“植物诺亚方舟”，如何打造？

本文根据李德铢于2021年1月15日在云南的部分课程内容整理而成，经本人审核后公开发布。来自微信公众号：高山书院（ID：gasadaxue），作者：李德铢（中国西南野生生物种质资源库主任），整理：邱施运，编辑：朱珍，原文标题：《李德铢：种子库如何捍卫地球生态文明？》，头图来自：视觉中国

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（相当于当时的10亿人民币），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（2000-2009年）它转向了世界，要将全球10%的种子（约24200种）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（2010-2020年）他们期望能够保存好全球25%的植物物种（约75000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（高小山注：在高山科学促进中心资助的科学项目中，“COP15种子采集计划”取得了丰硕的成果）。

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（endangered）、地域特有（endemic）和重要经济价值（economically important）。

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（-20°C）

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（发酵工艺、活性天然产物筛选与鉴定、微生物与宿、互作分子机制），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。

本文来自微信公众号：高山书院（ID：gasadaxue），作者：李德铢（中国西南野生生物种质资源库主任），整理：邱施运，编辑：朱珍