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【都市时报】种子的“诺亚方舟”在昆明(150526)
时间 : 2015-05-26     

  《旧约·创世纪》中,记载着一个众人皆知的传说——当大洪水侵袭世界,毁灭所有生命时,得到神谕的诺亚带着家人与各种牲畜、鸟类,乘上事先建造的方舟,躲开了这场大灾难。“诺亚方舟”就此成为避难所的代名词。

  面对终极灾难,人类早有警惕。在挪威的极北地区,有个专门为“世界末日”准备的“种子银行”——斯瓦尔巴德全球种子库(Svalbard Global Seed Vault)。如果有一天,地球遭遇毁灭性的灾难,沉睡在那里的几百万份农作物种子,就将成为人类复活农耕文明的希望。

  但是,你可能不知道,这样的“植物末日避难所”中国也有,且就在我们身边。位于昆明北郊黑龙潭的中国科学院昆明植物研究所里,就有这样一个被层层保护着的“种子保险库”。

  植物末日避难所

  位于昆明的这座“种子保险库”,是中国第一座国家级野生生物种质资源库,也是亚洲最大、世界第二大的野生植物种质库。  

  “种子保险库”全名叫“中国西南野生生物种质资源库” (Germplasm Bank of Wild Species)(以下简称“种质库”),包括种子库、植物离体库和DNA库。其中,种子库是最主要的库,里面保存着来自国内外的大量野生植物种子,是中国第一座国家级野生生物种质资源库,也是目前亚洲最大、世界第二大的野生植物种质库。

  创立这座“种子保险库”的,是已故著名植物学家,中国科学院院士吴征镒先生。这位中国植物学的先驱曾感慨:“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”。

  吴征镒很早就意识到保护野生生物种质资源的重要性。早在1999年,他就致信当时的国务院总理朱镕基,提出要尽快建立云南野生生物种质资源库。他在信中写道:“云南省拥有15000多种植物,约占全国的50%……这些种质资源是中国一笔十分宝贵的财富,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”;2007年,种质库的各项工作正式开始运行。

  在种质库的种质保藏中心,所有的部门工作都围绕着一颗颗野生植物种子进行。采集、保存、鉴定种子,入库前的各项清理和筛选,入库后的保存设施运行维护,还有定期的种子活力检测……20多位工作人员各有分工。

  为什么要花费那么多心思在种子上呢?

  对于人类来说,似乎永远不会担心种子会“绝种”,但在植物学家看来,种子并没有人们想象的那么坚强。草木繁荣的景象背后,是植物多样性急剧下降的现实;人类活动带来的环境污染、气候变化、外来物种入侵、毁灭性开发等影响着动植物,有些物种已经消失,还有很多也濒临灭绝。

  “比如喜马拉雅红豆杉,因为含抗癌化合物紫杉醇而闻名,但在喜马拉雅地区,由于过度人工开采,致使一些红豆杉自然居群消失殆尽。人类的贪婪把一个植物物种逼到了绝境,为了不让它们真正消失,我们能做的就是把它的种植资源,包括种子安全地保存下来,以便日后进行生态恢复。”在昆明植物研究所的种子博物馆里,种子管理员李涟漪指着墙上挂着的喜马拉雅红豆杉照片说道。

  电影《星际穿越》告诉我们:对于人类来说,粮食是最重要的(除了爱)。若有一天,我们的生活变得像影片中的人类一样,只能以玉米为食的时候,那将会多么可怕!所以,生物多样性的基础,正是种质资源。

  但是实用主义者还会问:我们只需保存人类经常食用的物种就行了,为什么还要挽救那些野生植物呢?

  在中国科学院昆明分院院长、种质库主任李德铢看来,保存野生植物种子,对我国的生物多样性保护意义重大。“普通野生稻在云南的分布点已由上世纪80年代初的26个缩减到现在的2个,药用野生稻的许多分布点已经消失……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多万种野生植物的研究则非常欠缺。”

  另外一个故事也能说明保护野生生物种的重要性。上世纪50年代末,美国大豆感染了囊孢线虫病,大豆生产濒于毁灭;后来从野生大豆种质资源中筛选出抗囊孢线虫病的“北京小黑豆”,育成了高产抗病新品种,不仅挽救了美国的大豆产业,还使美国的大豆产量跃居世界第一。

  “很多野生植物是人类栽培作物的近缘种,它们的基因资源可以被用来培育出更优质的作物品种,从这个角度讲,保存野生生物种质资源非常有必要。”种质保藏中心(种子库)主管杨湘云博士说。

  正因如此,早在1946年,美国就建立了国家植物种质系统,1990年建立了国家遗传资源计划;英国于1997年投资8000万英镑,启动了“千年种子库”项目……根据国际粮农组织(FAO)的估算,目前全世界建设了1600多个“种子银行”。

  搜寻种子的快乐与危险

  找到未知的植物种子,会给工作人员带来满足的快乐;但未知的背后,也有着中毒等巨大风险。

  “沿着水边,出去采集的人们正往回走,肩上沉甸甸的。他们沿着断断续续的林地走了几英里,一边还要有节奏地敲打草丛,以期找到成熟的种子……他们每年要在这项工作上花费三分之一的时间,春天要花两个月采集种子,秋天还要用两个月采集水果和坚果……”

  这段描述出自马丁·琼斯先生的《宴飨的故事》,把大约2.3万年前在以色列基尼烈湖边发生的故事真实再现。2.3万年后,蔡杰和他的同事们做着同样的事情——他们一年中大部分时间都在野外寻找、收集各种野生植物的种子。

  蔡杰加入种子库的种子采集部是2008年,那是种质库开始运作的第二年。采集部工作人员比较少,到今年也只有5个人,但足迹几年来遍布云南乃至全国大多数地区。他们和他们协调的全国60多个合作单位,采集回来的种子已经超过8000种。

  蔡杰说,采集部的工作人员每次外出前,都会先明确要采什么。“我们首先要遵循3E标准,指‘珍稀濒危的(Endangered)’、‘地区特有的(Endemic)’和‘具有重要经济价值的(Economically Important)’,满足其中任何一点的植物种子,都符合我们采集的标准。如果遇到一些计划外的种子,符合3E标准,我们也会随机采集。”

  由于大多数时间都在云南活动,蔡杰和同事们也认识了不少少数民族地区的老乡,从他们那儿了解到了很多不熟悉的野生植物。“他们的生活经验可以告诉我们野生植物有什么特点,可不可以食用,有无药用价值,在什么样的条件下生长,等等。”

  但让蔡杰和同事们感到遗憾的是,随着环境和生活方式的变化,原住民识别野生植物的能力也在慢慢弱化,“他们的后代可能会更多地外出打工,接触野外的机会和农村生活的经验都少了,了解的野生植物也会一代比一代少。”蔡杰说。

  发现一种新种子,会让采集部的成员们开心兴奋;当然,这个过程也并非全部充满乐趣。“有时候会遇到比较危险的情况,比如有一个同事,之前在广西采集一种树的种子,那棵树看上去三四米高,同事就用高植剪去剪,果实掉下来的时候,他就用手去接,没想到尽管戴了手套,还是被果子上的刺毛扎进了手里。同事说,那一瞬间疼痛‘直击心脏’,回去用水洗,没想到一碰水更是疼得钻心。”

  蔡杰记得,回去后同事们翻阅植物志,才知道这种树叫“火麻树”,也叫“咬人狗”,刺毛含有高浓度的蚁酸,皮肤接触后会引起严重的瘙痒、烧灼痛、红肿。牲畜和小孩被刺伤,严重的甚至会死亡。后来过了一个多星期,同事的症状才慢慢缓解。

  未知植物带来的危险对蔡杰和同事们来说可以克服,但最让他们感到遗憾的是,“很多时候,我们会发现,以前采集过的地方,等过一段时间再去,就已经被人类活动破坏。修路、建房,之前在那里的植物再也找不到了。”蔡杰叹息。

  探秘种子的“入库”之旅

  采集-核查-登记-初次干燥-X光拍摄-再次干燥-入库,每一粒进入“保险库”的种子都要完成艰难的旅行。

  从野外采集回来的植物种子,都会在植物所经历初干燥、清理、入库、萌发活力检测等程序。密封的保存罐上,都会有明确标注它们各种信息的“身份条形码”。在种子入库之前,研究人员会把种子的编码录入电脑,这样研究人员就可以从种子的“身份证”上轻松识别信息,诸如采集日期、采集地、采集者、种子名称、数量、库存位置和萌发信息等。

  “我们是按一整个信息单元来采集物种的,包括种子、提取DNA的材料、图片等,在采集种子的同时还要记录下采集时间、地点、经纬度、海拔、土壤类型、采集数量等等,包括凭证标本,这些都是植物鉴定的依据。”种子管理员李涟漪说。

  有些时候,就算已经采集过的种子,采集人员也会重复采集,“不同地区的生态环境不一样,同一种植物在不同地区生长,有可能所携带的遗传信息也会不同。”蔡杰说,这要求采集人员在不同的生长地点采集,一般要求采集的植物种子每份至少2500粒,珍稀濒危植物的种子数量可以少一些。

  采集回来的种子,首先要进行签收登记。种子管理员们认真地对它们进行分门别类的整理和归类,并进行核查和登记。为了防止种子萌发、减少病源微生物的危害,登记完的种子将会被放到温度为15℃和相对湿度为15%的干燥间中,进行初次干燥。

  初次干燥后的种子接着要进入种子清理室。在经过各种清理机器的“筛选”后,空瘪的种子、细小的植物枝条、果皮上的绒毛和灰尘等都被除去,留下肉眼看上去健康饱满的种子,比较小的种子还需要管理员人工清理,放在显微镜下,一颗颗检测种子的质量。

  清理完的种子被装进纸袋中,再进入“X光检测室”进行X光图像拍摄。在负责给种子拍X光照的种子管理员李涟漪的镜头下,每粒种子的内部构造都一目了然。“通过拍摄X-光图像,我们就能看出哪些种子是饱满的,哪些种子的胚已经损坏了。”

  由于X光照检测最多只能把种子放大5倍,一些体积太小的种子,或者结构过于复杂的种子,就不太适合进行X光检测。这时,就要使用剪切检测法——在解剖镜下,用镊子和解剖刀对种子进行解剖,进而统计种子饱满率,评估清理效果和种子质量。

  通过检测和计数完的种子,还要进行一次干燥。若是种子里含水过多,在-20℃的低温环境中,种子内就会形成冰晶,被冻死。

  待二次干燥完成后,种子就可以入库了。所谓入库,是把筛选出来的种子密封在保存罐里,然后放进-20℃的冷库中。在那里,它们或可存活几十年、数百年,甚至上千年。

  冷库位于种质库的地下一楼,在通过一个4平方米大小的缓冲间后,记者跟随技术人员进入了主干燥间(温度15℃,相对湿度15%),干冷的空气迎面而来,从这里可以直接进入5个-20℃的冷库,冷库的总面积约200平方米。

  能进入冷库的人不多,除了这里的工作人员,很少有人能被准许进入。这里的安全系数极高,是全球为数不多达到国际标准的“种子保险库”,整个库体设计虽然在4层高的大楼底部,但却是独立于整栋大楼的,设计的抗震烈度为8级。

  在冷冻与极寒中“冬眠”

  一些热带植物的种子不能储存在-20℃的环境中,它们将被送入超低温液氮里保存,温度低至-196℃。

  打开一个冷库的门,凛冽的寒气迎面扑来。外面已是初夏,但里面的工作人员还穿着及小腿的羽绒服,站在一排排储藏架之间,指着架子上储存着各种种子的玻璃瓶:“这可不是家里用的普通玻璃瓶。这是经过严格检验,达到了极高的密封标准的专用保藏罐。”不仅如此,每个瓶子里还放了变色硅胶,万一密封出了问题,种子受潮就会变色,方便工作人员及时发现。

  入库的种子被分成两份,一份放在基础库中,一份放在活动库里。基础库里的种子永久保存,而活动库里的种子可以随时取出进行科学研究,也用于每过5到10年后进行的萌发实验,检测种子是否还能发芽成活。

  “第一批采集保存的种子从2005年到现在,已经过了第一个5年和第一个10年,那些种子已经陆续被取出进行活力检测。我们发现,5年前做的萌发检测的种子萌发率和如今检测的几乎没有什么区别。”杨湘云解释,这说明,在冷库的低温干燥环境下,种子的活力保存完好。

  由于前期采集了大量的植物种子,如今,萌发检测的高峰期已经到来。在种质库二楼的通用实验室里,研究人员每天都在忙碌地进行萌发试验。他们将种子分别放进10℃、15℃、20℃、25℃、30℃等5个不同温度梯度的萌发培养间,或者模拟室外环境的25℃(白天)/16℃(晚上)的立式萌发培养箱。“我们会根据资料和物种采集地的实际生长环境来设定合适的萌发温度。”杨湘云说。

  种质库成立之初,国家一、二级珍稀濒危植物——如喜马拉雅红豆杉、巧家五针松、弥勒苣苔、金铁锁(云南白药主要成分之一),以及许多地区特有植物,如中国特有的珙桐、云南金钱槭、云南双盾木、伯乐树、滇桐等植物种子被优先保存。截至2014年年底,种质库保存了8855种、共65067份种子。

  当然,也不是所有采集来的种子都能进入冷库保存,“有些种子我们称之为‘顽拗型’种子,比如芒果、椰子这样的热带植物,在低温干燥的条件下会失去活力,所以没法用低温干燥的方法进行保存。”蔡杰说。

  针对这样的“顽拗性”种子,研究人员也有相应的解决方法,那就是用液氮超低温的方法来保存,温度可以达到-196℃。“在液氮超低温的条件下,就可以把那些顽拗型种子的胚轴或其它组织取出来,通过适当的技术处理,单独进行保存。”杨湘云说,这样保存的种子存活时间更长。

  在种质库目前采集入库的种子中,最大的是“榼藤”(Entada phaseoloides)的种子,有鸡蛋大小,而最小的种子是兰花的种子,小如微尘,体积单位以微米来表示,在显微镜下才能看清它们的形状。绝大多数的兰花科种子由于体积过小,难以用常规方法保存,有些则会采用离体保存,把可供繁殖的组织,包括花粉、胚或者叶尖等保存在专用培养基中。

  除此之外,还可以用提取植物DNA的方法来进行保存,DNA库是种质库的另一个重要组成部分,也是种质资源保存技术的又一大突破,“携带着生命个体遗传信息的DNA分子,保存了物种完整的遗传信息,因此也是属于种质资源保存的一种方法,所保存的DNA分子可以用于分子生物学领域的研究和开发,包括DNA条形码和功能基因的挖掘,但目前还没有任何技术能让植物DNA恢复出活体生物。”杨湘云介绍。

  在种质库这个大家庭中,不仅有榼藤子那样的实体大种子,还有如兰花那样的微小种子,甚至有离体保存的植物组织和植物的DNA,所以这些均统称为植物的种质资源。这些被细心呵护的种质资源,不仅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,也让人类减少了世界末日的后顾之忧。

  但不管人类建立的“种子银行”如何富有,我们也不能忽视我们本来就有的,更精妙、更保险的“自然种子银行”——那些遍布全球的原始森林、草原、湿地、荒漠与海洋。人类眼中的荒野其实并不“荒”,只要人类不肆意破坏,物种就能保持茁壮的生命力。

  不管人类建立的“种子银行”如何富有,我们也不能忽视我们本来就有的,更精妙、更保险的“自然种子银行”——那些遍布全球的原始森林、草原、湿地、荒漠与海洋。

  来源:http://times.clzg.cn/html/2015-05/26/content_503234.htm