段永红,余亚莹,唐 潇,邓 晶
(1湖南省水稻研究所,长沙 410125;2长江中下游籼稻遗传育种重点实验室,长沙 410125;3湖南省农业科学院,长沙 410125)
随着现代种业的蓬勃发展,农作物种质资源作为农业科技原始创新、新型现代种业发展、农业基础研究的物质基础,日益受到国家的重视。2015年,农业部、国家发展改革委、科技部联合印发了《全国农作物种质资源保护与利用中长期发展规划(2015—2030)》,启动第三次全国农作物种质资源普查与收集行动;2019年,国务院办公厅发布《关于加强农业种质资源保护与利用的意见》,新国家作物种质库开工建设;2020年,中央经济工作会议提出“要加强种质资源保护和利用,加强种子库建设”;2021年7月习近平总书记主持召开中央全面深化改革委员会第二十次会议,会议审议通过了《种业振兴行动方案》,强调要打牢种质资源基础,做好资源普查收集、鉴定评价工作,切实保护好、利用好。由此各地兴起建设种质资源库的热潮,本研究拟对照国家作物种质库建设要求,以湖南省农作物种质资源库为例,从种质库的规划、设计、建设、管理等方面,为地方种质库建设提供一些建议和意见。
低温干燥环境能有效延长正常性种子的寿命特性,利用制冷除湿技术,通过建设现代化低温低湿种质库保存种质资源已成为世界资源保护的重要手段。1958年建成了世界上第一座现代化种质库(美国国家种子贮藏研究室,位于科罗拉多州科林斯堡市),目前全球已建成种子(质)库约1750座,收集保存种质资源740多万份[1-2],涉及1万余个物种,包括栽培种和野生近缘种[2]。
中国种质资源现代保存起步较晚,但发展较快。20世纪80年代建成国家作物种质库,2018年底,构建了包括作物种质长期库、作物种质长期复份库、10个作物种质中期库以及多个作物种质圃相配套的国家种质资源保护体系(表1)[2-3],收集保存了671种作物50万余份种质资源[2]。其中国家长期库保存43万余份,是目前世界上第二大的农作物种质库[1-2]。并于2019年2月26日开工建设新国家作物种质库,包括低温种质长期库、试管苗库、超低温库和DNA库等设施,设计保存容量150万份[2]。
表1 国家级作物种质资源库
同时期,多地建成省(市)级种质库,其中广西农业科学院种质库于1981年11月建成,是中国首座投入使用的种质库。随着现代种业的蓬勃发展,以及制冷除湿、自动化控制等保存设施技术的进步,国内种质库建设得到长足发展,不断出现老库升级改造、新库立项建设。据不完全统计,至2018年国内已建成且运行的省级(含直辖市)现代化农作物种质库17座(表2),另有新疆[16]、宁夏[17]、内蒙古[18]等地建有自然条件的种质资源库。近几年,浙江[19]、江西[20]、四川[21]等地正在建设省级农作物种质资源库。
表2 主要省级作物种质资源库
续表2
中国地域辽阔,种质资源十分丰富。在国家现有种质资源保护体系的基地上,不少省份建有或计划建设本地区的种质资源库,以保护和利用好区域内的种质资源。由于种质资源库是一项建设投入大、维护成本高的工程,盲目建设、求大求全不利于种质资源保护的可持续发展。地方种质资源库建设在规划设计、施工建设、运行管理等方面要因地制宜、突出特色。
国家种质资源库作为全国作物种质资源长期保存与研究中心,最主要的功能是战略储备,保障中国农作物种质资源得到长期安全保护[2],为后世保留一笔宝贵的资源财富。地方种质资源库作为国家种质库的有力补充和分发利用平台,建议定位于本区域优势作物、特有种质资源的中短期保藏中心,送存国家库前进行繁殖复壮、性状登记的保护鉴定中心,形成国家与地方分工协作、相互支撑的良性局面。因此,地方规划建设种质资源库时,建议重点关注以下2个方面。
首先要加强顶层设计,体现前瞻性。建议摸清本地区的资源家底,明确地方资源特色、育种优势,依据本区域现代种业未来一个时期的发展方向,拟定种质资源库设计方案。比如,辣椒是湖南优势育种作物,湖南省农作物种质资源库保存的辣椒资源居全国首位[29]。山西省种质库保存的区域生态优势小杂粮作物种质资源,属全国地方中期库之首[27]。
其次,设计时要重点注意布局、选型等方面的合理性。布局要注意节能与合理并重。一是节能。因为种质库为低温低湿环境,需要消耗大量的电能。因此,在库房设计时选择有利于减少能耗的方位非常重要。这也是大多数种质库建在地下层,避免直接朝西的原因。湖南省农作物种质资源库选择一层朝向为北的房屋,低温控制区的7个房间采取了“回”字形的布局(图1),即用低温库包围低温库,温度更低的库房(核心区)四周为低温环境,未直接面对常温环境,有效降低了能耗。二是方便工作。包括库内工作和入库前处理工作。库内布局建议最大限度减少库门开启频次、人员滞留时间,各库房相对独立;入库前处理间的布局建议依据各自的工作特点设计,原则上以入库资源样品的接收、清选、发芽、干燥等工作流程依次布局为好,减少样品往返交叉造成混杂。干燥间要靠近库房,保证干燥包装后的资源能快速入库。
图1 湖南省农作物种质资源库平面图
选型要注意根据种质库建设的特色,主要包括设计单位、建设规模、机组设备等硬件、软件及其技术的选择。
(1)设计单位的选择。由于种质库是一项专业性强、跨多个领域的农业工程,因此需要选择综合能力强的设计单位,囊括土建、保温、制冷、自动控制等各方面设计要素,必要时可邀请各个领域的专业团队参与设计。
(2)建设规模的选择。重点是建设地址、面积、温湿度控制值的拟定。①建设地址以安全为第一要素。选择较隐秘的方位,便于安全保卫。选择高地势,防洪水、防内涝。同时,要求电力供应条件好且稳定。②建设面积主要依据本地区资源家底、育种发展方向及各库功能估算低温库面积,如中、长期库以战略储备为主,短期库的功能为分发利用,一份资源可复份保存于两个库。并考虑机房、配电室、控制室、值班室以及接收、清选、发芽、干燥、数据处理等入库前处理室,有条件的可配备实验室。③温湿度控制值。种质资源库按设计保存年限分为长期库、中期库和短期库[2],依据Harrington提出的延长种子寿命的两通则:在含水量4%~14%、温度0~50℃的范围内,种子含水量每降低1%,寿命可延长1倍;种子温度每降低5%,种子寿命延长1倍。长期库多设计为-18~-10℃,中期库为-4~4℃(避开0℃,因结冰临界点时不利于保持种子寿命),短期库为8~15℃,相对湿度<60%[2]。地方种质库可根据自身发展需要规划设计。
(3)机组设备的选择。主要包括制冷设备、除湿设备和控制系统。国内制冷技术已经非常成熟,可选择能满足库温需求的大品牌。除湿设备的选择在保证除湿效果的基础上,还应关注其安全性和节能性,避免因除湿造成库温频繁波动。可选择专业冷库制冷除湿一体机设备。控制系统要求自动化、智能化程度高,可远程报警,有效降低人员成本。对于采用一用一备机组设计的,建议两台机组设计自动定期轮换使用,避免备用机组因长期不运转而无法启动的现象发生。
种质资源库储藏的种子,是具有活力的战略物质,储藏环境要求低温低湿,因此在按通用土建工程要求的基础上,防火防震指标均需提高一个等级,严把施工质量关、安全关,严格执行全流程管理。
2.2.1 保温防潮
(1)保温层外留有检查空间。现在的保温层多用保温板直接拼接而成,虽然有熟练专业人员安装,但仍可能因拼装不均衡出现微小漏点,留出检查通道才能及时对出现的漏点进行补修。
(2)地面保温防冻处理。地面保温防冻层较容易被忽视,曾出现因地面未进行保温处理而发生冻裂的事故[42]。这对于设置0℃以下的库房尤其重要,并且地面的保温防冻层要选择具有较好抗压能力的材料。
2.2.2 设备安装
(1)安装要点。尽量不破坏保温层,便于维修,便于操作。
(2)机组安装。室外机组以安装在库房一侧为好,连接管道较短,方便操作和检修。要求管道放置规范,接口焊接严实。室内机安装高度需高于种子架高度,预留检修空间,并保证排水管密封性和通畅性。
(3)种子架安装。为提高库房利用率,种子架多采用配备轨道的移动型,轨道铺设需与地面建设同步进行,其安装质量关系到种子架使用的平衡性、安全性,并注意与墙面线管、温湿度计保持距离。
种质资源库不仅是一个建设工程,更是一项具有长期性、公益性、服务性的事业。因此,各地在启动种质资源库建设的同时,要部署好建库后的运转与管理工作,实现可持续发展。
种质资源库作为科研重地,需要构建完善的管理制度予以保障。主要包括资源、人员、场地等管理制度,如种质资源库管理办法、种质资源库保密制度、种质资源收集与共享审批制度等。
对种质资源实物、信息的收集、整理、入库、繁殖、评价、交流等工作流程,依据不同作物特点,结合各库实际,构建规范标准,充分应用现代计算机信息技术,实现与国家库相衔接的智能化、信息化管理模式。
基于农作物种质资源基础性、公益性、战略性定位,依据“保护优先、高效利用、政府主导、多元参与”原则[43],地方政府应当在高质量抓好地方农作物种质资源库布局建设、稳定一批扎根地方农作物种质资源专业人才、确保已建地方农作物种质资源库平稳运行等方面给予人力、物力、财力以及相关政策的长期支持,建好一座种质库、稳定一批专业人才、保护一方特色资源,实现种质资源的应收尽收、应保尽保。
随着各地建设种质资源库的热潮方兴未艾,为避免盲目跟风建设、各自为阵的现象出现,应从国家层面对国家库、地方库进行科学系统布局,以现有国家种质资源保存体系为基础,吸收有区域特色的地方种质资源库,综合性与专业性保存相结合方式,实行分类分级管理,逐步完善、丰富全国种质资源保护体系,提升中国种质资源整体保护能力。同时,加强各种质资源库之间的协作共享,统一收集、保存、评价等规范标准,构建互惠共赢、协同联动的全国种质资源库协作网,按作物生长特性分区域进行繁殖更新和精准鉴定,加快实现中国种质资源的高效利用,为打好种业翻身仗提供坚实的物质保障。