种子是基因资源的载体、是植物生命繁衍的基础、也是人类生存的基本粮食保障。由于世界人口迅速增长，人类活动的强烈干预，全球气候变化以及环境遭受破坏等因素，造成大量物种的灭绝和基因资源丧失。在如此严峻的形势下，维持基因多样性，建造维护种子生命的挪亚方舟，是人类面临的艰巨使命。
卢宝荣
复旦大学特聘教授，希德书院院长
一则乌克兰国家基因库在俄乌军事冲突中被炸、导致约16万份植物种子样本被毁的消息，犹如一石激起千层浪，迅速在全球的网络上传开。（后经查实，俄军炸毁哈尔科夫植物基因库为误导性消息。）
尽管这条消息的真实性没有最后被证实，但是由此引发的人们对植物种子的担忧仍没有被放下，甚至引发了更广泛的热议。很多人更是开始关注这样一些问题：
什么是基因库？
基因库与种子有什么关系？
遥远的乌克兰的这些种子样本与我们又有什么联系？
消息中提到的那些独一无二和无法再获得的种子样本又是怎么回事？
它们的失去对世界有什么影响？
针对大众所关注的上述一系列问题，本文就与大家一起来进行讨论与分享，希望能让大家对这些问题有比较清楚的了解。
什么是基因库
基因库的名称为舶来品，是由英文名称Gene Bank翻译而来，因此也被称为基因银行。简单理解，基因库就是储存基因资源的仓库或银行。由于基因库中主要储存着承载基因或基因资源的种子，基因库也被称为种子库（Seed Bank）。
此外，一些基因库中还储存着除了种子以外的其他生命体，如器官、组织、细胞，甚至DNA，因此基因库还被称为种质资源库（Germplasm Bank）和遗传资源库（Genetic Resource Bank）等等。
尽管名称不同，但是它们的意思基本一样，这是由于现代基因库的功能变得越来越复杂、内容越来越具有综合性，其名称也相应出现了多种形式，但现在更逐渐趋向于使用基因库这个名称。例如，位于我国深圳的国家基因库（CNGB）就是一个世界领先，集生物样本资源、生物信息数据和生物活体储存等为一体的多功能与综合性基因库。
因此，基因库可以被定义为：以保护基因资源为目标的人工建筑或设施。
基因资源（种质资源或遗传资源）是指具有实用价值或潜在应用价值的任何具有遗传功能的生物材料（图1），包括DNA、基因、细胞、组织、器官等。
图1 八角果实（Illicium verumHook.f.）是重要的香料种质资源
种子就是植物的重要器官，无论是种子，还是其他器官、组织或细胞，它们都是有生命的存在。基因库中储存的也必须是有生命的活体，如果储存条件满足不了生命的延续，在储存过程中造成这些生命体死亡或丧失了生命活力，那就失去了对基因资源保护的意义（图2）。
图2 基因库中储存的DNA、组织、幼苗和种子都必须是有生命的活体
因此，基因库必须是一种能够保证被储存生命体具有活力的人工设施，在这样的设施中，储存的生命体能够维持最低的生命活动，但又尽可能长时间地保持生命的活力状态。由此可见，基因资源的保护是一项极具挑战性的事业。
基因资源为什么很重要
有一个真实故事可以充分体现基因资源的重要性。在20世纪70年代，柬埔寨陷入了一场国内战争，战火纷飞、民不聊生，在此期间农业生产受到了极大影响，就连该国最重要的主粮水稻也因为战乱而无法种植，以至于当战争结束之后才发现，当地曾普遍种植的水稻品种几乎完全丧失，使整个国家战后的粮食安全面临巨大挑战！所幸的是，在战争发生之前该国将完整的水稻品种资源保存在了国际水稻研究所（IRRI）的国际水稻基因库（IRG）。在困境之中，IRG将这一整套水稻品种资源种返回了柬埔寨，使水稻生产重新得以恢复。
基因库在这时充当了水稻种子的“挪亚方舟”，在灾难过去之后，让水稻品种重回大地，为农业生产带来了无限生机。
杂交水稻是中国人都耳熟能详的农业革命，杂交水稻的制种技术之所以能够成功，就是因为袁隆平先生及研究团队在海南省的野生稻群体中，发现了一个独特的基因资源——细胞质雄性不育（CMS）基因（图3）。通过人工杂交，他们将CMS基因从野生稻转移到了栽培稻，培育出了只有雌蕊而没有正常雄蕊的水稻品种，称为不育系，并形成了与恢复系和保持系的“三系配套”，完成了让世界瞩目的杂交水稻制种技术体系。他们巧妙利用水稻不育系与恢复系进行杂交制种，生产出育性正常而高产的杂种第一代种子，用于大规模农业生产。这项关键技术突破，使“杂种优势”利用在水稻成为可能，大大提高了水稻产量，对中国和世界的粮食安全做出了巨大贡献。这一突破也离不开雄性不育基因资源的发现和利用。
图3 袁隆平先生在野生稻群体中发现的细胞质雄性不育基因资源，成就了杂交水稻大规模制种技术
另外，20世纪60年代初，全球经历了一场突如其来的粮食危机，数以亿计的世界人口面临饥荒。如何化解这一场大规模的粮食危机和挑战，解决吃饭的问题？
国际玉米小麦改良中心（CIMMYT）的育种家诺曼 · 博洛格（Norman Borlaug）率先将一个矮秆基因资源（SW-1）引入了小麦品种，培育出植株变矮、茎秆粗壮、收获指数增高、不易倒伏的小麦品种，大幅度提高了小麦产量。IRRI的育种家们也用同样的思路，将一个矮秆的中国水稻品种“低脚乌尖”与印尼的品种杂交，培育出了矮秆水稻品种IR-8，大大提高了水稻产量。
这场由基因资源应用带来的世界农业变革被称之为“绿色革命”，博洛格也因为对全球粮食安全的贡献荣获了1970年诺贝尔和平奖。虽然“绿色革命”已经逐渐被人们淡忘，但是由基因资源引起的农业变革却永远载入史册。
其实在人类文明和进步的历史长河中，基因资源在其中的影响是巨大的，尽管人类当时并未意识到这种重要影响。
大约1万年前，人类开始了对野生植物的驯化——对野生植物进行种植和培养使其变为栽培植物的过程。冥冥之中，老天爷 “送”给了人类一份天大的礼物，即让人类将一个控制种子成熟时不脱落的基因（SH），在无意识的状态下选择到了手中，使这些被驯化的植物，在“春种一粒粟，秋成万颗子”之后，种子能够被人类收获回家，用作粮食和储存。
于是，一个原本只是为了方便野生植物种子在成熟之后脱落入土、传宗接代的基因，产生突变，成为不落粒的基因并被人类利用，从此人类结束了不断迁徙、完全依靠狩猎和采集为生的旧时代，而开启了以栽种植物、定居生活、守望收获种子为特色的农耕新时代大门。
植物驯化让人类发展的轨迹产生了奇妙的拐点，并逐渐走向现代文明。
因此可以毫不夸张地说，没有基因资源的利用，就没有现代人类的文明！
基因资源的保护方法
由于世界人口迅速增长，加之气候变化和人类过度干扰自然，导致大量物种濒危与灭绝。据不完全统计，在过去500年中已经有近1000个物种灭绝！很多物种甚至在人类认识它们之前就已经灭绝了。
从地球上消失的物种，永远不再回来，这是地球的悲哀、人类的悲哀，也是一场大灾难！因此，国际组织和各国政府都纷纷呼吁并采取紧急措施，拯救和保护正在消亡的生物物种。
通常，基因资源的保护包括就地保护和迁地保护这两大类的保护方法。
就地保护，也称为原地保护或原生态保护。顾名思义，就地保护是指在特定空间范围内，通过保护原生态环境来达到保护动植物物种的目的。国家或省一级政府设立的自然保护区就是按照需求，在特定的空间范围内尽量减少人类的活动干扰来保护动物或植物。
例如，位于四川汶川的卧龙大熊猫国家自然保护区，位于西藏芒康的滇金丝猴国家级自然保护区，位于山东垦利的国家野生大豆自然保护区等都属于就地保护的方法。
对于栽培植物的就地保护，也采用农家保护方法，即在农田生态环境中利用农事活动、食品需求和文化习俗等，对传统的农家品种以及珍贵的种质资源进行种植与保护。
迁地保护，也称为异地保护或易地保护，是指将目标动植物的活体样本从其原生境或原产地迁移到适宜的生活环境，如动物园、水族馆和植物园中进行饲养、种植和繁殖的一种保护方法；或是将目标的动植物样本放置在特殊的设施中，如种子库、组织库、细胞库和基因库中进行保存的一种方法。
这些被保护在“挪亚方舟”上的基因资源，可以被随时取出进行繁殖，即使这些物种在原生境中消失了，也能够确保通过基因库中保存的种子或细胞的人工种植和扩大繁殖，将其保留下来，避免这些物种在地球上彻底消失。
基因资源迁地保护的方法众多，但是最快捷和常见的一种保护方式就是通过基因库或种子库的方法来实现。通过基因库保存种子或其他样本，可以根据研究或应用的实际需求，随时从基因库中获得。以保存种子的基因库为例，为了确保储存种子的持久生命力，对其进行保护需要一些最基本的软件、硬件设施和其他条件，包括：
1) 保持低温的种子储藏库；2) 对种子进行繁殖复壮的种植基地；3) 对储存种子动态进行监测和管理的数据库；4) 保障种子的活力和储存相关的各种必要附属条件，如种子萌发率检测实验室、种子分类鉴定实验室（标本室）、种子生理生化性状和价值分析评价的实验设施等。
国际和中国的基因库现状
早在20世纪初，各个国家就先后建立了规模不同、功能各异的基因库。目前，全球最大的基因库是被称之为“世界种子的挪亚方舟”——斯瓦尔巴全球种子库（图4），它位于挪威的北极圈内，距离极点1000多公里，在永久冻土地带中（天然大冰箱），可以经受地震等自然灾害破坏。
斯瓦尔巴种子库储存着来自全球基因库中超过4000个植物物种的86万份种子的备份，包括豆类、小麦、稻米等粮食作物种子。
此外，位于全球的各个国际农业研究中心或研究所，都有不同农作物的基因库，储存着大量农作物基因资源。
例如，国际水稻研究所专门储存了栽培稻品种以及野生稻不同种类的种子样本12万余份，国际玉米小麦改良中心也储存了近3万份玉米种子样本和15万份小麦种子样本。
与此同时，包括中国、印度、巴西、马来西亚、墨西哥在内的生物多样性大国或特色资源国，都有自己的国家和省一级的基因库，确保了大量的独特基因资源的保存。
图4 全球最大并被称为“世界种子的挪亚方舟”的挪威斯瓦尔巴全球种子库
中国是世界植物种类最丰富的国家之一，拥有3万多种植物。中国也是世界农作物八大起源中心之一，有着非常丰富的农作物种类，有几种重要的粮食作物，如水稻、小米（粟）、黄米（黍）和大豆等作物都起源于中国，因此中国对世界粮食安全做出了巨大贡献。
早在20世纪20年代，中国著名的水稻科学家，现代稻作学重要奠基人丁颖院士，就率先开启了水稻基因资源的保护工作，这个工作一直持续至今，目前广东省农科院、华南农业大学等建立的水稻基因库，就传承了丁颖院士当年收集的稻种基因资源。
自20世纪60年代以来，中国曾对基因资源进行过多次大规模的考察、收集和研究，当时收集的大量农作物基因资源，目前都储存在中国农业科学院（北京）的国家基因库中。
此外，中国的各省市一级农业科学院和专业研究所都建立了各自的基因资源库，保存了各种农作物的大量基因资源。
这充分表明，中国对基因资源考察、收集、保护、研究和利用一直都非常重视。
随着国家经济的发展以及对基因资源保护重要性的进一步认识，国家一级的基因库也随之不断建立。目前，影响力最大的基因库，是被称为中国版植物“挪亚方舟”的中国西南野生植物种子资源库（图5），它位于云南省昆明市北郊，是亚洲第一大、全世界第二大的野生生物保护中心，已保存1万多种植物的种子，占我国有花植物物种总数的36%。
此外，还有位于深圳的国家基因库，是我国首个国家级综合性基因库，包括生物样本资源库、生物信息数据库、动植物资源活体库，还有数字化平台以及合成与编辑平台。
图5 全球第二大的野生生物保护中心⸺中国西南野生生物种质资源库
这些国际和国内的基因库正像植物种子的“挪亚方舟”，在全球气候变化、环境破碎化日益剧烈、战争影响、自然灾害和各种不定因素导致的物种灭绝严峻形势和威胁面前，保护着重要植物种类。这些“挪亚方舟”中的植物种子和基因资源，将在人类需要他们的时候发挥重要作用，解决全球的粮食安全危机。
基因资源与人类的未来
民以食为天。中国是一个人口大国，保证人人都有饭吃，始终是国家的头等大事。称粮食安全为“国之大者”，并指示“对粮食安全不能有丝毫的松懈”。
国家非常重视粮食安全的问题，特别是当世界正在经历百年未有之大变局，中国正面临大态势的复杂形势下，粮食安全更是我们面临的巨大挑战。
中国目前仍然要向国外进口大量的粮食。据国家统计局的资料，2021年中国从国外进口的粮食超过1.6亿吨，包括大豆、玉米、小麦、水稻、油菜等。如果由于某些原因中国无法获得这些粮食，这将为社会的稳定和发展带来很大风险，也为实现中华民族伟大复兴也会带来影响。
此外，许多优良农作物和饲养动物的优良品种种源仍然受到国外垄断，优良品种和种源就像农业的“芯片”，如果“芯片”被卡脖子，我们的农业生产和吃饭都会出大问题。所以，强调“绝不能在吃饭这一基本生存问题上让别人卡住我们的脖子”。
为了确保中国的粮食安全，不断培育具有自主知识产权的优良品种并用于农业生产，将饭碗牢牢端在自己的手中。2021年7月9日，在主持召开的中央全面深化改革委员会第二十次会议中，通过了《种业振兴行动方案》，方案中明确提出了实施种质资源保护利用、创新攻关、企业扶优、基地提升、市场净化的五大行动方案，大力推进利用基因资源和高新科技的生物技术来推动种业振兴。
俗话说“巧妇难为无米之炊”，这个比喻对于种业振兴和农作物优良品种培育非常贴切。对于种业振兴而言，如果没有基因资源，无论有怎样的高新育种技术，还是有最优秀的育种家也“难为无米之炊”，无法培育出高产、优质、营养丰富和抗病虫的农作物优良品种。因此，有人将基因资源和种子比喻成农业的“芯片”，这真是恰到好处。
在国际竞争异常剧烈、世界种业强手如林的当今，对基因资源的争夺变得日益白热化，中国必须抓住这个机遇，牢牢掌握基因资源这个种业的“芯片”，推动种业的发展。
时代楷模钟扬教授就曾经讲过：“一个基因可以拯救一个国家，一粒种子可以造福万千苍生。”基因资源关乎国家的生态安全、关乎国家的粮食安全、关乎国家的未来和发展。保护生物多样性和基因资源与人类共同体的命运休戚相关。
让基因资源在这一艘艘永不沉没的“挪亚方舟”上，承载着人类的希望，驶向美好幸福的未来。
-本文选自《世界科学》杂志2022年第6期“大家•科技前沿”栏目-
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