植物遺傳資源的保存與利用分析

1、植物遺傳資源的保存與利用分析    摘要:植物遺傳資源是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),是人類開展栽培、育種和生物學研究的基礎(chǔ)材料。植物遺傳資源的保存對生物多樣性、生態(tài)平衡、農(nóng)業(yè)未來的發(fā)展具有十分重要意義。本文主要就利用原生境和非原生境的方式保存植物遺傳資源,從高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病蟲、抗旱、高肥效等方面進行了系統(tǒng)研究,它對于植物遺傳基因的挖掘和利用研究具有一定的參考。 關(guān)鍵詞:植物遺傳資源;保存;利用 植物遺傳資源是生物多樣性的重要組成部分,是地球上極為重要的財富,是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。作物遺傳資源也稱種質(zhì)資源,是具有特定種質(zhì)或基

2、因,可用于栽培、育種和生物學研究的各種生物類型的總稱。長期以來,人類對作物遺傳資源的保存缺乏足夠的認識和重視,遺傳資源流失加速,遺傳多樣性減少和一致性增強,其后果是導致作物遺傳脆弱性和病蟲害的暴發(fā)而造成農(nóng)業(yè)損失,并影響農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。 1.植物遺傳資源保存的緊迫性 1.1人類活動的加劇,加速了植物遺傳資源的流失 隨著人類認識自然、改造自然能力的不斷增強,人口增長,對資源的需求增多,特別是對資源不合理的過度開發(fā)與利用,加速了作物遺傳資源的流失。N.Meuers(1988)估計在過去2億年間,大約每27年有一種高等植物滅絕,而現(xiàn)在的滅絕速度是自然滅絕速度的1000倍

3、(E.O.Wilson 1988)。我國云南景洪原有野生稻分布點26個(1968年),現(xiàn)僅剩1處;江西東鄉(xiāng)原有野生稻分布點78個(1978年),現(xiàn)僅有2處。這些種質(zhì)的消失,是難以用任何現(xiàn)代生物技術(shù)重新創(chuàng)造的。 1(/).2遺傳多樣性的減少,導致遺傳脆弱性和病蟲害的暴發(fā)造成農(nóng)業(yè)損失 20世紀以來,隨著新品種的大量推廣,少數(shù)品種成為優(yōu)質(zhì)品種,品種遺傳的多樣性減少,遺傳基礎(chǔ)越來越狹窄,現(xiàn)代品種基因的等位性變異愈來愈少。建國初期,我國有1萬個小麥品種(主要是農(nóng)家品種)在種植使用,到20世紀70年代僅存1000個品種。我國育成的小麥品種數(shù)百個,其親本大都離不開14個骨干親本

4、。賈繼增等用分子檢測方法證明現(xiàn)代選育品種遺傳多樣性最差,地方品種較好,野生種遺傳多樣性最豐富。用RFLP標記在14個普通小麥品種各條染色體的472個位點進行遺傳多樣性檢測,發(fā)現(xiàn)283個位點有多態(tài)性,其中硬粒小麥與粗山羊草雜交后染色體加倍育成的Synthetic持有等位變異175個,10個品種間雜交育成的品種只有07個。美國在過去100年間,玉米品種喪失91%,西紅柿品種喪失81%。作物品種單一化和遺傳基礎(chǔ)狹窄,增加了作物對病蟲害抵抗能力的遺傳脆弱性。19世紀40年代,愛爾蘭馬鈴薯晚疫病流行,造成200萬人移居美國,50萬人死亡。 1.3作物遺傳資源的保存,關(guān)系到農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展

5、60;農(nóng)業(yè)的發(fā)展歷史,充分證明植物遺傳資源在農(nóng)業(yè)發(fā)展中具有不可替代的重要作用。洲際引種開創(chuàng)了高產(chǎn)作物引種,使農(nóng)業(yè)總產(chǎn)量提高1倍;石油農(nóng)業(yè)雖使作物產(chǎn)量進一步提高,但也帶來了環(huán)境污染、作物倒伏等問題的出現(xiàn)。1960年左右小麥、水稻等矮稈基因的開發(fā)和利用,標志著第三次農(nóng)業(yè)發(fā)展“綠色革命”開始了。雜交水稻之父袁隆平發(fā)明的“水稻野敗型雄性不育株轉(zhuǎn)育成不育系”,開創(chuàng)了我國“三系”配套雜交水稻生產(chǎn)的新局面。農(nóng)業(yè)未來的發(fā)展取決于人類對植物遺傳資源的保存和廣泛利用,用一種生產(chǎn)效益型、資源節(jié)約型、環(huán)境保護型、食物安全型的可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的農(nóng)業(yè)運作方式。 1.4遺傳資源是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)

6、基礎(chǔ),應進行科學分析和客觀評價&n        bsp;對植物遺傳資源的科學分析和評價是推廣利用的前提,特別是利用現(xiàn)代生物技術(shù)從分子水平上研究遺傳多樣性。隨著生產(chǎn)發(fā)展,人民生活水平的提高,對品種的要求越來越高,也越來越多,而任何一個品種和類型都不可能具有與社會發(fā)展需要完全相適應的性狀(基因),必須通過育種途徑來實現(xiàn)這一需要。育種工作就是要按人類的意圖對植物遺傳資源進行加工、改造、選擇和培育出符合人類需要的品種,遺傳資源為人類提供食品、藥品,并為人類構(gòu)建了良好的生態(tài)環(huán)境。 2.植物遺傳資源的保存方

7、法 保存就是人類利用生物圈(即全部生物)的管理,使其能給人最大的持久利益,并保持其潛力以滿足后代人的需要和愿望。植物遺傳資源的保存是以天然或人工創(chuàng)造的適宜環(huán)境保持樣本一定數(shù)量和原有生活力及遺傳性,使生物個體的遺傳物質(zhì)具有完整性,并能通過繁殖將其遺傳物質(zhì)傳遞下去,減少繁殖過程中的遺傳漂變。保存可采用自然(原生境)和基因庫(非原生境保存)相結(jié)合的方法。 2.1原生境保存 原生境保存是指在原有生態(tài)環(huán)境中,就地進行繁殖保存。可通過建立自然保護區(qū)或天然公園等途徑來保護野生及近緣植物物種。據(jù)國家林業(yè)局保護司數(shù)據(jù)顯示,截至2003年底,我國現(xiàn)有的各級各類自然保護區(qū)共有1999處

8、,面積為14398萬km2,占國土總面積14%左右。建有3個國家級珍稀野生植物保護區(qū):廣東高州和江西東鄉(xiāng)的野生稻保護區(qū),山東墾利野生大豆保護區(qū),我國臥龍山、長白山和鼎湖山三處被列為國際生物圈保護區(qū)。 2.2非原生境保存 非原生境保存是指將植物遺傳資源遷出植物原有生態(tài)環(huán)境以外的地方進行保存的方式。 2.2(理學/農(nóng)林學 論文 /).1植株保存?？刹捎梅N質(zhì)圃、植物園等保存植物遺傳資源的種子或無性繁殖器官的生活力。該保存方法為使植物遺傳資源保持一定數(shù)量,必須隔一定年限(15年)種植繁殖一次。特別適合于產(chǎn)生頑拗型種子的植物(如槭樹、七葉樹等)。這種種子在干燥(種子水分低于

9、12%),低溫(1015)的條件下迅速失去活力。 2.2.2種子保存。主要通過保存種子的種質(zhì)庫來完成。根據(jù)庫溫、保存年限、相對濕度可分為:(1)短期庫:庫溫1015,相對濕度60%,種子含水量為8%左右。主要是臨時貯存應用材料,并分發(fā)供種子研究、鑒定、利用。種子存放于布袋或紙袋,可保存25年。(2)中期庫:庫溫010,相對濕度<60%,種子含水量為7%左右。以中期貯存為目的。種子存放于玻璃瓶或紙袋,可保存15年以上。(3)長期庫:庫溫為-18或-20,相對濕度<50%,種子含水量為57%。為種子長期貯存,為保證遺傳完整性,一般不分發(fā)種子。種子存放于種子盒或小鋁盒,可保存5

10、0年或更長。 2.2.3離體保存。主要是利用細胞具有全能性的特點,采用試管保存細胞培養(yǎng)物質(zhì)或組織和超低溫保存。陳振光于1985年將柑橘試管苗培養(yǎng)在20、12h光照條件下,不做轉(zhuǎn)移繼代培養(yǎng)保存長達13年。我國建立的馬鈴薯和甘薯試管苗種質(zhì)庫保存900份和1600份。 超低溫保存是利用超低溫冰箱(-80)、干冰(-79)、液態(tài)氮(-196)、氣態(tài)氮(-140)保存細胞或組織。目前,豌豆和蘋果莖尖在液態(tài)氮中貯藏時間最長,12年后仍有60%以上培養(yǎng)物分化植株。 2.2.4核心種質(zhì)保存。弗蘭克爾(Frankel)、布朗(Brown)等提出了核心種質(zhì)。核心種質(zhì)就是通過一定的方法

11、從整個遺傳資源中選擇一部分樣本,以最小的數(shù)量和遺傳重復,盡可能最大程度代表整個遺傳        資源的多樣性。核心種質(zhì)具有代表性、實用性、有效性、動態(tài)性。目前,我國建有芝麻、一年生野生大豆和栽培大豆、小麥等植物的初選核心樣本。 2.2.5基因文庫技術(shù)保存。自然界每年有大量動植物死亡滅絕,遺傳資源枯竭,建立發(fā)展基因文庫技術(shù)保存遺傳資源意義重大。程序:提取DNA利用限制性內(nèi)切酶獲取目的DNA片段大腸桿菌克隆獲得單拷貝基因。建立基因文庫,可長期保存植物遺傳資源,并可反復培養(yǎng)繁殖篩選獲得目的基因。 &

12、#160; 3.植物遺傳資源有利基因的挖掘與利用 3.1高產(chǎn)基因的挖掘利用 提高作物產(chǎn)量是解決糧食問題的重要舉措,我國水稻育種生產(chǎn)的發(fā)展充分說明了這一點。上世紀50年代在“矮子粘”、“矮腳南特”等中的矮源基因的發(fā)現(xiàn)利用,育成了一批矮桿抗倒、高產(chǎn)的秈稻良種(如廣場矮、珍珠矮等),開創(chuàng)了我國水稻的矮化育種、“低腳烏尖”矮桿基因Sd1的發(fā)現(xiàn)利用、小麥矮源農(nóng)林10號等利用推動了全球范圍內(nèi)的“綠色革命”。70年代,野敗型雄性細胞質(zhì)不育株的發(fā)現(xiàn)利用,開創(chuàng)了我國“三系”配套生產(chǎn)雜交水稻的新局面,使我國水稻產(chǎn)量上了一個新臺階;超級雜交稻育種找到比現(xiàn)有水稻良種“威優(yōu)64”增產(chǎn)18%

13、的兩個高產(chǎn)基因(理論效益為36%,加以其它技術(shù)措施,單產(chǎn)可提高55%)的發(fā)現(xiàn)利用。水稻育種實踐充分證明,育種中每一次重大成就和突破性品種的育成均與有利基因的發(fā)現(xiàn)與利用密不可分。 3.2優(yōu)質(zhì)基因的挖掘與利用 發(fā)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)基因,改進產(chǎn)品品質(zhì)。玉米高賴氨酸突變體奧派克2號(Opaque 2)的發(fā)現(xiàn)利用,推動了玉米營養(yǎng)品質(zhì)的遺傳改良。奧派克2號玉米籽粒胚乳的賴氨酸含量可比普通玉米高70%左右。 3.3抗病、蟲基因的挖掘與利用 轉(zhuǎn)基因技術(shù)為作物育種開辟了又一有效途徑。通過這種技術(shù)手段可將外源抗病蟲基因?qū)胫参?增強抗性。1987年獲得第一株抗蟲轉(zhuǎn)基因煙草,1

14、988年首次獲得抗黃瓜花葉病(CMV)的轉(zhuǎn)基因煙草植株,相繼在棉花、馬鈴薯、番茄等作物中獲得轉(zhuǎn)基因作物。1998年我國抗蟲棉花種植達160萬km2。目前應用的抗蟲基因有蘇蕓金桿菌毒蛋白基因(Bt),蛋白酶抑制基因(PI)、外源凝集基因,豌豆外源凝集素基因(Pealectin,P2ec)已成功導入煙草,在轉(zhuǎn)基因煙草中能正確表達并加工成活性肽,表達量可占溶性總蛋白的1%。 3.4抗旱基因的挖掘與利用 隨著全球氣候變暖,干旱加劇。2009年初春我國北方的嚴重干旱又把作物的抗旱性擺在我們面前。我國干旱、半干旱地區(qū)約占國土面積的1/2,年受旱面積達34億畝,伴隨氣候變暖、水資源短缺,

15、植物抗旱性面臨嚴峻的考驗。Xu等已將LEA大麥蛋白抗旱基因(HvAl)導入水稻懸浮細胞,并獲得耐水分脅迫和鹽脅迫的轉(zhuǎn)基因植株。在煙草抗旱植物基因工程中,主要將脯氨酸、甜菜堿和糖類等小分子滲透調(diào)節(jié)劑合成途徑中的關(guān)鍵酶基因?qū)朊舾兄参镏?提高植物抗性。王根軒教授在干旱植物甘草中發(fā)現(xiàn)了抗旱基因,為抗旱基因的克隆利用奠定了基礎(chǔ)。 3.5高肥效基因的挖掘與利用 我國許多地區(qū)土壤中礦物質(zhì)營養(yǎng)元素含量較高,但以有效形式存在,能被植物直接吸收利用的較少,由此造成利用率低。據(jù)陳國斌等人的報道,氮肥利用率為35%,鉀肥利用率為47.5%,磷肥利用率為19.5%。魯如坤專家的研究表明,施入土壤中的磷肥作物一季的吸收量為1025%,仍有7590%殘留于土壤中。從19601990年累計吸附在土壤中的磷肥達6000t,而我國目前每年磷肥的使用總量為600t。由此,我們可以看出,提高作物對土壤中營養(yǎng)元素的吸收