作物育種學：第2章 種質資源

第二章種質資源教學的基本要求（1）了解種質資源的重要意義；（2）理解作物起源中心學說的內容及對育種工作的指導意義；（3）掌握種質資源的搜集、研究、保存方法，不同類別種質資源的特點及其在育種上的利用價值。育種的原始材料、品種資源、種質資源、遺傳資源、基因資源是一類意義內涵大體相同的名詞術語。

在遺傳育種領域內，把一切具有一定種質或基因的生物類型總稱為種質資源，包括品種類型、遠緣種、野生種的植株、種子、無性繁殖器官、花粉甚至單個細胞，只要具有種質并能繁殖的生物體?，F(xiàn)代育種中所利用的原始材料包括現(xiàn)有的品種材料、近緣、遠緣的野生植物，主要是利用其遺傳物質或種質，所以現(xiàn)在國際上都采用種質資源（germplasmresources）一詞。

種質資源是用以培育新品種的原始材料，在我國，20世紀60年代初稱為品種資源。因為現(xiàn)代的遺傳育種研究不但要利用現(xiàn)有的種質資源，而且要進行染色體工程、基因工程，所以也將種質資源稱為遺傳資源（geneticresources）。說到底，遺傳育種研究上主要采用生物體部分基因，甚至個別基因，所以種質資源又稱為基因資源，并將保存或儲備有形形色色的基因資源材料的地方（種子庫、繁殖田）稱為基因庫

genebank（pool）。中國國家種質庫第一節(jié)

種質資源在育種上的重要性種質資源在作物育種中的作用主要表現(xiàn)在以下幾個方面：一、種質資源是現(xiàn)代育種工作的物質基礎二、稀有特異種質對育種成效具有決定性的作用三、新的育種目標能否實現(xiàn)決定于所擁有的種質資源四、種質資源是生物學理論研究的重要基礎材料不同的種質資源，各具有不同的生理和遺傳特性以及不同的生態(tài)特點，對其進行深入研究，有助于闡明作物的起源、演變、分類、形態(tài)、生態(tài)、生理和遺傳等方面的問題，并為育種工作提供理論依據，從而克服盲目性，增強預見性，提高育種效率。育種實踐證明：在現(xiàn)有遺傳資源中，任何品種和類型都不可能具備與社會發(fā)展完全相適應的全部優(yōu)良基因，但是可以通過育種，將分別具有某些或個別育種目標所需要的特殊基因有效地加以綜合，育成新品種。

Harland說，人類的命運將取決與我們的理解、發(fā)掘栽培植物種質的能力。

N.E.Borlaug說，我一生的科研工作的經驗告訴我，需要不斷地尋找新的遺傳資源，才能豐富自己的創(chuàng)造?，F(xiàn)代育種工作之所以取得巨大成就，除了育種途徑的發(fā)展和采用新技術外，關鍵還在于廣泛收集和較深入地研究和利用了優(yōu)良的種質資源。在某種意義上講，育種工作者或一個國家、地區(qū)擁有種質資源的數量和質量，以及對其研究的深度和廣度，是決定育種效果的主要條件之一，也是衡量育種工作水平的重要標志。一個育種工作者或一個國家、地區(qū)擁有種質資源的數量和質量，以及對其研究的深度和廣度，將決定其在遺傳育種領域的地位。顯然，將來誰在擁有和利用種質資源方面占有優(yōu)勢，誰就有可能在農業(yè)生產及其發(fā)展上占有優(yōu)勢。第二節(jié)

作物起源中心學說及其發(fā)展為了豐富作物育種的種質資源，必須了解種質資源的來源、各個物種遺傳變異的程度，種質資源的地理分布以及與其相適應的生態(tài)環(huán)境，在此基礎上，開展種質資源的搜集工作，以豐富育種的物質基礎。

前蘇聯(lián)著名植物學家瓦維洛夫（NikolaiI.Vavilov）從1916年開始，在全世界范圍內對60多個國家進行了長達20年的植物資源的考察和搜集工作，對采集到的30多萬份作物及其近緣植物標本進行了多方面的研究。瓦維洛夫在此基礎上，瓦維洛夫用地理分區(qū)法，從地圖上觀察這些植物種類和變種的分布情況，進而發(fā)現(xiàn)了物種變異多樣性地理分布的不平衡，在其撰寫的《栽培作物起源》一書中，提出了作物起源中心學說。一、瓦維洛夫的起源中心學說

瓦維洛夫的作物起源中心學說是在DeCandolle（1886）的觀點上發(fā)展起來的。DeCandolle通過植物學、歷史學、語言學等方面的考證提出：每一種作物都起源于一定的地點，并且起源地廣泛分布于全世界。㈠瓦維洛夫的作物起源中心學說

1、作物起源中心有兩個主要特征，即基因的多樣性和顯性基因頻率較高，所以起源中心又可稱為基因中心或變異多樣化中心（centerofdiversity）。2、作物最初始的起源地稱為原生起源中心（primaryorigincenter），現(xiàn)在一般稱為初生中心，意為當地野生類型被馴化的區(qū)域，一般有4個標志：①有野生祖先；②有原始特有類型；③有明顯的遺傳多樣性；④有大量的顯性基因。當作物由原生起源中心地向外擴散到一定范圍時，在邊緣地區(qū)又會因作物本身的基因突變、自交和自然隔離而形成新的由隱性基因控制的多樣化地區(qū)，即次生起源中心（secondaryorigincenter），或稱次生基因中心。同初生中心相比，它也有4個特點即：①無野生祖先；②有新的特有類型，如高粱，初生中心在非洲，但是在中國形成糯質高粱，中國即為次生中心；③有大量的變異；④有大量的隱性基因。

初生中心

次生中心

①有野生祖先無野生祖先

②有原始特有類型有新的特有類型

③有明顯的遺傳多樣性有大量的變異

④有大量的顯性基因有大量的隱性基因

3、在一定的生態(tài)環(huán)境中，一年生草本作物間在遺傳性狀上存在著一種相似的平行現(xiàn)象，瓦維洛夫將這種現(xiàn)象稱為遺傳變異性的同源系列規(guī)律。

如地中海地區(qū)的禾本科作物都表現(xiàn)為植株繁茂、穗大粒多、粒色淡、高產、抗病，而我國的禾本科作物則生育期短、植株矮、穗粒小、后期灌漿快，多為無芒或勾芒。

4、根據馴化的來源，作物分為兩類：一類是人類有目的地馴化的植物，如水稻、玉米、小麥、棉花等，稱原生作物。

另一類是與原生作物伴生的雜草，當其被傳播到不適宜于原生作物而對雜草有利的環(huán)境時，就被人類分離而形成栽培的主體，這類作物稱為次生作物，如燕麥和黑麥。

現(xiàn)在的作物起源中心概念為：野生植物最先被人類栽培利用或產生大量栽培變異類型的比較獨立的農業(yè)地理中心。㈡瓦維洛夫提出的作物起源中心

根據上述四點內容，瓦氏1935年將世界上栽培作物劃分為8個起源中心：

12345678瓦維洛夫的作物起源中心8A8B

1、中國—東部亞洲中心。包括中國中部和南部山岳及其毗鄰的低地，起源137個物種，11種作物，如粟、稷、高粱、裸粒圓錐大麥、蕎麥、大豆、大麻、苧麻、赤豆、白菜等。中國起源中心（東亞中心）主要起源作物有黍、稷、粟、高粱、祼粒無芒大麥、蕎麥、大豆、茶、大麻、苧麻等。

2、印度中心，117物種，15種作物，包括緬甸。主要起源作物有：水稻、綠豆、豇豆、甘薯、芝麻、紅麻、茄子、黃瓜、亞洲棉等。

2a.印度—馬來西亞補充區(qū)（中心）。起源作物有：薏苡、香蕉等。主要起源作物有水稻、綠豆、飯豆、豇豆、甘蔗、芝麻、紅麻等。印度起源中心

3、中亞中心（包括印度的西北部、克什米爾、阿富汗、天山西部等地）。42物種，15種作物，起源作物有：普通小麥、豌豆、蠶豆、草棉等。123456788A8B

4、西部亞洲中心（包括外高加索、伊朗等地）。83物種，20種作物，起源作物有：一粒小麥、葡萄、黑麥、苜蓿等。123456788A8B

5、地中海中心。84物種，6種作物，如大量蔬菜作物、小麥、粒用豆類等。

123456788A8B6、埃塞俄比亞中心

38物種，15種作物：小麥、大麥、咖啡、高粱等。123456788A8B

7、墨西哥南部和中美中心

49物種，9種作物：陸地棉、玉米、甘薯、番茄等。

123456788A8B8a.智利中心。木薯、花生、鳳梨等。

8b.巴西—巴拉圭中心。可可、橡膠樹等。

123456788A8B瓦維洛夫認為：這8個中心在古代由于山脈、沙漠或海洋的阻隔，其農業(yè)都是獨立發(fā)展的，所有的農具、耕畜、栽培方法都不盡相同，每個中心都有相當多的有價值的植物和多樣性變異，是植物育種者探索植物新基因的寶庫。二、作物起源中心學說的發(fā)展與補充

瓦維洛夫的起源中心學說發(fā)表后，又有很多學者對此進行了探討、修正、補充和發(fā)展，有人主張用遺傳多樣性中心代替起源中心，用擴散中心代替起源中心，其理由是遺傳多樣性中心不一定就是起源中心，初生中心不一定是多樣性最大的基因中心，次生中心有時比初生中心具有更多的特異種質。

荷蘭的Zeven和前蘇聯(lián)的茹可夫斯基（1975）--12個中心（大基因中心）⑴中國-日本中心；⑵東南亞洲中心；

⑶澳大利亞中心；⑷印度中心；

⑸中亞中心；⑹西亞中心；

⑺地中海中心；⑻非洲中心；

⑼歐洲-西伯利亞中心；⑽南美中心；

⑾中美和墨西哥中心；⑿北美中心。

Zeven（1982）又將這些中心稱為變異多樣化區(qū)域。大基因中心或變異多樣化區(qū)域都包括作物的原生起源地點和次生起源地點。有的中心雖然以國家命名，但是其范圍并非以國界來劃分，而是以起源作物多樣化類型的分布區(qū)域為依據。

Harlan（1971）提出了不同于瓦維洛夫作物起源中心學說的有關作物起源的觀點，他認為：作物的起源與變異要從時間和空間兩個方向來論證，根據作物擴散范圍的大小，大致可分為5種類型：⒈土生型。植物在一個地區(qū)馴化后，從未擴散出這一地區(qū)；⒉半土生型。被馴化的植物只在臨近地區(qū)擴散；⒊單一中心。在原產地被馴化的植物以后迅速在別的地區(qū)大量栽培，不產生次生中心。如橡膠樹、可可、咖啡；⒋有次生中心。作物從一個明確的原生起源中心廣泛擴散栽培，在一個或幾個形成次生變異起源中心。如小麥、玉米、芝麻、蠶豆、豌豆；⒌無中心。有些作物看不出明確的原生起源地區(qū)，在相當大的范圍內似乎都可以馴化栽培。如高粱、香蕉。Harlan發(fā)表了中心和非中心論，他認為變異最多的地區(qū)不一定就是作物起源中心，并將全世界劃分為3個獨立起源的農業(yè)系統(tǒng)，每個系統(tǒng)各包括1個起源中心地區(qū)非中心地區(qū)。近東、中國和中美洲是3個起源中心地區(qū)，非洲中部、東南亞和南美洲為3個非中心地區(qū)。

1、中心和非中心體系（centerandnon-centersystem）

農業(yè)是分別獨立地開始于三個地區(qū)，即近東、中國和中美洲，更由一個中心和一個非中心組成的一個體系。

在一個非中心內，當農業(yè)傳入后，土生的許多植物物種才被栽培馴化，在非中心栽培化的一些主要作物可能在某些情況下傳播到其它的中心，Harlan的3個中心—非中心體系為：中心非中心

A1：近東←→A2：非洲

B1：中國←→B2：東南亞

C1：中美←→C2：南美

Harlan的中心是農業(yè)起源中心，它不同于瓦維洛夫的作物起源中心，他是從人類文明進程和作物進化進程在時間和空間上的同步和非同步角度上來說明作物起源的。

1975年Harlan對他的中心非中心論進行了修正，提出了地理學連續(xù)統(tǒng)一體學說（Geographicalcontinuu’m）

。

該學說認為：任何有過或有著農業(yè)的地方，都發(fā)生過或正在發(fā)生著植物馴化和作物進化，每種作物的地理學歷史都是獨特的。但是作物的馴化、進化活動是一個連續(xù)統(tǒng)一體，不是互不相關的中心。其依據如下：很難把起源中心說成是相對小的范圍和明確的區(qū)域，作物在進化的開始階段似乎就已散布到較大的或很大的地區(qū)，作物隨著人類的遷移而遷移，并在移動中進化。東西兩半球都是發(fā)展農業(yè)的一個地理學連續(xù)統(tǒng)一體。野生祖先源、馴化地區(qū)，進化多樣性地區(qū)三者之間無必然聯(lián)系，有時只是二者或三者之間的巧合而已。不同學者對作物起源中心的看法不一，劃分的形式也不一樣，但他們都是對瓦維洛夫學說的修正或補充、擴展，都認為現(xiàn)有的各種作物都有它們最初被馴化的地區(qū)和發(fā)生演變的范圍，不同作物總是在一定的歷史時期被馴化，又在一定的地區(qū)發(fā)生演變，盡管遺傳多樣性中心不一定是最初被馴化的地區(qū)，至少是最早發(fā)生演變的地區(qū)。事實也說明，大部分作物種質的自然變異主要是在它的原生或次生中心出現(xiàn)的，所以這些地區(qū)的種質資源中往往蘊藏著育種目標所需要的基因資源，到起源中心或多樣性中心進行考察和搜集，可以得到豐富的基本種質。三、瓦維洛夫作物起源中心學說

在作物育種上的意義

近代的作物育種實踐表明：瓦維洛夫所提出的作物起源中心學說及其后繼者所發(fā)展的有關理論，使人們對作物起源有了較好的了解，為研究作物的起源、演化、分布及其與環(huán)境的關系提供了依據，為種質資源的收集、研究、利用工作提供了導向，對種質資源的研究和作物育種工作均有特別重要的意義。

1、指導特異種質資源的收集。作物起源中心存在著各種基因，并且在一定條件下趨于平衡，與復雜的生態(tài)環(huán)境建立了平衡生態(tài)系統(tǒng)，各種基因并存、并進，從而使物種不至于毀滅，因此，在起源中心能找到育種工作所需要的材料；

2、起源中心與抗源中心一致，不育基因與恢復基因并存于起源中心，因此，可在起源中心得到抗性材料與恢復基因；

3、指導引種，避免毀滅性災害?？傊魑锲鹪粗行膶W說使人們對作物起源的認識有了很大的促進，為現(xiàn)代栽培作物分類打下良好的基礎，為育種工作搜集種質資源提供了線索，有助于明確考察和搜集種質資源的方向和地區(qū)，對開展作物種質資源的研究和育種工作都具有指導意義。第三節(jié)

種質資源的研究與利用種質資源的研究工作內容包括：收集、保存、創(chuàng)新和利用。在相當長的時期內我國農作物種質資源研究工作的重點仍將是：“廣泛征集、妥善保存、深入研究、積極創(chuàng)新、充分利用，為農作物育種服務，為加速農業(yè)現(xiàn)代化建設服務”。一、種質資源的類別及特點

種質資源的類別一般可按其來源或生態(tài)類型、親緣關系或育種的實用價值進行分類，不同類別的種質資源其特點不同，在育種上的利用價值也不一樣。從育種和遺傳的角度看，按親緣關系或育種的實用價值進行分類較為合理。（一）按育種的實用價值分類1、地方品種：指在局部地區(qū)內栽培的品種；2、主栽品種：指經過現(xiàn)代育種技術改良過的品種；3、原始栽培類型：具有原始農業(yè)性狀的類型；4、野生近緣種包括栽培作物的野生類型和近緣野生植物。5、人工創(chuàng)造的種質資源即育種材料。㈡按親緣關系劃分

Harlan&Dewet

等（1971）按各種材料間的親緣關系、可交配性與轉移基因的難易程度將種質資源劃分為3個基因庫：

1、初級基因庫（GP-1）即庫內的各種種質資源材料間能相互雜交、雜種可育、染色體配對良好、基因分離正常、基因轉移比較容易的同一物種內的各種材料。

2、次級基因庫（GP-2）屬于這一類的各種材料，與初級基因庫間基因的轉移是可以的，但必須克服由生殖隔離所引起的雜交不結實、雜種不育等困難的種間材料和近緣野生材料。如大麥中的球莖大麥和普通大麥。

3、三級基因庫（GP-3）與初級基因庫間親緣關系更遠的類型，彼此間相互雜交困難，雜交不實和雜種不育的現(xiàn)象十分嚴重，相互之間的基因轉移困難。二、種質資源的搜集和保存

（一）廣泛發(fā)掘、收集和保存種質資源的必要性和迫切性：1.實現(xiàn)新的育種目標必須具有更豐富的種質資源才能完成。2.為了滿足人類的需求（人口增長和生產發(fā)展的需要），必須不斷發(fā)展新作物。

3.大量寶貴資源正在流失，急待發(fā)掘和保護。

4、避免新品種遺傳基礎的貧乏，克服遺傳脆弱性,必須利用更多的種質資源。近幾十年來，由于大量新品種的育成及大面積推廣，使得生產上種植的品種的遺傳基礎趨向于單一化，不同品種間的親緣關系越來越近，這種情況極易導致嚴重后果：①

抗性脆弱，易于崩潰。大面積推廣遺傳上有關聯(lián)的或相同的品種，會導致病蟲害的大流行。②基礎狹窄，育種進程緩慢。由于遺傳基礎越來越狹窄，基因貧乏單一，使基因的重組受到限制，增加了育種工作的難度，而不斷豐富作物的種質資源則可促進育種工作的進展。（二）收集種質資源的方法

收集種質資源的方法有考察收集、征集收集、交換和轉引等。

不論采用哪種方法收集種質資源，都要充分收集當地遺傳變異性，并要求有一定的群體，要詳細記錄品種或類型產地的自然條件、耕作栽培條件、所收集的材料的來源、主要的形態(tài)特征、特性、經濟性狀。（三）收集材料的整理

對收集的種質資源要及時進行整理、歸類、將同種異名者合并，以減少重復；將同名異種者予以訂正，給以科學的登記和編號。

此外，還要進行簡單的分類，確定每份材料所屬的植物學分類地位和生態(tài)類型，以便對所收集材料的親緣關系、適應性和基本的生育特性有個基本的認識和了解，為保存和做進一步研究及利用提供依據。（四）種質資源的保存

收集到種質資源經整理分類后，必須妥善保存。

保存種質資源的目的是維持種質的一定數量與保存各種質的生活力及原有的遺傳變異性。從狹義上講，保存主要采用原生境保存和非原生境保存相結合的方法。原生境保存（insituconservation）是指在原來的生態(tài)環(huán)境中，就地進行繁殖保存種質，如建立自然保護區(qū)或天然公園等途徑保護野生和近緣植物物種。非原生境保存（exsituconservation）是指種質保存于該植物原生態(tài)生長以外的地方，如建立低溫種質資源庫的種子保存、田間種質庫的植株保存、試管苗種質庫以及組織培養(yǎng)物保存等。

1.種植保存為了保持種質的種子或無性繁殖器官的生活力，并不斷補充其一定的數量，必須對種質材料每隔一定時期（1-5年）播種一次，稱為種植保存。種植保存可分為就地種植保存和遷地種植保存。就地種植保存是通過保持植物原來所處的自然生態(tài)系統(tǒng)來保持種質--原生境保存；

遷地種植保存是把整個植物遷出其自然生長地，保持在植物園、種植園中—非原生境保存。在我國，作為育種用的種質資源材料主要是由負責種質資源工作的單位或育種單位進行種植保存。在種植保存時，每種作物或品種類型的種植條件應盡可能與原產地相似，以減少由于生態(tài)條件的改變和自然選擇的影響而引起的變異。進行種植保存時，還應盡量避免或減少花粉混雜而造成的各遺傳材料的變異，以保持原品種和類型的遺傳特點和群體結構。對于純系品種應采取典型株自交或典型株間姊妹交的授粉方式進行控制授粉，以防止生物學混雜。而對于各種作物的群體品種，則應采用大群體隔離繁殖的方式進行種植，保證各群體內的隨機交配，避免選擇、生殖隔離等因素造成群體遺傳結構的變化。

2．貯藏保存對于數量眾多的種質資源如果都采用種植保存的方式，不但在人力、物力、土地上有很大的負擔，而且容易產生差錯或生物學混雜，甚至造成某些材料的丟失。為克服上述問題，可采用貯藏保存的方法，即用控制貯藏時溫度、濕度等條件的方法，來長期保存種質資源的生活力。研究表明：低溫、干燥、缺氧是抑制種子呼吸作用從而延長種子壽命的有效措施。據Roberts研究，在種子含水量為14—4%范圍內，含水量每下降1%，種子壽命大約可延長一倍。在30—0℃范圍內，溫度下降5℃，種子壽命大約可延長一倍。據此推算，如果水稻種子的含水量為6%時

貯存溫度貯存年限

0℃158年

5℃71年

10℃32年

種子仍有90%的發(fā)芽率。當溫度恒定為5℃時，

種子含水量貯存年限

4%148年

6%71年

8%34年

10%16年研究表明，對維持種子壽命最適合的含水量是與空氣相對濕度為15%時達到平衡時的含水量，這時禾谷類作物種子含水量為5—7%，油料作物種子為4%左右。所以，只要能保持低溫、干燥條件，便可采用各種方法來長期保存種質資源。

20世紀50年代以來，許多國家和國際組織都已建立了種質庫長期保存種質資源。新建的種質資源庫多充分利用先進的技術設備，創(chuàng)造適合種質資源長期貯存的環(huán)境條件，并盡可能提高運行管理的自動化程度。除新建低溫低濕種質庫外，也可采用其他方法長期保存種質，如用密封干燥器、石灰缸等，在我國也可利用新疆、青海等地的自然低溫干燥條件貯存種質，水稻可保存11年，小麥可保存8-9年。

3.離體保存植物體的每個細胞在遺傳上是全能的，含有發(fā)育所需的全部遺傳信息。自70年代以來，國內外開展了用試管保存組織或細胞培養(yǎng)物的方法，來有效的保存種質資源的材料。目前，作為保存種質資源的細胞或組織培養(yǎng)物有：愈傷組織、懸浮細胞、幼芽生長點、花藥、花粉、體細胞、原生質體、幼胚等。利用這種方法保存種質資源，可以解決使用常規(guī)方法所不易保存的某些資源材料，如具有高度雜合性、不能產生種子的多倍體材料和無性繁殖作物等，可以大大節(jié)省保存空間，節(jié)省土地、人力，另外用這種方法保存的種質，繁殖速度快，還可避免病蟲的危害等。

為了避免細胞培養(yǎng)物中的繼代轉移，減少繼代培養(yǎng)工作中所導致的遺傳變異，近年來又發(fā)展了培養(yǎng)物的超低溫（液N-196℃）長期保存法。

超低溫保存對于那些壽命短的植物、組織培養(yǎng)體細胞無性系、遺傳工程的基因無性系、抗病毒的植物材料及瀕臨滅絕的野生植物，都是很好的保存方法。

4.基因文庫技術這一技術要利用人工的方法，從動植物中抽取大分子量DNA，用限制性核酸內切酶把所抽取的DNA切成許多片段，再通過一系列的復雜步驟，把這些DNA連接在載體上，通過載體將DNA片段轉移到大腸桿菌中去，通過大腸桿菌的無性繁殖，產生大量單拷貝的基因，當需要某個基因時，就可通過某種方法去“鉤取”獲得。因此，建立某一物種的基因文庫，不僅可長期保存該物種的種質資源，還可以通過反復的培養(yǎng)、繁殖、篩選來獲得各種基因，這對于搶救和長期安全保存種質資源提供了有效的方法。

種質資源的保存，除資源材料本身外，還應包括種質資源的各種資料，對每份資源材料均應有其檔案，檔案資料在條件許可時，應輸入計算機儲存，建立數據庫，以便于資料檢索、分類和開展有關的研究工作。三、種質資源的研究利用

為了使