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粮安天下，种子为基。种子是农业之母，是农业科技的芯片，是粮食生产的源头；种子，关乎国家的粮食安全，乃至国家的兴盛。保护好种质资源，就是更好地保护人类的未来。
把根留住
育种是在现有种子的基础上进行改良，对促进作物生产有显著的作用。育种是一个长期持续的创新过程，其技术的革新发展是农作物增产最重要的基础之一。
大自然的遗传密码
“冷藏舱内整齐地摆放着高大的支架，支架上放着几十万个密封管。那是种子库，其中收藏了地球上几十万种植物的种子，这是‘方舟号’准备带往遥远的移民星球上去的。”科幻小说《微纪元》中提到的“种子”和“种子库”，专业术语为“种质资源”和“种质库”。那么什么是种质资源，它与我们日常所说的种子有何异同？为什么“方舟号”要腾出宝贵的空间把它们带往移民星球？现实中种质库又是什么样子？
种质和种子虽只一字之差，却不能混为一谈。就农作物而言，种质是指特定作物品种的遗传物质，凡带有整套遗传物质且具有利用价值的资源统称种质资源。种子是最常见的种质资源，但种质资源不仅仅局限于种子，一些具有可再生能力的离体植物组织也属于种质资源，比如马铃薯的茎尖。
不是所有的植物都有种子，像马铃薯、甘薯这些没有种子的作物，保存的是它们的试管苗。
如果将育种比作绘画，那么种质资源就是颜料。颜料种类单一无法画出色彩绚丽的画作，种质资源匮乏则难以培育出形形色色的优良品种。一个国家掌握的种质资源越丰富多样，其在育种领域所能取得的成就越高。
种子的大小、形状、颜色因种类不同而异。
所谓“英雄不问出处”，种质资源无论出自实验场所，还是深山旷野，抑或乡村农田，都可能蕴含巨大的开发潜力和利用价值。袁隆平院士在培育杂交水稻早期，曾带领助手历时数年、跨越多省寻找合适的品种进行杂交试验，最终他的助手在海南崖县（今三亚市）南红农场附近的沼泽地中寻回一株野生稻。袁隆平看后如获至宝，取名“野败”。“野败”虽出自一片毫不起眼的沼泽地，却成为杂交水稻育成的关键种质材料，目前世界上种植的杂交水稻品种，80%以上都是“野败”的后代。正因种质资源的价值不由其“出身”决定，科研人员才不遗余力地搜寻任何可能存在种质资源的角落。
海南省崖州湾种子实验室于年5月12日正式揭牌成立，它将集聚种子繁育科研力量，搭建种子科技创新和繁育平台，开展种子繁育关键技术联合攻关，形成辐射全国和“一带一路”沿线国家的种子科学技术创新中心。
收集到的种质资源通常存放在种质资源库，简称种质库。由于其存放的大多是种子类种质资源，所以俗称种子库，也被形象地称为“种子银行”。年，苏联在列宁格勒（今圣彼得堡）成立了专门的植物种质资源研究机构——全苏植物栽培研究所，所内设有当时世界上首屈一指的种质库，开创了集中大量保存种质资源的先河。二战时期，列宁格勒遭到德军长期围困，研究所内的科学家宁愿饿死，也没有将种质库里的种质资源当作口粮吃掉。苏联解体后，研究所划归俄罗斯，并更名为瓦维洛夫全俄植物栽培研究所，至今仍是世界上颇有名气的大型种质库。
尼古拉瓦维洛夫是苏联植物学家、育种学家、遗传学家。他在列宁的支持下将应用植物局建为全苏植物栽培研究所。瓦维洛夫在对世界各地的植物品种资源收集调查、分析研究的基础上，提出了“栽培植物的起源中心”学说，对植物种群研究作出卓越贡献。
瓦维洛夫全俄植物栽培研究所是世界最早建立的种质库，其前身是年成立的隶属于俄罗斯农业和国有资产部学术委员会的应用植物局。
保存种质资源的技术难点在于既要使其保持生命力，又要极力延缓其生长。解决该难题的关键在于控制好储存的温度和湿度。在武侠小说里，武林高手常常利用龟息功或丹药进入假死状态，骗过敌人。而在现实中，当环境温度和湿度偏低时，低含水量的植物种子会进入类似假死的休眠状态，待温度回升，再遇到水，这些种子便会“苏醒”过来。如果将环境温度和湿度长期稳定地控制在较低水平，一些经过干燥处理的植物种子甚至可以休眠百年以上。
种质库的检测员正在对保存的水稻种子进行发芽试验检测
传统种质库受限于落后的技术设施，温度和湿度都不可控，种质资源通常只能保存1?3年，需要不断进行人工繁殖来维持种质资源的存量。年，美国在柯林斯堡建立了世界上第一座大型现代化种质库——国家种质贮存实验室（NSSL，年更名为国家遗传资源保护中心，即NCGRP），其利用当时先进的空调技术，将库房温度控制在5℃，相对湿度控制在40%，有效延长了种质资源的保存期限。至20世纪70年代中期，其低温种质库的室温已控制在-18℃。20世纪70年代末至80年代初，NSSL开始大力研究超低温液态氮（-℃）储存技术，并在部分作物种质资源上试验成功，使其保存期限再次得到延长。除先进的冷冻技术外，NSSL还是世界上首个利用计算机处理系统给种质资源建立档案的种质库。至年，美国大大小小的国家种质库共存有种质资源47万份以上，其中有很多是年就已经存入NSSL的。
美国国家遗传资源保护中心的科学家正打开一个液氮罐，其用于在-℃下储存种子、精子和其他种质。
随着经济、科技的高速发展，我国现今的种质库建设已经达到世界顶尖水准。年9月建成的国家农作物种质资源库新库建筑面积超过2万平方米，设有低温种子库、试管苗库、超低温库和DNA库四大区域，库容量达到万份。在先进的冷冻除湿设备加持下，低温种子库的种子即使存储50年，唤醒后的发芽率仍可达90%以上。此外，新库还配有智能搬运机器人，实现了种质资源的自动化存取。工作人员可通过能感知种子“气味”的电子传感器定期检测种子的健康状况，相比过去依靠人工取样检查的方式，既节省了人力，又减少了种质资源的损耗。
位于长沙的湖南省农作物种质资源库保存着全球59个国家（地区）和我国各类农作物种质资源3万多份
建造种质库不仅是满足育种研究的需要，也是对种质资源的保护。育种科学的快速发展虽使产量更高、品质更好的农作物新品种不断涌现，但也导致许多种植历史悠久的本土品种遭淘汰，近乎绝种。此外，受人类活动影响，物种灭绝的速度迅速上升，如今已是自然灭绝速度的倍。种质资源的加速消失，将给科研人员乃至全人类带来不可挽回的巨大损失。近几十年，人们逐渐认识到保护种质资源的重要意义，种质库不再仅仅是育种机构的“储藏室”，更是为全人类守护种质资源的“诺亚方舟”。
年，英国在韦克赫斯特植物园建造了世界著名的千年种子库（MillenniumSeedBank），专门用于保护濒危野生植物种质资源。送到这里的种子先经过干燥处理，使湿度降到5%以下；然后工作人员针对每种植物选取50粒种子作为样品，用射线检查其质量，再放到琼脂中培养，检查其发芽能力；最终合格的种子样本被装入玻璃瓶，存放到-20℃的地下室中。经此处理的部分种子可保存年。
英国千年种质库是世界最大的野生植物种子库
挪威的朗伊尔城是世界上最北端的城市，位于距北极点约多公里的斯瓦尔巴群岛上。该市虽然仅有多人，却密切关乎着人类未来的生存与发展。8年，挪威在朗伊尔城附近的山体里建造了著名的斯瓦尔巴全球种质库。这是目前世界上容量最大的种子库，最多可容纳数十亿份种质资源，目前库存样本已经超过万份。存放种质资源的仓库设在永久冻土层的隧道中，温度常年保持在-18℃。得天独厚的自然条件，加上现代化的专业设施，可使其中的部分种质资源保存数百年之久。未来若因天灾人祸出现大面积的植物物种灭绝，人类可利用里面的种质资源重建家园，因此斯瓦尔巴全球种子库又称为“末日种子库”。
斯瓦尔巴全球种子库建在世界最北端的城市——挪威的朗伊尔城
冷冻在试管中的种子。斯瓦尔巴全球种子库中存放种质资源的仓库设在永久冻土层的隧道中，温度常年保持在-18℃。
朗伊尔城还有个不近人情的规定：除非猝死，否则重病者和老人必须离开朗伊尔，孕妇也必须在临产前1个月离开该市。之所以有这样的规定，是因为这里的地下几乎全是冻土，埋在地下的尸体不易腐烂，细菌也不会死亡，如果有害细菌泛滥会造成严重后果。此外，这里的医疗条件有限，医院只有8张用于急救的床位，只得定下如此“无情”的规定。所以朗伊尔城又是世界上唯一没有人出生和死亡的城市。
从自然进化到人工进化
俗话说：“种地不选种，累死落个空。”育种技术的每一次突破都可带来农作物产量和品质的提升，而每一次突破都离不开科研人员的汗水与智慧。
育种的原理是利用各种方法改造作物品种的遗传物质，从而得到性状更加优良的新品种。人类历史上最早的育种活动，主要围绕驯化野生作物展开。在栽培作物出现之前，原始人主要靠捕猎动物和采集果实为生，但通过这种方式获得的食物数量是不稳定的。约1.2万年前，生活在现中东地区的原始人为获取稳定的食物来源，开始尝试驯化野生小麦，千年之后，终于得到适宜栽培的单粒小麦品种。在此后的漫长岁月里，越来越多的野生作物被人类驯化，栽培作物的种类日渐丰富。
栽培作物的出现和传播使原始人得以摆脱漂泊不定的生活，逐渐在适宜耕种的地区定居下来，进入了农耕社会，并开始有意识地进行选种。西汉时期编著的古代四大农书之一《氾（fn）胜之书》中，就有关于小麦选种方法的记载：“取麦种，候熟可获，择穗大疆（强）者，斩束立场中之高燥处，曝使极燥，无令有白鱼，有辄扬治之。”直到今天，仍有部分地区的农民用此法选种。
古人驯化野生作物和选种的过程中，新品种的出现几乎完全依赖作物的自然杂交和变异，人类扮演的角色通常只是被动的发现者，而非主动的创造者。虽然从18世纪起已有植物学家通过杂交手段培育新品种，但他们对其内在原理并不清楚，成功率普遍不高。直到多年前，随着科学育种理论、方法的形成与发展，人类才逐渐掌握了主动创造新品种的钥匙。
孟德尔（GregorMendel，-）开创的现代遗传学说，为推动育种技术的发展起到了重要作用。年起，孟德尔进行了为期8年的豌豆杂交实验。根据实验结果，孟德尔推测植物胚胎中存在遗传因子，其直接关系到特定性状的显现与否。由于孟德尔的推论在当时过于超前，直到他年去世也未能引起足够的重视。直到年，多位科学家发表研究成果证实了孟德尔的推论，在世界范围引起轰动。孟德尔因此被誉为现代遗传学之父。
进入20世纪后，农作物育种领域迎来百花齐放的新时代。首先是选择育种、常规杂交育种等传统技术得到进一步发展，其次是出现了诱变育种、杂交优势利用、分子育种等新兴育种技术。
孟德尔被誉为现代遗传学之父。他通过豌豆实验，发现了遗传学三大基本规律中的两个，即分离规律及自由组合规律。
20世纪初，受孟德尔遗传规律启发，美国科学家沙尔（GeorgeShull，-）开始了对杂交玉米的研究。他首先将玉米A进行自交，发现其后代B的产量明显下降，然后将玉米B与另一个自交品种C进行杂交，发现得到的后代D产量出现爆发式增长。这就是培育杂交玉米的大致过程，沙尔称这种遗传现象为Heterosis，意为“杂交优势”。几乎同时，美国科学家伊斯特（EdwardEast，-）也完成了类似实验，得到相同的结果。在杂交玉米育成后，美国科学家又利用类似方法育成杂交高粱。
美国植物学家、遗传学家沙尔被称为杂交玉米之父，他于年创办了《遗传学》杂志。
相比杂交玉米和杂交高粱，杂交水稻的培育则要困难许多。当时的经典遗传学理论认为，只有异花授粉的作物才能利用杂交优势，而稻、麦这类严格的自花授粉作物是无法利用杂交优势的。所以杂交玉米问世后的数十年里，鲜有人研究水稻的杂交优势利用技术。
20世纪60年代初，袁隆平在试验田中偶然观察到水稻的性状分离现象，推测这是水稻出现自然杂交的结果。这个发现让他欣喜不已，仿佛看到了实现杂交优势利用的曙光。经过潜心研究，袁隆平于4年提出利用“三系”（雄性不育系、保持系、恢复系）法培育杂种水稻的技术路线，随即开始寻找育种材料。年，袁隆平的助手李必湖在海南找到了培育雄性不育系的关键种质材料——“野败”。在众多科研人员的共同努力下，终于在年成功实现“三系”配套，并陆续选配出“南优”“汕优”等一系列杂交稻组合，使我国成为世界首个实现水稻杂交优势利用的国家。
“野败”发现地——海南南红农场附近的沼泽地
经过10年攻关，我国杂交水稻育种专家袁隆平终于在年成功培育出籼（xiān）型杂交水稻。图为袁隆平（左）与湖南省农科院水稻所的科研人员在田间察看杂交水稻。
年，湖北省通山县农业种子公司门店正在销售杂交水稻良种。
江苏淮安洪泽区的农民正在杂交水稻制种基地拔秧苗，准备移栽。
年10月17日，袁隆平团队第三代杂交水稻“叁优一号”双季稻亩产超公斤。
在杂交优势利用技术方兴未艾的同时，另一项足以改变世界的育种技术也在悄然萌生。20世纪中期，科学家确定了生物遗传物质的化学本质是DNA，并弄清了DNA的结构。此后科学家又相继发现了限制性核酸内切酶和核酸连接酶，它们就像剪刀和针线，能够实现DNA的剪切与缝合。这些发现催生了分子生物学，科学家将其应用于农作物育种，便诞生了分子育种技术。
转基因技术是目前应用最广、知名度最高的分子育种技术。年，美国孟山都公司成功育成转基因烟草，开启了转基因育种的新时代。此后转基因育种技术又在玉米、番茄、大豆、棉花等作物上相继得到应用。今天，全球的转基因作物种植面积已经达到约2亿公顷。除转基因技术外，分子育种技术还包括分子设计技术、分子标记辅助选择技术等。
转基因技术是目前应用最广、知名度最高的分子育种技术。图为转基因玉米地。
孟山都公司一度成为世界第一大种子企业，现已被德国拜尔公司收购。图为其当年在美国密苏里州圣路易斯的育种实验室。
利用转基因技术培育出的抗除草剂大豆
相比常规育种技术，分子育种技术可以更精准地将多个优质基因集中到一个作物品种上，大大提升了育种的效率。此外，分子育种技术还能实现跨物种的基因整合，培育出常规方法难以育成的优良品种。年，科学家从苏云金芽孢杆菌中提取出Bt抗虫基因，并移植到烟草当中，成功育成抗虫烟草。此后Bt基因相继被转入到棉花、玉米、番茄、水稻等农作物中，使这些作物都具备了抗虫性能。可以看到，转基因技术只需一个“万能基因”，即可应用到多个作物品种的培育上，这是常规育种技术无法企及的。
分子育种技术作为目前最先进的育种技术，还有较大的发展空间，但这并非意味着常规育种技术失去了应用价值。一方面，人们对转基因作物的应用还存在一定争议，常规育种仍是目前应用最广的技术；另一方面，为了得到综合性状更加优良的品种，育种者通常会将转基因育种技术与常规育种技术结合起来使用。比如我国科学家曾将转基因抗虫棉与普通彩色棉进行杂交，培育出综合性状更好的“中棉所51”。在世界种业研发巨头的引领下，育种界正步入以分子育种、常规育种、大数据、人工智能等技术融合发展的新时代。
我国科学家将转基因抗虫棉与普通彩色棉进行杂交，培育出综合性状更好的“中棉所51”。
种子交易会上展示着全国各大育种基地培育的奇异瓜果。图为球形茴香。
航天育种核心示范基地大棚内种植的航椒品种
育种界已迎来分子育种、常规育种、大数据、人工智能等技术融合发展的新时代。
航天育种核心示范基地的科研人员正在开展“太空种子”选育研究工作
为育种研究保驾护航
育种研究就像攀登高峰，攀至高处时，每前进一步都很艰难。在现代育种技术诞生早期，大部分国家主要依靠公共科研部门开展育种研究。由于公共部门不以盈利为主要目的，缺乏利益刺激，研究遇到瓶颈时容易失去动力。20世纪后期，育种研发的难度和成本越来越高，不少国家开始鼓励私营企业参与育种。在发达国家，私营种子企业已成为育种研发的主力，世界排名靠前的种子企业每年会将10%以上的销售收入投入到新品种和新技术的研发中。
种子企业积极研发新品种是为了树立产品优势，扩大市场份额，进而获取更多利润。企业利润增加，就有动力和能力投入更多的资金到研发中，从而形成一个良性循环。当市场上存在较多这样的企业时，就会推动整体育种技术的进步。但这一理想情形的出现有一个重要前提，那就是建立完善的种业知识产权保护制度。如果失去这个前提，种子企业研发的新品种、新技术被任意仿冒盗用，导致企业利益受损，那么研发活动就会因资金和动力不足而停滞，无法形成良性循环。
年，美国国会通过了《植物专利法》，这是世界首次对育种知识产权提供法律保护的尝试。20世纪40年代开始，美国农民对杂交玉米种子的需求迅速扩大，然而《植物专利法》仅保护无性繁殖作物相关的专利，玉米并不在其列，结果市场上出现了大量仿冒套牌的杂交玉米种子，严重挫伤了种子企业参与研发的热情。年，美国政府颁布《植物新品种保护法案》，此后又拓宽了《植物专利法》的保护范围。年，美国私营种子企业在品种研发上的投入首次超过公共科研部门，到年，私人品种研发投资已经增长到公共研发投资的2倍。美国的整体育种水平因此突飞猛进，很快在分子育种领域占领了制高点。
1年，为鼓励植物新品种的研发，比利时、法国、德国等几个欧洲国家在巴黎联合签署了《国际植物新品种保护公约》（简称UPOV公约）。8年，公约正式生效，由公约成员国组成的国际植物新品种保护联盟（简称UPOV联盟）同时成立，总部设在日内瓦。此后UPOV联盟先后3次对公约进行修订，加强了对品种知识产权的保护力度。截至年12月3日，已有78个成员加入UPOV公约。
20世纪末，随着欧美国家育种技术水平的快速提升，我国面临的种业竞争压力与日俱增。为了促进育种技术进步，我国政府分别于年和年颁布了《中华人民共和国植物新品种保护条例》和《中华人民共和国种子法》，鼓励私营企业参与育种研发，并为育种者的研究成果提供法律保护。年，我国正式加入《国际植物新品种保护公约》。如今我国的种业知识产权保护制度已初步建立，但还未普遍形成保护种业知识产权的法律意识，种子侵权案件仍时有发生。
保护种业知识产权不仅关乎育种者的利益，更关乎国家人民的利益。印度就曾因本土企业育种实力不足，被孟山都公司垄断了棉种市场，导致棉种价格成倍上涨，棉农只能贷款购种，结果棉花产量虽增加了，价格却出现暴跌，不少棉农因此欠下巨额债务，最后家破人亡。印度的惨痛教训表明，一个国家只有努力提升自身的育种水平，才能保障农民用种安全，进而保障国家的农产品安全。
自我国建立种业知识产权保护制度以来，国内的育种水平得到显著提升。目前我国农民使用的水稻、小麦等主要农作物种子95%以上出自国内，但自主培育的蔬菜品种还不能很好满足市场的多样化需求，仍需从国外大量进口种子。年，我国仅进口蔬菜种子就花费约15亿元人民币，占种子进口总额一半以上。在研发竞争日益激烈的国际环境下，我国在保障用种安全方面依然面临不小压力，须加快推动育种技术的进步。推动育种进步不仅是政府的职责，作为普通公民，我们应该树立牢固的品种权意识，坚决抵制种子侵权行为，为育种研发营造良好的市场环境。
本文载于《世界知识画报》杂志年第8期
原标题：《一粒种子，关乎一个国家的兴衰！》
