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一、引言
作物种质资源，也称之为作物遗传资源或作物基因资源，是指能从亲代传递给子代基因的载体，是培育作物新品种的原始材料，这些基因的载体可以是植物的群体或个体，也可以是植物的部分器官、组织、细胞，甚至DNA片段。作物种质资源一般分为地方品种、选育品种、引进品种、特殊遗传材料以及作物的野生近缘种几大类。我国作为世界四大文明发源地之一，种植作物的历史非常悠久，从最先开始驯化野生植物发展到现代作物生产已近万年。由于我国幅员辽阔，地势复杂，气候多样，民族众多，各族人民在长期的作物种植实践中创造了大量适合于当地种植的作物种类以及满足当地人民生活习惯的形形色色的作物品种，因此，我国作物种质资源非常丰富。据不完全统计，我国种植的作物有528类1339个物种，估计各类作物种质资源达60万份之多。
作物新品种选育实际上是对作物种质资源中的基因进行选择与组合，没有作物种质资源，作物新品种选育就成了无米之炊，由此可见作物种质资源是作物育种及其相关学科的生命物质基础。作物种质资源中一些优异基因的开发和利用可以大幅度提高作物产量，改良其抗性和品质，如第一次“绿色革命”就是由于小麦、水稻资源中少数几个矮秆基因的开发利用引发的。我国杂交水稻取得的巨大成功，其中野生稻资源“野败”的发现与应用起着关键的作用。正因为作物种质资源在作物育种及相关研究领域中起着如此重要的作用，因此世界各国政府及科学家都十分重视作物种质资源的收集保存和开发利用。
我国是作物种质资源大国，我国政府和科学家也一直非常重视作物种质资源工作，自20世纪50年代以来，在作物种质资源的收集保存、鉴定评价、新基因发掘和利用等方面都取得了举世瞩目的成绩。
二、作物种质资源保护现状
（一）作物种质资源考察收集
20世纪50年代，在全国范围内进行了作物种质资源的普遍征集，从1953～1957年历时四年，共征集到53种大田作物约20万份(包括部分重复)，88种蔬菜1.7万余份材料。由于受当时保存条件的制约，部分资源得而复失，到1979年作物种质资源总量仅为16万余份(包括国外引进的2万份)。为了挽回损失，国家采取了补充征集、重点作物及其野生近缘植物、重点地区考察三项措施。1979～1984的五年间，共收集到60种作物11万余份种质资源。同期进行的云南等重点地区和野生稻、野生大豆等重点作物的考察，收集到新种质1.5万余份，20世纪80年代进行的西藏、神农架、海南岛三个重点地区的考察又收集到新种质近2万份，20世纪90年代又进行了大巴山区及川西南、黔南桂西山区、三峡地区、赣南粤北山区等地考察。1996～2009年又进行了栽培作物地方品种的补充收集、云南及周边地区作物种质资源收集、沿海地区耐盐抗旱植物的种质资源收集以及野生稻、野生大豆、野生茶树、野生果树等作物野生近缘植物的专项考察等，收集各类作物种质资源1.2万余份，使我国的作物种质资源总量达39.2万份。
（二）作物种质资源保存设施建设
建国以来，国家建设了大批的作物种质资源保存设施。1986年在北京建成了国家作物种质长期库，该库总建筑面积3200平方米，负责我国作物种质资源的长期保存。1993年在青海西宁建成国家作物种质复份库，总建筑面积284平方米，主要任务是复份保存国家长期库所有的种质材料。从20世纪70年代后期开始，在中国农科院原作物品种资源所、中国水稻所，蔬菜花卉所、草原所、烟草所、油料所、甜菜所、棉花所、麻类所和郑州果树所建设了10个相关作物的国家作物种质资源中期保存库，同时在广西、河北、湖北、黑龙江、辽宁、北京、山西、湖南、广东、云南、四川、青海、新疆、上海等省（市、自治区）农业科学院或农业大学，相继建成了38个国家种质圃，2座国家试管苗库，以及22座地方种质资源中期保存库，负责本专业、本地区范围内各类种质资源的保存与分发利用。
我国是众多作物的起源中心，作物野生近缘植物非常丰富，但随着国民经济的不断发展，许多作物野生近缘植物随着其栖息地被开发利用而遭受严重破坏，为了保护这些作物野生近缘植物资源，农业部自2001年起在全国开展作物野生近缘植物的原生境保护点建设工作，截至2009年底，已在全国26个省（市、自治区）建成了116个作物野生近缘植物的原生境保护点，涉及野生稻、野生大豆、小麦野生近缘植物、野生荞麦、野生苹果、柑橘、苦丁茶、猕猴桃等28类植物的48个物种。
（三）作物种质资源特性鉴定评价和核心种质构建
从1986年至2005年，共进行农艺性状鉴定35万余份，品质鉴定19.25万份（55%），抗逆性鉴定14万余份（40%），抗病虫鉴定21万余份（60%），其它鉴定5000余份。共筛选出单项或几项性状优异的种质3.5万余份，向各育种和生产单位提供各类种质资源5万余份次，其中3389份得到有效利用，直接作为品种利用或间接育成品种和品系629个，应用面积达1.8亿亩。
针对我国作物种质资源保存量大，难以对每份资源进行深入研究的问题，我国科学家对已保存的水稻、大豆、小麦、玉米、蚕豆、豌豆、红小豆、绿豆、菜豆等作物的种质资源进行了遗传多样性研究，在此基础上建立了核心种质库，即采用科学的方法选取每种作物种质资源中的一部分，以最小的资源数量和遗传重复代表该作物所有种质资源90%以上的遗传多样性。这样，科学家就可以对这些核心种质进行深入研究，从而提高利用效率。例如，我国构建的水稻核心种质3074份，以5%样本代表了水稻种质资源89.9%的遗传多样性；构建的小麦核心种质1160份，以5%样本代表了小麦90.1%的遗传多样性；构建的大豆核心种质1439份，以5%样本代表了大豆91%的遗传多样性。
（四）作物种质资源信息系统及平台建设
通过国家“七五”以来科技攻关等项目的支持，我国已建成拥有160种作物(隶属78个科、256个属、810个种或亚种)、39.2万份种质信息、2400万个数据项值、40GB的中国作物种质资源信息系统(CGRIS)，包括国家作物种质库管理、青海复份库管理、国家种质圃管理、中期库管理、农作物特性评价鉴定、优异资源综合评价和国内外种质交换7个子系统，近700个数据库。它是目前世界上最大的作物种质资源信息系统之一。2003年，国家又启动了自然科技资源平台建设项目，标准化整理整合作物种质资源20万份，研究制定了110种作物的描述规范、数据标准和数据质量控制规范，基本实现了作物种质资源鉴定、评价和保存工作的标准化和信息化，极大地促进了资源的信息和实物共享。
三、作物种质资源的利用现状
20世纪50年代初期，我国农作物遗传育种研究规模小、数量少，但到80年代初期，主要农作物已基本上实现良种化。五十多年来，我国培育的主要农作物品种超过6000个，经历了6-7次大规模品种更换。每一次品种更换都使作物产量提高约10%，极大地促进了农业生产的发展。进入80年代以后，特别是加入WTO以来，随着农业产业结构和种植业结构调整，作物育种方向从以往单纯强调产量为主，转变为产量、品质和抗逆性的协调发展，培育了许多优质高产抗逆的农作物新品种，支持了我国农村经济发展和种植业结构调整的技术需求。
（一）地方品种的评选、改良和推广
从20世纪50年代初期到60年代中期，各地以县为单位评选地方优良品种，就地繁殖，就地推广。在此基础上，各地交换优良品种。期间还从许多国家引进了多种农作物的优良品种，通过系统选择和杂交改良等途径，实现两次品种更新换代，使优良品种得到迅速普及。例如系统选育的早籼稻品种矮脚南特和引进的农垦58等都曾经在南方稻区大面积推广。蚰子麦和徐州438等评选出的小麦良种得到大面积推广。引进品种南大2419和杂交改良的优良品种碧玛1号，年推广面积曾经分别达到460万公顷和600万公顷。玉米生产用种以改良的开放授粉品种和品种间杂交种为主，例如金皇后和以金皇后为亲本的坊杂2号等。棉花则主要推广引进的岱字棉15等品种。
早期育成的大豆品种金大332、满仓金和鸡母蹲等推广面积较大。50年代初期，油菜种植以白菜型和芥菜型为主；到50年代中期，重点推广了从日本引进的胜利油菜；60年代以后，全国油菜品种则以甘蓝型为主。其他油料作物中的伏花生、786芝麻、白葵3号向日葵、雁农1号胡麻等曾经在生产上发挥了很大作用。
尽管当时这些改良品种对产量的贡献率比较低，但是，通过对全国种质资源的筛选，明确了这些作物种质资源所具有的不同特性，为后来作物新品种选育奠定了良好的基础。
（二）杂交育种技术的普及与优良品种选育
杂交育种技术在20世纪50年代后期初露端倪，我国开始迅速普及杂交育种技术，大规模独立自主地培育主要农作物新品种。进入60年代以后，自育的优良品种已经覆盖大部分生产面积。从60年代中期至80年代中期，我国进行了2-4次品种更换。在这期间，国际上利用杂交育种技术将水稻和小麦种质资源中的矮秆基因导入到其它品种中，掀起了“第一次绿色革命”的浪潮，我国科学家利用水稻地方品种“矮子占”和小麦创新种质“矮孟牛”以及从国外引进的矮秆种质资源育成了大量的水稻和小麦矮秆新品种，进一步提高了主要农作物的产量水平。
（三）杂种优势的利用
在杂交育种过程中，科学家发现有些杂交后代表现出较强的超亲现象，即出现了杂种优势。国外在20世纪60年代以前，就开始在玉米和高粱育种中成功利用杂种优势，使得产量大幅度提高。我国的杂种优势利用较晚，首先是从国外引进玉米自交系和高粱的雄性不育系，率先进行了玉米和高粱的杂种优势利用，为后来我国两杂技术的迅速发展奠定了种质和技术基础。1970年代，我国“杂交稻之父”袁隆平院士利用其助手李必湖从海南野生稻中发现的“野败”不育株，实现了水稻的“三系”配套，成功地育成了杂交稻，水稻产量大幅度提高，使我国迅速摆脱了粮食紧缺的困扰，有效地提高了生产技术水平和我国的粮食自给能力。目前，我国杂种优势利用技术得到进一步发展，已从玉米、高粱和水稻扩展到谷子、小麦、蔬菜和大豆等主要农作物，我国玉米杂交种普及率近90%；杂交稻种植面积占水稻面积的一半以上；棉花杂种优势利用先后在人工杂交制种技术、核不育系杂交制种技术方面取得突破，培育了一批杂交种；已培育出一批双低杂交油菜新品种，并大面积推广应用。在小麦杂种优势利用方面，实现了三系配套，育成了一批杂交小麦新品种和新组合；攻克了大豆杂优利用面临的雄性不育性保持和大豆田间的昆虫传粉等两大难题，育成了世界上第一个杂交大豆品种。
近年来，我国农作物新品种培育获得新进展，产量连创新高，品质显著改善，出口竞争力明显增强。超级稻新组合中浙优1号、II优明86在百亩田中亩产超过800公斤，丰优香占9项品质指标达部颁优质米一级标准；小麦新品种轮选987等在河北等地创造了亩产超650公斤的百亩丰产方，郑麦9023为优质面包小麦，年种植面积达2000万亩以上；郑单958是目前种植面积最大的玉米杂交种，玉米新品种中单808，具有亩产800公斤的生产潜力，优质蛋白玉米中单9409的籽粒赖氨酸含量达0.4%；大豆新品种中黄13已连续4年年种植面积超过1000万亩，成为我国年种植面积最大的品种，中黄35大豆在新疆创造了亩产402公斤以上高产记录；抗虫杂交棉银棉2号在黄河流域棉区试中，比对照品种显著增产；油菜新品种华杂8号全国区试比对照增产26.9%。这些优良品种为提升我国粮食综合生产能力和国际农产品市场竞争力提供了坚实的技术支撑。
      （四）新技术育种
20世纪70年代，分子生物学的发展孕育了现代生物技术，并成为众所周知的高新技术。目前，不论是发达国家还是发展中国家都把生物技术纳入本国生命科学的重点研发领域。我国1978  年第一次把生物技术列为八个影响全局的重大新兴技术领域之一，制定了“有限目标、重点突破、跟踪与创新并举”的发展方针，在此方针指导下，我国利用生物技术育成了一系列作物新品种。
细胞工程研究是我国最早利用生物技术育种的方法之一，经过几十年的努力，细胞培养、体细胞无性系变异、原生质体培养和融合、体细胞杂交等技术已走向成熟。细胞培养技术在禾本科、茄科、十字花科等50多种植物上已广泛应用，取得显著成绩，如花药培养育成的水稻中花8、9、10、11号，小麦京花1号等具有较大的增产潜力；利用体细胞无性系变异技术，在水稻等作物获得早熟品系、新质源细胞质雄性不育系、抗病虫、抗逆境等新材料；利用原生质体培养和融合技术，在种内、种间、属间、科间获得体细胞杂种，如栽培稻与药用野生稻、水稻与大黍、水稻与狗尾草、大豆与野生豆、小麦与冰草、簇毛麦、新麦草和羊草的原生质体融合，将野生豆抗花叶病毒基因转移到大豆中，将小麦属间植物中的抗性等基因转移到小麦中。细胞工程作为作物育种的重要手段，已经为作物育种和生产的发展做出重要贡献。
20世纪80年代后期，我国开始应用分子标记辅助选择技术，其核心是借助与目标基因紧密连锁的分子标记，直接选择目标基因型个体，培育优良品种。由于分子标记辅助选择不受环境影响，不仅可在早代进行准确、稳定的选择，而且可克服再度利用隐性基因时识别难的问题，并能够同时聚合多个目标基因，可大大提高选择效率、缩短育种周期、提高育种水平。
转基因育种是目前国际上普遍采用的新技术，自1996年美国率先进行转基因作物规模化应用以来，世界各国特别是拉美国家开始大量种植转基因作物，目前种植的转基因作物包括棉花、玉米、马铃薯、番茄、油菜、烟草、杨树、大豆等几十种作物。目前，我国的转基因技术主要用于棉花育种中，我国90%以上的棉田种植了转基因抗虫棉花新品种，在提高棉花产量的同时大大减少了农药的用量，全国平均每亩节约农药成本和棉花增产为农民带来的效益超过130元，深受农民欢迎。
四、我国作物种质资源保护与利用存在的问题
建国60年来，我国选育新品种6000多个，使我国主要农作物进行了3-5次品种换代，每次更新都使产量增加10-20%，作物的抗性与品质也有显著的提高。其中种质资源具有功不可没的作用，据专家分析，优异种质在育种中所起的作用占一半左右。但是20世纪80年代中期以后，我国乃至世界主要国家的新品种选育工作处于艰难的“爬坡”阶段。作物产量徘徊不前，品质和抗性也少有突破性进展，究其原因，主要是亲本材料遗传基础狭窄。例如育成的小麦品种数百个，其亲本大都离不开14个骨干亲本。更有甚者，生产上使用的小麦品种80%都有IB／IR代换／易位系的血统。又如大豆，1923—1992年全国共育成564个品种，其中208个有“金元”的血统。玉米种植面积在200万亩以上的单交种有24个，其中21个分别利用了仅9个自交系。目前，我国杂交水稻占水稻种植面积的一半以上，而杂交水稻的不育系绝大部分为“野败”系统，大部分恢复系有IR品种的血统。
大量的研究结果表明，我国目前育种中利用的作物种质资源数量与保存数量极不协调。一方面是因为我国作物种质资源工作起步较晚，主要以抢救性收集和保护为主，在鉴定评价和新基因发掘方面相对滞后，大多数作物种质资源没有发挥出其应有的作用；另一方面是我国作物育种技术还相对落后，育种家缺乏将作物种质资源与育种新技术有机结合的手段。
五、我国作物种质资源保护与利用趋势
据测算，我国到2030年人口将达15-16亿，按中等生活水平年人均用粮450公斤计算，2030年我国需粮6.8-7.2亿吨，相比2009年不足5.3亿吨的粮食总产而言，将净增粮食1.5-1.9亿吨，也就是到2030年要比目前的单产水平提高28%以上。目前，我国粮食生产水平基数已很高，在现有农业科技水平上，单产增长举步维艰，这是今后我国作物种质资源和育种工作必须面对的巨大挑战。纵观国内外发展动态，常规的种质创新和育种技术已难以进一步提高育种效率，只有把作物种质资源研究与生物技术紧密结合，才能有效保护我国丰富的作物种质资源，创制出突破性的新种质和新品种，提高育种的整体水平，从而支持我国粮食安全供给和农业的可持续发展。
（一）实现作物种质资源向基因资源的转变
  “一个基因造就一个产业”，谁掌握了基因，谁就掌握了生物技术的制高点，就掌握了未来发展的主动权。对基因资源的占有决定了一个国家在农业生物技术产业发展中的地位，世界各国越来越认识到基因资源对农业发展的重要意义。发达国家、国际农业科研机构及跨国公司都开展了大规模的重要基因发掘研究。只有大规模、高通量发掘农作物基因资源中蕴藏的高产、优质、抗病虫、抗逆、水分养分高效等优异基因，明确其价值与利用途径，获得众多具有自主知识产权的基因，才能把握作物种质资源研究和优异基因发掘的主要动向和趋势，将种质资源保护转变为基因资源，并实现产权保护，才能在未来世界“基因大战”中立于不败之地。
（二）加大种质创新力度，提高常规育种水平
我国抗逆和品质育种迫切需要拓宽种质的遗传基础，常规育种技术仍然是现代作物育种的基础。深入开展经典遗传学、数量遗传学和群体遗传学研究，探索作物种质资源各种农艺性状的遗传规律，重点开展群体之间的相互轮回选择研究，努力创造新种质，提供育种家改良新品种是未来作物种质资源工作的重要任务之一。在此基础上，进一步稳步发展杂种优势利用的产业技术，除玉米和高粱外，水稻、油菜、向日葵、棉花、大白菜、甘蓝、番茄、大豆等将利用杂种优势技术提高其产量和抗逆性。深入研究主要作物的杂种优势模式和进一步提高产量及抗逆性的技术途径，继续将植物组织培养技术、染色体操作技术和单倍体诱导技术等应用于种质资源创新研究中，提高作物品种选育技术。
（三）把握生物技术发展契机，促进作物种质资源利用
目前，基因组学、蛋白组学和生物信息学的发展，促使作物种质资源和遗传改良从传统方式向生物技术方式迈进。
1、分子标记辅助选择技术
分子标记辅助选择是将分子生物学方法与常规技术有机结合，直接对控制目标性状的基因进行定向操作和聚合，大幅度提高育种效率。目前，我国分子标记开发研究非常活跃，已经构建了水稻、小麦、玉米、大豆等主要作物的高密度分子标记连锁图谱，定位与紧密标记控制水稻抗稻飞虱、抗褐飞虱、芽期耐冷性、抗水稻白叶枯病、品质香味、低谷蛋白、耐贮藏、低垩白率基因，抗小麦白粉病、淀粉品质、抗穗发芽基因，抗大豆孢囊线虫基因，抗玉米矮花叶病、丝黑穗病、锈病基因，油菜种皮色素合成基因等，奠定了分子标记辅助选择的技术基础。综合回交转育和分子标记技术，建立了滚动回交与标记相结合的水稻、小麦、大豆、玉米等作物聚合育种技术体系。采用分子标记辅助选择技术，将创制出众多含有抗病、抗虫、抗逆境、高产、优质等基因的作物新种质，推动主要农作物育种的快速发展。
2、转基因技术
        转基因育种技术目前已成为未来全球经济的竞争焦点。以重要功能基因为核心的转基因技术将成为未来全球经济发展的重要支柱产业。转基因技术已被列为影响未来全球经济的第三大技术，自1996年转基因商业化以来，全球共种植了近10亿公顷的转基因作物，尤其是最近几年，种植规模逐年扩大，发展速度惊人。２００８年美国３５３０万公顷全国玉米作物中有８５％为转基因作物，其中７８％为双性状或三性状杂交作物，只有２２％为单一性状的杂交种。转基因棉花在美国、澳大利亚和南非的全国种植面积占到９０％以上，双性状复合型占到美国所有转基因棉花的７５％，澳大利亚为８１％，南非为８３％。2008年转基因作物种植面积为：美国（６２５０万公顷）、阿根廷（２１００万公顷）、巴西（１５８０万公顷）、印度（７６０万公顷）、加拿大（７６０万公顷）、中国（３８０万公顷）、巴拉圭（２７０万公顷）和南非（１８０万公顷）。2005年，转基因作物的全球市场价值为50多亿美元，2009年猛增到85亿美元，转基因作物的推广带来了巨大的社会和经济效益。以美国为例，美国通过转基因技术实现了谷物生产低成本和高品质，在世界谷物贸易中长期占据霸主地位，抢占了世界62%玉米市场和60%大豆市场。
目前，我国已建立了水稻、小麦、玉米、大豆、棉花等主要农作物转基因技术体系，获得了拥有自主知识产权的新基因上百个和一批具有潜在应用价值的新基因，水稻基因组及重要功能基因克隆研究居世界先进水平，这些重要基因的获得为利用转基因技术培育作物新品种奠定了坚实的基础。创造了抗病虫、抗逆、抗除草剂转基因作物品种（系），包括转基因抗虫棉、抗虫水稻、转植酸酶玉米等。但是，相对我国丰富的作物种质资源而言，我国目前拥有自主知识产权的新基因数量还很少，基因克隆、遗传转化、转基因品种的培育以及商品化推广等多个方面还远远落后于美国等发达国家。面对国际上竞争日益激烈的转基因市场，应充分利用我国丰富的作物种质资源，开发具有重要应用价值和自主知识产权的功能基因，利用转基因新技术培育环境友好、资源节约、有利健康、高产优质的转基因作物品种，在科学评估、依法管理基础上，推进转基因新品种产业化。
3、分子设计育种
分子设计育种是在作物全基因组序列分析的基础上，通过利用大规模开发的分子标记，明确主要农艺性状基因的功能及效应、网络调控和基因表达产物互作的前提下，构建大规模的有利基因渗入系文库和优良转基因系，根据育种目标，通过计算机软件分析和模拟，得到最优育种技术方案，从而实现从传统的育种经验到定向、高效的“精确育种”转变，全面提升育种水平，培育突破性新品种。随着分子生物学、基因组学、蛋白组学、生物信息学的快速发展，重要农艺性状基因的定位分离，染色体片段置换系的构建及等位基因功能效率的分析，可以利用软件模拟品种组配，筛选出优良的组合，使作物育种更加精确。因此，在对作物种质资源的农艺性状进行全面评价的基础上，对重要农艺性状的遗传基础、形成机制和代谢网络进行深入研究，为分子设计育种提供重要基本信息，利用分子设计育种的理论和技术，成功选育出含目标基因的作物新品种是未来作物种质资源与育种新技术有机结合的重大课题。
五、结语
我国是一个作物种质资源大国，但对数以几十万计的作物种质资源进行基因型鉴定和开发利用野生种质资源，仅采用常规手段不仅见效慢、周期长，而且预见性差、准确率低，更加困难的是尽管野生种质遗传基础丰富，并带有许多优异基因，但往往具有连锁的不利基因，并且外源基因导入和表达均有很大难度，常规的种质资源鉴定和育种技术难以满足未来20-30年我国人口对食品数量和品质的需要，只有将生物技术与常规技术紧密结合，广泛开展作物种质资源的鉴定评价、新基因发掘和种质创新，获得众多具有自主知识产权的分子标记或基因，利用分子标记辅助选择、转基因育种或分子设计育种方法，创制突破性新品种，才能为我国粮食安全、农民增收和农业的可持续发展，提供可靠的科技支撑。
作者：中国工程院院士  中国农科院副院长    刘  旭