1、第3章资源与引种第3章 遗传育种资源和树木引种提要 本章含两个部分。第一部分是遗传与育种资源。首先说明了遗传资源、育种资源的内涵。阐明了遗传资源和育种资源的重要性；介绍了国际林木遗传资源工作的发展历程及对各国资源工作的影响和我国自然保护工作的沿革。阐明了生物多样性的内涵、各个层次多样性的关联；叙述了遗传多样性的检测途径、遗传流失的原因和危害、防止遗传流失的措施。讨论了林木遗传资源管理的主要内容和环节，着重阐明了林木育种资源以异地保存为主的理由。第二部份是有关乡土树种、外来树种和引种的内容。根据树种原产地和栽种地，可分为乡土树种和外来树种，正确选择改良树种是育种工作的第一步。 我国树种资源丰富，
2、开发利用乡土树种潜力大。本章介绍了筛选外来树种的依据，并较详细地讨论了筛选外来树种中常用方法生态因子分析法。外来树种的成败最终要通过实践来验证，引种工作必须遵从循序渐进，逐步推广的原则。 3.1遗传资源 遗传资源(genetic resources)，也称为基因资源(gene resources)，指以种为单位的群体内的全部遗传物质，或种内基因组、基因型变异的总和。对于栽培植物又常称为种质资源(germplasm resources)。育种资源（breeding resources）是遗传资源的组成部分，指在选育优良品种工作中直接利用的繁殖材料，往往是根据品种选育目标调查、收集的资源。因此，遗
3、传资源与育种资源的涵义既相关，但又有区别。与遗传资源等常一起出现的另一个术语是生物多样性(biological diversity)，指地球上数以百万计的所有生物动物、植物和微生物及其所拥有的基因，以及生物与其生存环境构成的复杂的生态系统的总称。生物多样性是生命系统的基本特征。关于生物多样性将在后面作详细说明。3.1.1遗传资源的重要性从选育新品种出发,为使当前的育种工作取得成效，也为育种工作得以持续发展，不仅要有明确的育种目标，采用适当的育种策略和技术，更必须拥有并能合理地使用丰富的育种资源。从保护自然考虑，保护地球上丰富多样的生物更有其重要意义。重视遗传资源工作的主要理由如下：(1)农作物
4、和果树栽培育种的历史证明，现有的品种都起源于野生植物。品种的形成过程是人类利用自然资源的过程。林木育种是兴起较晚的工作，今天投入生产的树木品种为数还不多，但都是直接或间接从自然资源培育出来的。育种所需要的基因，广泛蕴藏于自然资之中，遗传资源是创育新品种的物质基础。(2)在集约经营和选育过程中，往往把注意力集中在少数经济性状上，从而使群体或个体的遗传基础变窄。一个优良的品种不仅应具备优良的经济性状，同时也应具有较强的适应性和抗逆性。为选育优良品种，必须具备丰富的资源作后盾，不断地引进，补充新的资源，多世代育种工作才能顺利开展，不会受到很大制约。防患于未然，必须重视遗传资源的调查、搜集、保存、研究
5、和利用。(3)随着经济条件的发展、工艺过程的改革、市场的变化，对林木新品种的要求也会发生改变。就当前木材利用而言，树干材积生长快，干形通直是重要的经济性状，但将来树木生物质（tree biomass）产量可能成为主要追求目标。如果只考虑当前需要，只重视当前所需要的性状，而对有潜在利用价值的资源滥加砍伐，或任其毁灭。到头来，育种工作将会濒临“无米之炊”的困境。因此，从事育种工作的单位，特别是负责资源收集工作的单位，不能只从一时一地的需要出发收集资源，而应尽可能多地收集各类资源，以供今后的研究和利用。(4)今天复杂而丰富的物种和遗传资源是生物经历6亿多年自然演化中形成的，是生物适应繁杂、变化自然环
6、境条件结果，是进化的结果。生物界在适应环境过程中，丰富和繁荣了生物种群。生物多样性是充分利用自然资源的必要条件，是人类赖以生存和发展的物质基础。生物多样性不仅为人类提供了食物、能源、药品和工业原料，在维持生态平衡和稳定环境方面发挥着重要作用，理应十分珍惜。(5) 抢救濒临毁灭的树种，已迫在眉睫。世界上动植物种类估计在500万种到1000万种间，已作过描述的约为175万种。高等维管束植物25万种，苔藓、地衣等低等植物15万种，约有90%生活在陆地，而其中又有约2/3生活在热带森林。热带地区，特别是热带雨林对保存物种十分重要。然而，随着人口的增加，森林的大量砍伐，许多珍贵物种和遗传资源遭到毁灭。据
7、世界自然基金会(WWF)与世界保护监测中心(WCMC)测算，8千年前全球天然林面积为80.8亿hm2，到1996年底62%的森林已消失了，仅剩下了30.4亿hm2。森林面积的锐减，导致许多物种的绝灭或生存受到威胁。20世纪80年代，人们明显地觉察到物种不断减少，灭绝速度为自然灭绝速度的1千倍，即每天约有75种被消灭。在25万种高等植物中已有2万2.5万种处于危险状况。基因、物种和生态系统以前所未有的速度在消失，人类面临了严峻的挑战。因此，必须重视林木遗传资源工作。3.1.2国际林木遗传资源工作的发展鉴于遗传资源的重要性，联合国粮食与农业组织（FAO）早于1957年开始发行“植物遗传资源通讯，1
8、961年组织召开了有关的技术讨论会。1963年成立植物资源考察专家小组，组织并制定种质资源收集、保存和交换条例。于1967年联合国粮农组织成立森林遗传资源专家小组，规划和协调有关林木基因资源搜集、利用和保存等方面的工作。该小组于1974年的罗马会议上起草并公布了“森林遗传资源保存与利用的全球计划”，对遗传资源工作提出了调查、收集、评定、保存和利用等5个方面的内容。粮农组织和国际林联呼吁并采取了相应措施，保护和保存濒临毁灭危险的遗传资源；组织了英国牛津大学，丹麦粮农组织林木中心，澳大利亚昆士兰林业部等，分别对中美洲、东南亚、澳大利亚等地的优良树种进行了调查、采种和种子分发等工作。1988年联合国
9、召开了生物多样性特设专家工作组会议，起草了生物多样性公约协议。1992年在巴西召开的联合国环境与发展大会上，包括中国在内有168个国家签署了保护生物多样性国际公约。1995年FAO遗传资源工作的范围有所扩大，包括了农业生物多样性内容，森林遗传资源有一个专家技术咨询组。生物多样性的研究、保护和持续、合理地利用，已成为国际社会关注的中心议题，联合国环境规划署(UNEP)把生物多样性与全球气候变化、臭氧层破坏和有害物质转移并列为全球四大环境问题之一。在国际组织的影响下，全球对森林遗传资源的重视程度有所提高，并采取了积极措施。建立自然保护区是生物多样性保护和遗传资源保护的有效措施。1872年美国建立了
10、世界第一个自然保护区黄石公园（Yellowstone National Park），至2003年，全球自然保护区数量达到102102个，总面积1876万km2，相当于陆地面积的12.65%。日本把遗传资源的保存作为林木育种工作的组成部分。该国自1964年以来，对主要造林树种（包括用材、经济林、能源林、山地造林绿化树种以及外来树种）的优良天然林和人工林，在种子丰收年采种育苗，营造所谓的人工基因库。自1976年后，对次要材种资源也采取了保护措施。到1981年，日本营建了249块这类林分，总面积为1018 hm2。根据自然环境保护法、天然公园法和森林法规定，对全国139处共35597 hm2的林分严
11、禁狩猎和破坏。日本重视收集抗性资源，在19701981年间，全国各地收集抗雪害的优树1310株，不受线虫危害或受害轻的树木1.6万株。到2000年保存主要树种无性系19350个，家系3789个。同时，全国保存原始天然林（森林生态系统林）26处，共32万hm2，森林生物遗传资源保存林29万hm2；森林遗传资源保存林377处,9600 hm2；植物群体保存林350处，11万hm2；优良基因保存林53处，610hm2。 芬兰除国家建立森林保护区外，对优良天然林分进行去劣疏伐，保证更新。以天然林的形式保存丰富的育种资源。芬兰对选择的优树，建立收集区。目前，已建立收集区105个，总面积在240 hm2以
12、上。美国各个育种单位普遍设置优树资源收集区，同时利用国家和州的自然保护区保存天然基因资源。自上世纪80年代以来，美国以及欧洲一些国家或地区，排斥栽植外来树种，甚至反对采取树种遗传改良措施，如美国佐治亚州等一些地区，公众反对大面积营造单一的火炬松或湿地松人工用材林，要求扩大长叶松及其他乡土树种的林地面积，恢复自然景观。3.1.3我国重视自然保护工作 为保存富有代表性的典型自然景观、植被类型和珍贵的野生动物，我国政府早在1956年第一届全国人民代表大会第三次会议上，就提出了在全国划定天然森林禁伐区、保存自然植被的提案。同年10月，林业部草拟了我国第一个“天然森林禁伐区（自然保护区）划定草案”，提出
13、在吉林、黑龙江、陕西、甘肃、浙江、广东、四川、云南、贵州等15个省（自治区）规划40余处自然保护区。20世纪80年代起，陆续制定和发布了环境保护法、森林法、草原法、野生动物保护法、森林和野生动物类型自然保护区管理办法、珍稀濒危动植物名录等保护自然的法律和政策。我国于1956年建立了第一个自然保护区广东鼎湖山自然保护区以来，截至2003年底，全国共建立各类自然保护区1999处，总面积达到144万km2。其中，国家级自然保护区226个，面积为89万km2，占国土面积14以上，面积居世界第一。 此外，自上世纪50年代开始的种源试验，60年代以来开展的选优-种子园等工作，实际上也已收集了大批育种资源。
14、 3.2生物多样性和遗传流失3.2.1生物多样性的内涵生物多样性的内涵己如前述，生物多样性包含3个层次的内容，即生态（生物群落）多样性、物种多样性和种内遗传多样性。1生态系统多样性(ecosystem diversity)生态系统由植物群落、动物群落、微生物群落及其生境的非生命因子(光、空气、水、土壤等)所组成。群落内部、群落之间以及生境之间存在着复杂的相互关系，其主要过程包括能量流动、水分循环、养分循环、生物间诸如竞争、共生、寄生等相互关系。生态系统多样性是指生物圈内生境、生物群落和生态学过程的多样化以及生态系统内生境差异和生态过程变化的多样性。在地球的各个区域，即使自然条件相似，也存在着多
15、种多样的生态系统。我国位于欧亚大陆东部，国土辽阔，垂直变幅大，气候及地貌类型复杂，在这种复杂的自然条件下产生了极其多样的生态系统类型。森林生态系统是陆地生态系统的主体，是生物多样性最丰富的地方，陆地上有半数以上的动、植物物种，在森林中栖息繁衍，森林的破坏和消退，特别是热带森林的消退，是物种灭绝的重要原因。森林生态系统多样性的现状评估、人类活动对森林生态系统的影响、森林资源的持续利用、以及退化森林生态系统恢复试验等，是森林生态学研究的主要内容。2物种多样性(species diversity)物种是生物进化链上的基本环节，虽然处于不断变异与不断发展之中，但同时也是相对稳定的。任何物种都具有特有的
16、基因库和遗传组成。所谓基因库（gene pool）是指一个群体中所包含的基因总和。物种多样性是指某一区域内物种的多样化程度。多种多样的物种是生态系统中不可缺少的组成部分。生态系统中的物质循环、能量流动及信息传递与物种的组成密切相关。当生态系统丧失某些物种时，就可能导致生态系统功能的失调，甚至使整个系统瓦解。物种多样性的主要研究内容包括物种多样性的现状、形成、演化及维持机制等。调查、评估与预测物种受威胁的程度，分析濒危物种种群的动态变化和生存能力，是研究物种多样性的重点。3遗传多样性(genetic diversity)遗传多样性通常是指物种内不同群体(又称种群或居群)间，或同一个群体内不同个体
17、的遗传变异；遗传多样性表示物种内基因的丰富程度以及基因的变异状况。遗传多样性是由基因组控制的，在众多基因的协调作用下，生物表现出了不同的形态特征和生理代谢特性。每个物种实际上含有成千上万个不同的基因型，对一个物种来说，遗传变异愈丰富，对环境变化的适应能力愈强。某个特殊基因组的毁灭，有可能导致该物种的灭绝。遗传多样性也是选育新品种的物质基础，研究遗传多样性是选育新品种的前提。同时,多样性研究也有助于探讨物种濒危原因，可为制定合理的保护对策提出依据。天然群体遗传多样性的分析，遗传资源的保存和利用，是研究遗传多样性的主要内容。总之，遗传多样性是生物多样性的重要组成部分，是生态系统多样性和物种多样性的
18、基础；物种的多样性也就显示了基因多样性，而物种构成生物群落，进而组成生态系统，生态系统的多样性离不开物种的多样性，同样也离不开物种所具有的遗传多样性。三个层次的多样性是相互关联、相互依存的整体。3.2.2遗传多样性的检测林木个体的遗传差异反映在外部形态、组织结构及分子水平上，因此，对遗传变异有不同的检测方法,目前主要应用下列方法检测。形态特征的变异，是林业工作者十分熟悉的。在辽宁兴城油松种子园中，我们曾主要依据雌雄球花绽开时色泽，球果形状，针叶长度、粗度、着生特点和色泽，分枝的弯曲程度，并结合同功酶谱带的差异，对51个无性系作了鉴别，并编出了鉴别无性系的检索表（李悦等，1992）。从形态特征或
19、表型性状检测遗传变异是最直接，也是最简易的方法。由于表型性状经常受环境因素的影响，且表型受基因表达、调控、个体发育等复杂过程，在不少情况下表型并不能真实反映遗传型。同时，应当注意，只有当形态类型与经济性状、生态效益间存在比较紧密的相关时，这类变异才有实际利用价值，也才值得深入研究。染色体是遗传物质的载体，是基因携带者，染色体数目、结构、核型特征上的变异是种群遗传多样性的重要来源，也是研究的一个方面。20世纪60年代后，同工酶(isozyme)被广泛应用于天然种群遗传变异的研究。酶是生物体所特有的具有催化能力的蛋白质，而同功酶是指具有相同或相似催化活性，但结构有所区别的酶，呈共显性。在林木遗传育
20、种中通过对不同树种、种内不同种源和个体的各种同工酶电泳谱带的分析，识别控制这些酶的基因位点和等位基因。在此基础上，估算多态位点的百分率、某个位点上的杂合度以及用来反映群体间遗传相似程度的遗传距离等参数。但由于同功酶检测的位点数目较少，常不能代表整个基因组的变异。80年代以来，分子生物学技术的快速发展，直接检测DNA序列变化的分析方法已成为目前有效的遗传分析方法。常用的DNA分子标记方法有RFLP技术、基于PCR的各种检测方法和重复序列分析技术。有关分子标记方法将在第11章中作较详细介绍。上述各个层次的检测方法，相互并不排斥，同时采用几种方法分析，特别是将常规试验观察与生物技术结合，有可能较正确
21、、全面地揭示物种或种群的遗传多样性水平。3.2.3遗传流失及其危害由于自然因素或人为作用，使物种或种群遗传多样性的减少现象，称为遗传流失（genetic erosion）。造成物种濒危和灭绝的原因是多方面的。气候变迁、人口剧增、环境污染、城市扩建、大规模工程建设、滥采乱伐等，使森林面积锐减，草原沙化，荒漠化面积增加，绿地面积减少，导致全球生态系统的急剧退化，许多物种的绝灭或种群数量的减少，使遗传多样性降也受到严重威胁。造成物种和遗传多样性丧失的另一个重要原因是不合理地利用优良品种。自20世纪以来，农作物新品种大面积取代传统的作物品种，全世界75%的作物品种已丧失。农作物品种单一化、经营集约化，
22、一方面大幅度地提高了作物产量和品质，但同时也严重削弱了作物的抗病力和对不良环境的适应性。新品种的选育过程，是根据育种目标大量淘汰不符合要求的个体和群体的过程，也是丢失大量基因的过程，使遗传基础变窄，选择潜力变小。随着育种世代的发展，遗传基础愈趋变窄，如处理不当，会使遗传改良活动走向死胡同。因此，在选育过程中必须重视遗传资源的管理工作。在林业中，大面积砍伐天然林，营造单一树种的纯林，大范围栽植遗传基础狭窄的外来树种，无控制地推广单一无性系和为数不多的家系，都可能导致一个地区物种和种群数量减少，使多样性变小。在上一章讨论影响基因频率的因素时，介绍过奠基者效应、统计瓶颈效应、遗传漂变和近亲交配等因素
23、，这些因素都可能使物种等位基因丧失，纯合性（homozygosity）增加，使物种种内遗传多样性降低。遗传多样性是进化和适应的基础，丰富的种内遗传多样性使物种能有更多机会适应环境的变迁，有利于物种的保存和进化；物种和基因的多样性也是满足人类社会发展所需要的自然资源。保持种群内等位基因的多态性，防止基因丢失和物种灭绝，维持人类赖以生存的生态环境，关系到人类的今天和未来。遗传流失，会导致物种遗传多样性的缩小或丧失，遗传均质性的增加，从而威胁到物种或群体的生存。 3.3 林木遗传资源管理遗传资源是多样性和林木遗传改良的物质基础，受到各国重视，如FAO于1995年就森林遗传资源问题在欧洲和美国曾讨论过
24、三次。调查、搜集、保存、评价和利用是森林遗传资源森林遗传资源管理的主要内容，这是相互衔接和关联的5个组成环节。3.3.1调查调查内容主要有物种生态学、生物学以及经济和生态价值等，要具体了解物种的来源、分类、分布特点、栽培状况、生长习性、开花结实特性、种子和营养繁殖特点、对主要生态条件的要求和适应性、病虫害状况、经济产品、生态价值以及花、枝、叶等的形态特征等。调查工作一般先通过文献了解，再组织实地查考。3.3.2搜集 在调查的基础上，对所需的繁殖材料可以通过交换、引进的方式搜集，但更主要的是组织实地考察和搜集。组织专门队伍到另一国家或地区搜集育种资源的事例不少。如瑞典引种小干松（Pinus co
25、ntorta Dougl.）取得初步成功后曾专门组织人员去美国和加拿大搜集小干松种源；挪威到北美太平洋沿岸搜集锡加云杉（Picea sitchensisi）种源；英联邦林研所和牛津大学组织对中美地区的加勒比松、卵果松、展松、南亚松等的搜集；粮农组织丹麦林木种子中心在东南亚地区搜集南亚松、乔松以及柚木、云南石梓等育种资源。收集的繁殖材料应尽可能覆盖物种分布区中有代表性的所有地点。分布区边缘地带的种源，经历了极端环境条件下的自然选择，因而其基因频率可能不同于主要群体的基因频率，从中可能产生具有潜在价值的新的繁殖材料，能适应极端的生态条件；而中心地区的种源，基因组分复杂，具有多种优良经济性状和适应能
26、力。因此，在搜集和保存育种资源时对边缘群体和中心种源都应予重视。收集工作难于一次完成，一般要持续进行多次。 在同一个采源点范围内，收集的繁殖材料应尽可能覆盖物种分布区中有代表性的所有地点据多数研究报道，适应性、抗逆性与干形、生长等性状间没有相关，各种性状的遗传都是相对独立的。经济性状表现优良或低劣的植株，在适应性或抗逆性方面的表现都是相仿的。从这个意义上考虑，选留优良林分更具重要意义。 在我国当前条件下，这项工作可以考虑结合优树选择、地理种源试验的采样和营建优良林分等进行。种源试验中采种点的设置如果是合理的，它本身就具有代表性。优树选择的目的性明确，一般只选择符合当前生产需要的个体，而不会去搜
27、集可能具有潜在价值的单株或类型。但从长远育种需要考虑，应当适当地搜集具有潜在价值的资源，如以提高生物质产量为改良目标，可选择树干虽不通直，但枝干粗大、生物量高的植株。3.3.3保存搜集到育种资源，必须妥善保存，以免基因资源丧失。无论是1年生作物还是多年生林木，无论是经济乔木还是生态用灌木，遗传多样性保存方法基本上是相同的。目前保存林木遗传资源的主要方式，是原地保存和异地保存，此外，还有设备保存。（1） 原地保存（conservation in situ） 原地保存是指在自然生境内的保存，保存生态系统和自然生境，保持和恢复有生存力的种群。原地保存的主要目的是防止通常由于人类活动造成的进一步损失。
28、自然保护区、国家森林公园以及优良天然林和母树林等都具有原地保存的功能。它是野生动、植物保护的主要形式。其主要优点是保护了自然生态系统，使物种得以继续进化。原地保存的基本原则是要求保存足够的遗传多样性，生态系统的保存需要占据较大的面积，而遗传资源的保存一般有数千株树就可以建立起有效的基因库。原则上应当重视群体的分布地点，较大面积集中于一个地点，不如较小面积分散保存在多个不同的地点。对于这类林分的性质，应不加人为干预，但由于林分的自然演替，不能保存人们所需要的林分结构。为保存所需的林分组成，仍需采取必要的经营措施。从遗传学考虑，保护林分面积大些，保存的基因组分多，效果好，但面积大，人力、物力投入大
29、。所以，在面积和投资间要作出权衡。（2）异地保存（conservation ex situ） 异地保存是指把搜集到的种子、穗条在其他适宜地区的栽植保存。异地保存多与林木育种活动结合，如种源试验林、种子园、收集圃、无性系和子代测定林、树木园等都属异地保荐。这是应用较广的保存方式。日本对该国主要造林树种的优良天然（或人工）林，在种子年采种育苗，在2个以上地点各造林2 hm2以上，以确保优良林分的基因资源。关于收集和保存植株的数量，是尚有争议的问题。G. Namkoog等曾建议，收集50个植株的种子可以保存基因的遗传变异，如少于20株，对今后育种潜力的发挥会受到影响。取样的大小，应考虑为保存低频率等
30、位基因所需的最低限度样品数量。一般认为，保存数量应在数百株到数千株之间。为维持保存林分的“纯度”，也需考虑保存林分周围的林分状况，这是由于传粉会影保存林分子的基因组分。（3）设备保存近20多年来在林业发达国家用低温密封保存种子和花粉的做法已很普遍，松类种子贮藏在-18及5%6的湿度条件下，经10年以上仍有极高的生活率。但对经长期低温贮藏种子的检查，发现染色体发生了畸变。贮藏花粉，只能保存所需亲本遗传组分的一半。对超低温保存植物细胞和组织也做过不少试验，其中包括杨、悬铃木等组织。在许多试验中，植物细胞和组织在液态低温下（-196）下贮藏不同时期后，仍能存活并再生成完整的植株。在林业中采用组织、器
31、官的离体贮存在生产中应用不多，目前仍处于试验阶段。设备贮藏农作物种子或组织在国内外较普遍。 美国有比较完善的植物种质保存系统。该系统主要有国家种子贮藏实验室（NSSL）、种质资源实验室、国家无性系种质库等组成，受美国农业部科研部门协调。如设于科罗拉多州立大学内的国家种子贮藏实验室，始建于1958年，1992年扩建了8.2万平方英尺，现设有大体积的低温贮藏室，也有液态氮贮藏罐，可贮存1百万份样品。其主要任务是，收集、立档、保存、评价、并分发植物遗传资源，为美国和世界各国重要经济作物持续改良服务。（4）合理的保存策略 1996年6月在德国莱比锡召开了植物遗传资源国际技术大会。会前对世界各国植物遗传
32、资源，包括森林遗传资源状况作了调查，发表了“世界粮食与农作物遗传资源保存现状”的报告。据该报告，7080年代人们感到植物遗传资源受到了威胁，全世界基因库的数量和规模急剧增加，异地保存的粮食和农作物种质资源约达610万份，其中仅有52.7万份保存在大田基因库。但在森林遗传资源保存方面，情况却迴然不同。只有开展遗传改良的主要造林树种及珍稀濒危树种有少量异地保存外，多数树种采取原地保存，而自然保护区是森林遗传资源的主要保存方法。也有些国家，如泰国对南亚松，德国对欧洲云杉分别选择优良林分作为原地保存。林木异地保存可以防止优良基因型的丢失，有利于提高林分生产率，可作为树种短期改良的一种保存方式。当前，世界各国对森林遗传资源主要采用原地保存，主要理由如下： 第一，遗传资源是在一定生态系统和自然进化过程中形成的，与生态系统的各个组成部分构成一个相互依存的整体，原地保存能不断发掘遗传变异，适应未来变化，离开了长期适应的系统，有时甚至难于存活；第二，离开了原有的生态系统下保存基因资源，改变了原有的群体结构和交配系统，难于保存原有的基因组成； 第三，由于市场需要的改变及自然环境条件的变迁，收集保存什么样本很难预测，收集、评价样本的标准更难
