦维洛夫的作物起源中心学说的争议：Q.遗传多样性中心不一定就是起源中心；起源中心不一定是多样性的基因中心，次生中心有时比初生中心具有更多样的特异物种；Q.有些物种的起源中心至今还无法确定，有的作物可能起源于几个不同的地区。Harlan的观点如下：中心和非中心体系(centerandnon-centersystem) 农业是分别独立地开始于三个地区，即近东、中国和中美洲,存在着由一个中心和一个非中心组成的一个体系；在一个非中心内，当农业传人后，土生的许多植物物种才被栽培化，在非中心栽培化的一些主要作物可能在某些情况下传播到它的中心。Harlan的3个中心 非中心体系为：中心 #中心人近东—甩菲洲Rb中国匚耳Bj东甫亚U中关=•口甫关Harlan的中心是农业起源中心，它不同于瓦维洛夫的作物起源中心，他是从人类文明进程和作物进化进程在时间和空间上的同步和非同步角度上来说明作物起源的。地理学连续统一体学说(Geographicalcontlnu'm)1975年，Harlan对他的中心非中心论进行了修正，提出了地理学连续统一体学说。该学说认为任何有过或有着农业的地方，都发生过或正在发生着植物驯化和作物进化，每种作物的地理学历史都是独特的，但作物的驯化、进化活动是一个连续统一体，不是互不相关的中心。第三节种质资源的研究与利用种质资源的研究内容包括收集、保存、鉴定、创新和利用我国农作物品种资源研究工作重点仍将是20字方针，即“广泛收集、妥善保存、深入研究、积极创新、充分利用”。一、种质资源的类别及特点作物种质资源一般可按其来源、生态类型、亲缘关系、育种实用价值进行分类，从育种和遗传的角度看，按亲缘关系与育种实用价值进行分类较为合理。按育种实用价值分类1．地方品种一般指在局部地区内栽培的品种，多未经过现代育种技术的遗传修饰，所以又称农家品种。其中有些材料虽有明显的缺点但具有稀有可利用特性，如特别抗某种病虫害，特别的生态环境适应性，特别的品质性状以及一些目前看来尚不重要但以后可能特别有价值的特殊性状。2．主栽品种指那些经现代育种技术改良过的品种，包括自育或引进的品种。由于其具有较好的丰产性与较广的适应性，一般被用作育种的基本材料。3．原始栽培类型指具有原始农业性状的类型，大多为现代栽培作物的原始种或参与种。多有一技之长，但不良性状遗传率高。现在存在的已很少，多与杂草共生，如小麦的二粒系原始栽培种，一年生野生大麦等。4．野生近缘种指现代作物的野生近缘种及与作物近缘的杂草，包括介于栽培类型和野生类型之间的过渡类型。这类种质资源常具有作物所缺少的某些抗逆性，可通过远缘杂交及现代生物技术转移人作物。5．人工创造的种质资源杂交后代、突变体、远缘杂种及其后代、合成种等。这些材料多具有某些缺点而不能成为新品种，但具有一些明显的优良性状。按亲缘关系分类Harlan&Dewet(1971)按亲缘关系，即按彼此间的可交配性与转移基因的难易程度将种质资源分为三级基因库。初级基因库(genepool1)库内的各资源材料间能相互杂交，正常结实，无生殖隔离，杂种可育，染色体配对良好，基因转移容易。次级基因库(genepool2)此类资源间的基因转移是可能的。但存在一定的生殖隔离，杂交不实或杂种不育，必须借助特殊的育种手段才能实现基因转移。如大麦与球茎大麦。三级基因库(genepool3) 亲缘关系更远的类型。彼此间杂交不实,杂种不育现象更明显，基因转移困难。如水稻与大麦，水稻与油菜。二、种质资源的收集与保存(一)发掘、收集、保存种质资源的紧迫性保存和利用自然界生物的多样性，丰富和充实育种工作和生物学研究的物质基础，种质资源工作的首要环节和迫切任务是广泛发掘和收集种质资源并很好地予以保存。1．实现新的育种目标必须有更丰富的种质资源2．为满足人类需求，必须不断地发展新作物3．不少宝贵种质资源大量流失，急待发掘保护4．避免新品种遗传基础的贫乏，克服遗传脆弱性克服品种遗传脆弱性的关键是在育种过程中更多地利用种质资源，拓宽新品种的遗传基础。随着少数优良品种的大面积推广，使许多具有独特抗逆性和其他特点的地方农家品种逐渐被淘汰，导致不少改良品种的遗传基础单一化。如近40年来，水稻、小麦品种多为半矮秆品种所代替，这些半矮秆品种的矮源，都集中于少数几个种质，用它们作亲本培育出的一系列品种，不但在许多农艺性状上大同小异，而且在遗传组成上也是相近的。（二）收集种质资源的方法收集种质资源的方法有四种，即直接考察收集、征集、交换、转引。1•直接考察收集是指到野外实地考察收集，多用于收集野生近缘种、原始栽培类型与地方品种。直接考察收集是获取种质资源的最基本的途径。地点：除到作物起源中心和各种作物野生近缘种众多的地区去考察采集外，还可到本国不同生态地区考察收集。注意：①作物本身表现不同的地方，如熟期早晚、抗病虫害程度等。②地理生态环境不同的地方，如地形、地势和气候、土壤类型等。③农业技术条件不同的地方，如灌溉、施肥、耕作、栽培与收获、脱粒方面的习惯不同。④社会条件，如务农和游牧等不同。数量：为了能充分代表收集地的遗传变异性，收集的资源样本要求有一定的群体。如自交草本植物至少要从50株上采取100粒种子；而异交的草本植物至少要从200—300株上各取几粒种子。器官：收集的样本应包括植株、种子和无性繁殖器官。记录：采集样本时，必须详细记录品种或类型名称，产地的自然、耕作、栽培条件，样本的来源（如荒野、农田、农村庭院、乡镇集市等），主要形态特征、生物学特性和经济性状、群众反映及采集的地点、时间等。2•征集是指通过通讯方式向外地或外国有偿或无偿索求所需要的种质资源；征集是获取种质资源花费最少、见效最快的途径。20世纪50年代中期，我国在农业合作化高潮中，为了避免由于推广优良品种而使地方品种大量丧失，农业部曾于1955和1956年两次通知各省（市、区），以县为单位进行大规模的群众性品种征集。据1958年初统计，全国共征集到40多种大田作物约40万份材料。交换是指育种工作者彼此互通各自所需的种质资源；转引一般指通过第三者获取所需要的种质资源，如我国小麦T型不育系就是通过转引方式获得的。由于国情不同，各国收集种质资源的途径和着重点也有异。Q资源丰富的国家多注重本国种质资源收集，资源贫乏的国家多注重外国种质资源征集、交换与转引。Q美国原产的作物种质资源很少，把国外引种作为主要途径。Q前苏联：重视广泛地开展国内外作物种质资源的考察采集和引种交换。Q我国的作物种质资源十分丰富，所以，目前和今后相当一段时间内，主要着重于收集本国的种质资源，同时也注意发展对外的种质交换，加强国外引种。（三） 收集材料的整理．收集到的种质资源，应及时整理。首先应将样本对照现场记录，进行初步整理、归类，将同种异名者合并，以减少重复；将同名异种者予以订正，给以科学的登记和编号。此外，还要进行简单的分类，确定每份材料所属的植物分类学地位和生态类型，为保存和做进一步研究提供依据。（四） 种质资源的保存保存种质资源的亘的是维持样本的一定数量与保持各样本的生活力及原有的遗传变异性。从狭义上讲，保存主要采用自然（原生境保存）和种质库相结合的办法。原生境保存（insituconservation）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保护野生及近缘植物物种。非原生境保存（exsituconservation）是指种质保存于该植物原生态生长地以外的地方，如建设低温种质库的种子保存，田间种质库的植株保存，以及试管苗种质库的组织培养物保存等。1．种植保存种质资源材料必须每隔一定时间（如1-5年）播种一次，即称种植保存。Q就地种植保存是通过保持植物原来所处的自然生态系统来保存种质；©迁地种植保存是把整个植物迁出其自然生长地,保存在植物园、种植园中。Q宜采取集中与分散保存的原则，把某些种质资源材料分别在不同生态地点种植保存。©4在种植保存时，每种作物或品种类型的种植条件，应尽可能与原产地相似，以减少由于生态条件的改变而引起的变异和自然选择的影响。©在种植过程中应尽可能避免或减少天然杂交和人为混杂的机会。2．贮藏保存对于数目众多的种质资源，如果年年都要种植保存，不但在土地、人力、物力上有很大负担；而且往往由于人为差错、天然杂交、生态条件的改变和世代交替等原因，易引起遗传变异或导致某些材料原有基因的丢失。因而，近年来各国对种质资源的贮藏保存极为重视。为了有效地保存好众多的种质资源，世界各国都十分重视现代化种质库的建立。如国际水稻研究所的稻种资源库便分3级：短期库。温度20°C，相对湿度45%。稻种盛于布袋或纸袋内，可保持生活力2〜5年。中期库。温度4C,相对湿度45%。稻种盛放在密封的铝盆或玻璃瓶内，密封，瓶底内放硅胶。可保持种子生活力25年。长期库。温度一10C，相对湿度30%，稻种放人真空、密封的小铝盒内，可保持种子生活力75年。20世纪70年代后期以来，我国陆续在北京、湖北、广西等一些农业科学院建造了自动控制温、湿度的种质资源贮存库。其中长期库的温度指标一般为-10C，相对湿度为30%〜40%，中期库温度为0-5C，相对湿度为50%-60%。3．离体保存植物细胞的全能性。20世纪70年代以来，国内外开展了用试管保存组织或细胞培养的方法来有效地保存种质资源材料。可以解决用常规的种子贮藏法所不易保存的某些资源材料，如具有高度杂合性的、不能异地保存的材料、不能产生种子的多倍体材料和无性繁殖植物等；可以大大缩小种质资源保存的空间，节省土地和劳力；用这种方法保存的种质，繁殖速度快，还可避免病虫的危害等。目前，作为保存种质资源的细胞或组织培养物有愈伤组织、悬浮细胞、幼芽生长点、花粉、花药、体细胞、原生质体、幼胚、组织块等。4．基因文库技术自然界每年都有大量珍贵的动植物死亡灭绝，遗传资源日趋枯竭。建立和发展基因文库技术，对抢救和安全保存种质资源有重要意义。基因文库技术保存种质程序如下：提取DNAf目的DNA片段f克隆化f大肠杆菌f大量繁殖f产生大量的生物体中的单拷贝基因。三、种质资源的研究与利用种质资源的研究内容包括性状、特性的鉴定与评价及细胞学鉴定等。所谓鉴定就是对育种材料做出客观的科学评价。鉴定是种质资源研究主要工作，鉴定的内容因作物不同而异。一般包括农艺性状，如生育期、形态特征和产量因素；生理生化特性，抗逆性，抗病性，抗虫性，对某些元素的过量或缺失的抗耐性；产品品质，如营养价值、食用价值及其他实用价值。鉴定方法依性状、鉴定条件和场所分为直接鉴定(directevaluation)和间接鉴定(indirectevaluation)，自然鉴定和控制条件鉴定(诱发鉴定)，当地鉴定和异地鉴定。为了提高鉴定结果的可靠性，供试材料应来自同一年份、同一地点和相同的栽培条件，取样要合理准确，尽量减少由环境因子的差异所造成的误差。根据目标性状的直接表现进行鉴定称之为直接鉴定。对抗逆性和抗病虫害能力的鉴定，不但要进行自然鉴定与诱发鉴定，而且要在不同地区进行异地鉴定,以评价其对不同病虫生物型及不同生态条件的反应，如对小麦条锈病的不同生理小种的抗性和