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种子,常常被称作“生命的时间胶囊”。

在北美加利福尼亚,有一棵红杉树活了2267年,东内华达的一棵狐尾松寿命则高达4844年,成为有记载的地球上最古老的树;在我国青藏高原,科学家也发现了一颗2230年的祁连圆柏,此外还有一棵已经枯死但依然不倒的古树,有长达2868年的树龄。可以说,一棵树就见证了人类文明至今的每一场兴衰,不禁让人由衷惊叹。

但再长命的树,也不过生存5000-6000年,而种子,可以跨越更长的时间。

湖南长沙马王堆的古莲子,或古埃及的棕榈种子,经过几千年的与世隔绝,居然被植物学家重新焕发出了生命。当然,这些种子需要在特定的环境下进行保存。

植物的种子,是一个生命演化的杰作。动物最开始是卵生,产生下一个蛋;后来变成胎生,再有了育幼、教育等行为,最终我们人类主导了这个星球。但植物单靠种子,就占据了整个生态系统的最重要位置。

世界&中国的种子库

挪威斯瓦尔巴全球种子库,建在北极圈的一个旧矿坑,收集了共1168属6338种106万份各色各样的植物种子。这里又名“末日种子库”,立意就是万一哪天世界末日来临,我们还可以利用这些种子把消失的农作物重新栽培出来。

从某种意义上,种子库就是一艘诺亚方舟。圣经里说到,人类末日时遭遇一场大洪灾,诺亚方舟带着诺亚和他的家人、动物和植物种子躲过劫难,洪水退去以后重新恢复了家园。

另一个非常重要,但其貌不扬的种子库,是英国皇家植物园邱园的“千年种子库”,外型有点像苗圃。其建设的投入为8000万英镑,一下成为了全球最大的种子库之一。我们中国西南野生生物种质资源库的种子库也是跟他们合作建立的。

由于受到第四纪冰期的影响,欧洲很多植物都已灭绝,成了化石。英国如今的维管植物种类比较单一,只有约1600种;相比之下,在中国单是云南,就有16100种,而全中国有31000种。

最初,“千年种子库”设立的目标是将英国本土96%的物种保存起来,而它最终也做到了。之所以是96%而不是100%,是因为一些物种比如竹子,不太开花,很难收集到种子,而一些物种的种子很难保存。

接下来第二阶段它转向了世界,要将全球10%的种子都收存起来。

这是英国人的视野。当初我在英国做博士后研究的时候,其中一个颇深的感慨是:英国作为过去的“大不列颠帝国”,确实有它的独到之处。在富有以后,许多贵族和富人不会单想给自己建一座雄伟的墓地,而是着眼更恢宏远大的目标,做点全球性的事。

再次达标以后,第三阶段他们期望能够保存好全球25%的植物物种。不过可惜,因为经济等各方面因素,最终只完成了约40000种。

同时,就在英国千年种子库投入使用的时候,我们也迈出了第一步。

1999年8月8日,吴征镒院士给国家写了声情并茂的一封信,强烈提议尽快在云南建立一座“野生种质资源库”,一星期后就获得了国家领导人明确的批示。

我们花了整整五年时间做可行性研究报告,到英国、美国、日本、意大利等地考察, 2004年该报告获得国家有关部门的批复,最后2007年终于建成,也就是今早我们考察的中国西南野生生物种质资源库。这个库与英国的“千年种子库”内核很像,类似于它的升级版,是目前亚洲最大的种子库。

除此之外,我们在北京、西双版纳、成都、拉萨、济南也都有大小不同的种子库。

虽然叫“野生生物”种质资源库,但由于只有植物可以以冷库的形式保存,动物的生殖细胞或胚胎细胞冷冻以后的恢复存在技术难点,所以我们现阶段是以植物为主,兼顾动物和微生物。其中动物库依托昆明动物所建设,微生物库依托云南大学建设。

中国西南野生生物种质资源库,种子展示墙

种子保存技术

种子采集

我们到海岛、边境,足迹遍布了祖国各地。当然,除了采集部亲力亲为的采集,我们也通过跟大学、科研机构、保护区合作的形式采集,同时也让更多人关注和投入到野生生物保护和生态保护的事业来。希望高山书院以后可以多加入我们的野外采集。

采集种子,有几个原则:

第一个是采集数量,一份种子最少要采500粒,虽然我们一般鼓励采2500-20000粒,因为这些种子经过清理、检测、萌发、研究等步骤会有损失。每一份种子的采集,评价需要经过一名熟练的采集员大约8个小时的工作时间投入。

第二个是采集要素,除了种子本身,还有标本、照片、地理位置和生境数据,以及DNA材料。

第三个是优先采集原则,我们称之为“3E”原则,就是珍稀濒危、地域特有和重要经济价值。

种子干燥

采集回来后,第一件事要做的事是进种子库的干燥间,利用干燥空气进行脱水;进去之前有一个缓冲间,相对湿度15%、温度15°C。这是一个关键步骤,因为干燥会促进种子的休眠,而种子含水量减少 1%,种子储存寿命就延长一倍。

种子清理

野外采集的种子,难免带有一些杂质,需要人工清理,以提高储存效率。干果、坚果还比较简单,草莓、苹果这类肉质果类则特别需要更加细心的人工清理。

接着,我们用不同网孔的筛网处理种子,保证入库的是饱满、成熟的好种子。

X光检测

不过单是外观饱满还不够,俗语说,金玉其外败絮其中。有时经过X光一照,只有很少的才是正儿八经饱满的种子;在野外采了2000粒,回来一检查可能只剩300粒能用。这也是为什么野外工作量会那么大。

低温保存

温度每降低 5˚C ,种子寿命延长一倍。种子按对干燥和低温的耐受程度,大致分三类:

第一类,即正常型种子,耐受干燥和低温,大约70-75%的植物都属于这类,如水稻、小麦;

第二类,即顽拗型种子,不耐受干燥和低温,如椰子、杧果、榴莲,以及壳斗科、樟科、龙脑香科的植物种子,这类种子无法在种子库保存。

第三类,即中间型种子,介于正常型和中间型之间,即耐干燥,但不能过于脱水,如咖啡、木兰科、番木瓜、油棕、茶的种子,这时我们就要做很多工作,比如木兰科,研究发现把种皮剥离后,它耐低温的能力就提升了。

总的来说,经过很多研究,我们发现中间型种子可以通过别的形式改善它的保存状态。

另外,还有一类短命种子,对干燥、低温的耐受没有问题,但在种子库存放上5年往往就失活了,如杨树、柳树、柽柳科、部分兰科等等,这时保存起来就要特别注意,同时要额外做很多研究。

去年底,两种稀有的竹类植物的种子落户种质库,让我们特别兴奋。我们称之为“等待一甲子,守护一千年”。

竹类植物一般以营养繁殖为主,很少进行有性生殖,竹类开花周期短也要3年,常常要30-60年,最长的高达120年,而且大多数木本竹类都是一次性开花,开花后死亡,所以很难遇到竹类开花。为此,我们还特意发了一则新闻。

萌发实验+活力检测

种子冷藏后,我们需要用培养基,通过控制温度,对每个物种做萌发实验。我们希望保藏的每一份种子都是有活力、能萌发的。萌发后,有些种苗需要在种质资源圃进行保存,以获得其开花的凭证标本。此外,对于野生植物的种子,我们一般每5-10年重新萌发一次,看看种子在种子库保藏后活力是否能维持下来。

其中,一些种子的萌发需要长达数年,甚至数十年的时间。总的来说,不同的种子保存策略各不相同,需要很长时间才能萌发,比如我们保藏的一种嵩草。当然,还存在很多相关的科学问题,有待更多的研究去解答。

DNA测序

过去,吴征镒院士被称为是一本“行走的百科全书”,拿一份标本给他,他就能直接写出这个种的拉丁学名。不过他告诉我们,标本必须至少有花或果,不然有些种单看叶子都一个样儿,很难准确辨识。

现在能像吴先生这样认植物的学者越来越少了。很多人不愿意做野外工作,因为大量的野外工作会影响做实验、写论文,出不了高影响因子的论文。

为了能更快速、准确的鉴定植物,我们有一个办法是从植物叶片提取出一段短的、通用的基因序列,来对它进行物种的鉴定,我们称之为“DNA条形码”。

DNA材料与种子,有点像水跟海水的关系——海水不能直接喝,DNA材料也不能直接繁衍为一个生物体,但它保存了植物、动物和微生物的遗传信息;未来如果技术允许,可以把基因调出来看如何运用。所以它相当于一个保底措施。

DNA条形码的概念,最初是由加拿大动物学家在2003年提出来并实际应用,用的是动物的线粒体DNA片段。在植物中这不容易实现,因为植物的线粒体变化很大,所以植物的线粒体基因组研究比较少;直到2005年,基于叶绿体DNA片段的植物DNA条形码才面世。

通过第一代测序技术,我们把470科3252属15813种48958份植物DNA样品建立了基础数据库,产生了13余万个DNA条形码;再经过两次技术进步,包括长PCR测序和基因组浅层测序,让我们获得了更长的 DNA片段和更多的DNA序列。

很多中国人喜欢的国兰,包括春兰、墨兰的等的不同品种,但这些品种要等开了花才能确认其身份,但开花以后价格就大不相同。现在有了DNA条形码,我们很快就可以确认这兰花的身份,不用等到开花,我们就知道这是哪个品种、到底值不值钱。

另一个重要的鉴定对象,是中草药。因为中草药一旦出现赝品或劣质替代品,它或许会带毒性,比如过去在英国使用的龙胆泻肝丸中的马兜铃就引起了肾衰竭,曾导致中药被英国全面禁止。但这起事故其实是源于错误的鉴定问题。

十七世纪前,我们对生物的观察都处于宏观,显微镜让我们终于一睹细胞的真貌,而如今有了PCR技术和条形码,我们对生命的认识又再进入了一个新的里程碑。

现状与进展

到去年的12月20日为止,在中国29,000种产种子的植物中,我们已经采集了10,601种,达到36%,当中属云南最多,另外还有南海、东海诸岛,甚至三沙、台湾等地区。

其中有一种物种,我们称之为消失百年的“石上花”——大花石蝴蝶,在野外至今仅知道了两个分布点,个体总数不超过300个,极度濒危;其模式标本现存于英国皇家植物园邱园标本馆,但此后再也没有露过真容。

如今,时隔100年终于失而复得,而且采集人员不但采了标本,还采了它的种子。这样的物种,今天看可能并非什么炙手可热的花卉,也不一定有多少经济价值,但它对植物学家和生态保护很有意义。

下一步,我们要到新疆、西藏以及广西的喀斯特地区进行采集,那里有很多独特的物种,但非常难采集,所以采集量非常有限。

我觉得,我们中国人应该为人类做出更大的贡献,而现在也确实具备了这样的条件。以全球最大的“千年种子库”为对比,我们做得还不错。

虽然在覆盖的地区、科属种上居于落后,但英国毕竟先起步,而且从种子数、分发数以及逐年递增的趋势可以看到,我们的发展速度可观。

另外,每一份种子都要进行萌发和检测,从2008年至今我们已经萌发了79,499份,质量、活力的检测相当好,59%的种子份数都能做到75-100%的萌发率,和千年种子库的65%相差不远。

除了对植物多样性的保存,中国西南野生生物种质资源库正面向世界科技前沿,支撑了57项科研项目,以及107篇学术论文的发表,其中包括了16篇文章在Cell、Science、PNAS和Systematic Biology等高影响力的期刊发表,引起国际同行的关注和好评。

另外,我们也拓展了经济战场。比如通过菌种收集、培养基优化、菌根合成、共生机制等方面的研究,推动了乳菇菌、黑松露、羊肚菌等产业,获得国家授权5项专利;或是借助对微生物的研究,带动研发生物产品及产业化应用。

常常有人说,古代中国对现代科学没什么贡献。而如今,我们正积极扮演着自己应有的角色,希望对人类作出更大的贡献。这正在成为可能,但我们任重而道远。