纪录片《种子 种子》解说词丨第1集:把根留住
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种子,被称为农业的芯片。一粒种子就是一个世界。生命在世世代代的繁衍中不断演化,携带遗传信息的基因,正是生命的密码。
农业发展历程中,人口的激增让全球的粮食供应不断面临严峻考验。粮食生产要与社会发展同步,种子在其中发挥着无与伦比的力量。对种类繁多的动植物品种资源进行保护和研究,是科学家寻找和培育农业新品种的不二法门。这也是保障中国粮食安全的根基。
辛霞研究员将要进行一个为期八天的试验。“我们找一份小麦的种子,再找一份玉米的种子,两份种子都是1986年入库。这份小麦,我们取出来以后就要把它放在——因为现在是-18℃,那么直接拿到室外去的时候呢,温差太大。为了保护我们的种子,我们需要先把它放在4℃的条件下进行缓冲。”
“我们再找一份玉米的种子。这一份也是1986年入库的玉米种子。”为了得到更精确的试验结果,辛霞一年前繁育了同样的两份种子,放在室温下保存,看看种子在室温底下保存两年,和在库里面保存35年的种子活力对比情况。
两份保存了35年的种子要在4℃的缓冲间停留一天,让它逐渐回暖苏醒。“你看到我的眼镜上会有这个哈气。为了保护我们的种子,所以我们从-18℃到这边呢,不能直接打开我们的包装,先这样放一放。”
辛霞提取种子的冷库位于中国农科院。小楼建于1986年,对于育种专家来说,这座建筑意义非凡。在这里收藏着52万份农作物的种质资源。
种子和种质,一字之差有不同的内涵。种质资源又称遗传资源,是生物体上一代传递给后一代的遗传物质。并不是所有的植物都有种子。这是种质库中的试管苗库,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。精心控制的光照、温度、湿度和培养基成分,让这些无性繁殖的品种既能存活,又能以最缓慢的速度生长。
而有些茎尖、休眠芽、花粉,则需要放到-196℃的液氮中进行超低温保存。
广义上,农业种质资源涵盖植物、动物和微生物。但科学家会通过精心筛选,挑选出最有价值的遗传材料和品种进行保存。保存的形式可以是种子、茎尖、休眠芽、花粉等,以及动物的精液、血液、胚胎、活体组织等等。这些种质资源携带着遗传信息,它们珍藏在不同的种质库中,犹如一个个生命的胶囊,随时等待着被唤醒。
种质资源是一个国家的关键性战略资源。谁拥有的种质资源越丰富,谁的基因开发潜力就越大。放眼世界,每个农业强国都需要拥有强大的种质库,才能在全球站稳脚跟。
这座容量巨大的国家种质库,犹如一个中国农业的超级发动机,积蓄着科研育种的无限动力。
第二天,辛霞的试验即将开始。这是一次种子的特殊体检。种子一共四份:两份35年,两份常温保存两年。每份种子各取出25粒。“那么我准备这边种35年的,这边种两年的,然后我们同时把它种下去,去对比看看它的发芽情况。”
通常条件下,年代越久远,种子的活力就越低。八天后,它们的发芽情况会如何呢?
“我们来看一下,我们苗子长得怎么样。这是一个简单的科普试验,它的结果形象而直观。常温保存的种子发芽率不到50%。活力的丧失,也就意味着资源的消亡。这棵苗虽然出来了,但是可以看到它长得不正常,是畸形苗。那么像这一棵苗,还有这一棵苗——像这样的苗,如果是种在大田里边,它是没办法长成正常的植株,没有办法开花结果的。”
而恒温恒湿的种质库,让种子的活力得以延长,35年后仍然可以被唤醒激活。
毫无疑问,人们之所以如此精心珍藏着这些种子,是因为它们是农作物育种的宝库。
今天中国的粮食安全吗?种业的现状又如何呢?
水稻、小麦是最基本的口粮,100%自给自足,做到了绝对安全。玉米自主选育品种种植面积超过90%。大豆有进口依赖。黄羽肉鸡、蛋鸡、水禽,大部分蔬菜水果,以及棉花、油料等经济作物,国产品种有较强的竞争力。但能提升人们生活品质的农产品仍然存在差距:一些常见的蔬菜品种,如番茄、西兰花,种子进口比重较高;快餐店常用的白羽肉鸡,祖代主要靠进口;肉牛体重是国际先进水平的一半;生猪饲料转化率、奶牛产奶量,也只有国际先进水平的80%。
这就是中国种业的现状。种业是国家战略性、基础性核心产业。保护种质资源、促进种业发展,才能长期保障国家粮食的根本安全。
这是中国农科院在北京郊区的试验基地。王天宇教授正组织学生为玉米授粉。授粉精确到每一株玉米,这样才能保证种质资源血缘纯正。
二十多年来,王教授一直承担着收集玉米种质资源的工作。“全世界人为啥要对这个种质资源这么重视呢?有人说,当这个地球毁灭的时候,如果这个物种没有的话,你立马就能再拿出新的来是不是?比方说二十世纪40年代、50年代那些地方种,你要现在去保留它,你去哪儿找去了?现在全是商业种了,已经没有了。但是我们现在有啊,有是在哪儿?在种质库里边有。”
复活消失的品种,只是种质库的一项功能。种质资源更重要的意义在于未来。每一份资源都携带着独特的基因,它是培育新品种的希望。
“这块地一共今年(2021年)种了大概有1000份吧。到那边进来再过去,到那边进来过去曲里拐弯的,反正就是大概1000份。”这1000份种质资源来自全国各地,要在基地里种植两年,定期观测记录,最终形成一份包含“护照信息”和30多项表型特征的档案。
“不是拿一份资源就能入了库的,它有特色、有特征。有了这些信息了,才有资质,或者说有资格才能入了库。”这是一个漫长的过程,中间经历很多精细而繁琐的环节。一份资源从试种、检验到繁育、收获,往往要历时三到五年,才能送到种质库。
而更艰难的是种质资源的寻找。无数人在背后付出心血。“还是没有路。”这是个异叶苣苔。
新的种质资源的发现,意味着遥远的地域、偏远的山区、高原的腹地、大山中的村落。年复一年,种子猎人们在人迹罕至的山野中寻找大自然的馈赠。
当一份资源送达种质库,辛霞和同事们就要开始做入库前的准备:烘干种子、测试发芽率,为每一份种子制作样本瓶,最终登记编目送入种质库。
年复一年,从各地精心挑选的种质资源以每年两万份的速度汇集到这里。
为了更好地保护这些大自然的遗传密码,按照国家整体战略布局,青海还设立了一座复份库。“我们这个就是战略储备库,把国家库里所有的种质资源——种子形式的——都在我们这里有备份。只是作为一个保存放在这里。这个的话就是我们2006年给我们转运过来的,然后上面这些蓝色的这些盒子的话,是2020年新到的一批。”
完整备份的资源在密闭的铁箱中休眠,不必惊醒就是最好的结局。
今天,国家的种质资源保护体系正在形成:在云南,10601种野生植物种子也在冬眠,它们涵盖了我国植物品种的三分之一;在山东,国家海洋渔业生物种质资源库正式投入运行,保存能力35万份,达到世界一流水平;在广东,畜禽种质资源保存在-85℃的超低温冰柜中,储存着45个畜禽品种的十万份资源,其中猪的资源38813份。
四月,南宁的一块玉米试验田迎来播种的季节。“好了,四米了。”陈勇是试验田的负责人。试验的种子数量有限,严格的丈量分区是播种的重要一步。行距四米画上石灰线,蓝色标签标注不同品种的种植区域,白色长杆划定30厘米为一个播种点。为了保证存活率,每个点位播种两粒种子。
播种结束,无人机喷洒农药,确保在没有病虫害的环境中,幼苗能顺利破土。每一道工序都需要谨慎为之,在场的人都深知这每一粒种子的珍贵。
这些种子来自遥远的南美洲,它的故乡在巴西——全球重要的玉米主产区,世界第三大玉米生产国。这里曾经是巴西著名的玉米育种基地:陶氏巴西公司研发中心。2017年,中信集团收购了陶氏巴西的玉米种子业务,组建隆平巴西公司,不断推进中国玉米种业的国际合作。
这是玉米的祖先大刍草,外形酷似玉米,但分枝众多,籽粒细小坚硬。七千年前,中美洲的古印第安人在丛林中发现了它,这种高大的野草就此开始了华丽演变的征程。500年前玉米传入中国,如今已是全国的第一大粮食作物。
在隆平巴西的温室苗圃,负责研发的艾迪米尔森正在试种一批新品种。“种质资源对玉米育种的作用是无价的。没有种质资源,就不可能选育出新的杂交品种。这种关系,就像水和血对生命一样重要。”
在隆平巴西的玉米种质库,保存着五万多份种质资源。科学家有理由相信,在这些形形色色的玉米中隐含着大量的优质基因,培育玉米新品种的希望或许就诞生在它们中间。
“我们的使命就是开发先进的分子育种等技术,这样我们才能培育创新的自交系和高产的杂交品种。”
实验室的科研人员正在挑选种质资源,这是第二批即将运往中国的玉米种子。这些来自原产地的种质资源携带着稀缺的遗传特性,它们将成为育种家最新的育种材料。
远渡重洋的巴西玉米抵达三亚海关。种子入关有时比人入关还要难。每一个境外新品种都隐含着潜在的风险,它可能携带病菌、杂草等有害生物,一旦造成外来生物入侵,后果是灾难性的。
周晓春和同事小心地抽取样品,封装后送到实验室。这是初步的筛查,更重要的环节在于隔离种植。这是三亚机场附近的隔离苗圃,每一份种子都将在这里封闭试种一个生长周期。
从种子入土到玉米成熟,四个月的时间里,海关的工作人员定期抽检。“等隔离检疫结束之后,确定没有问题,会出具相关的单证,检疫周期才算正式完成。”
四个月后,远渡重洋的玉米种子终于通过检疫,来到了南宁。对应的纬度、相似的气候,这些种子有了适宜的生长环境。
在南宁站,陈勇播种的第一批进口资源终于到了收获的季节。“每一粒种子都孕育着新的希望。记录都做了吧?像这些有些部分也能收了。这是检验成果的时刻。这个还是别再抠了,你别看它长得难看,它以后的宝贝还是不错的。这个可以,作为自交系它能长成这个样子,还是真是可以的。”
试验田分成两大区域,它们有不同的使命:一个区域是为了扩大引进种子的数量,让玉米授粉自交,繁育出特性完全相同的后代。一粒种子结成一根玉米,也就意味着复制出了几百粒后代,充足的数量保证了科研的延续性;另一个区域是培育杂交品种,让引进玉米和公司自有玉米杂交。一旦优势基因重组,就可能诞生高质量的杂交品种。
“在我们的科研站里,就通过这种方式,对于我们所选择的材料,包括中国的以及巴西的,我们进行这种筛选。优异的自交系呢,我们在后续的科研育种的过程中就会重点关注。”
一眼望去,似乎经历了一次失败的试验:植株高矮不等,穗果大小不一,穗轴下面籽粒也不饱满。但是在育种家眼中,它们的意义在于保留下血缘纯正的种质资源,以及在不断试错中筛选出具有潜力的杂交品种。“真正的育种家一看之后,他能看到它的潜力,看到它在它的后代、杂交组合得到的后代上的这个潜力。”
不同的种子仔细对比记录之后,装入纱袋运到二层晾台。把水分晾晒到13%左右,是保存种子的最佳状态。记录每一份种子的果粒数量、性状,拍照存档,确保日后可以随时追溯它的祖辈血缘。
从种子入关到收获新一代的种子,已经过去了整整一年,但这仅仅是一个开始。科学家的育种要经历更长的过程。这些杂合了新基因的新种子是否具有出色的商品品质,还有待于一次又一次的试验种植和选择。最终的答案,至少需要五年、八年,甚至更长的时间去证明。
九月底,南方大豆进入收获季。85岁高龄的盖钧镒院士专程从南京来到70多公里外的基地。年复一年的试验,又到了采集数据的关键时刻。
“这科学上面的难题是什么?一亩地多少株、长多少的荚子,相对是稳定的。荚子多了籽粒就少了,荚子少了籽粒就大了。所以它有一个相对的平衡。我们育种家将来要突破这个平衡,让种下的每一株大豆都能长出更多的豆荚和最大的籽粒,实现双赢。这是老人毕生的梦想。”
“农业是靠田里种出来的,我要大量淘汰,然后才有好的出来。”
这是野生大豆的栽培区。密密麻麻的豆荚、爬藤状的植株、芝麻大小的籽粒,这就是栽培大豆的祖先。“野生不好吗?野生有它的好处,它适应性强。它的荚子你看密密麻麻的,到处都是荚子。野生的有野生的有利基因。”
70年前,国外大豆曾经被病害摧毁,正是中国野生大豆的抗病基因让它的产业重新复苏。找到野生大豆隐藏的优质基因,是盖钧镒院士的重要课题。“把有利的基因找出来,籽粒可能更大,产量可能更高。”
盖钧镒研究大豆60多年,被称为“大豆院士”,在南京农业大学主持着国家大豆改良中心的工作。办公室对面就是中心的资料室,这里还保存着60多年前收集的大豆标本。
1980年,盖钧镒留学美国,两个国家大豆产业的差距让他深受触动。中国是世界大豆的发源地,有2500多年的种植史,但最近50多年,大豆产业逐渐被国外超越。回国后,盖钧镒开始筹建大豆种质库。他深信,依托丰富的大豆资源,中国终将会改变大豆产业的面貌。
“小李啊,这就是盖钧镒当年筹建种质库时的数据站。这里还可以。我看看我登记本,这是1989年5月份征集的。这是1989年做的实验的结果,一个品种一页这样子。”
数据站里保存着上百册种质名录,这是最原始的记录,凝聚着科学家们近五十年的心血。“这是我们的总账。”每一册名录中的资源,就对应收集在一墙之隔的种质库中。
老式的玻璃瓶和标签显示着年代的记忆。这是两万多份来自国内外的大豆种质资源,每个品种装一瓶,里面加一包干燥剂。
为了更好地保存这些珍贵的资源,工作人员需要定期取出种子进行繁育。2016年,中心建成了新的种质资源库,老库中的全部种子提取备份,以真空包装的方式放入新库长期存放。
正是凭借这些珍贵的种质资源,十几年来,盖钧镒带领团队推进着一个宏大的计划。他从两万多份大豆资源中精心筛选出1900份,从实验室到试验田,不同的课题组带领着一批又一批的学生,反复种植观测,记录下每一份资源最完整的性状特征。
“美国人能在短短几十年中间,平均(每亩)400斤左右产量,现在我们还保留在(每亩)280斤左右产量。这说明要投入去做科研。”
2017年,盖钧镒联合华大基因公司,对每份资源进行深度基因测序。几年来分批测序的基因图谱陆续送回课题组。科研人员相信,当精准的基因序列和大量的田间试验相结合,优质大豆的秘密终将被破解。
每年十月份前后,海南三亚会迎来一批特殊的客人。他们是来自全国的育种专家——7000多名农业科技“候鸟”。内地秋收之后,这里正开始新一季的播种。这是一片犹如天然温室的土地,内地的作物送到这里可以增加一个甚至两个生长季,科研育种的周期大大缩短了。
一代代育种家带着希望的种子,南来北往,周而复始。70多年来,我国培育的农作物新品种诞生在这里超过三分之二。不管是农民还是育种家,他们经常交流的语言都是“父本”“母本”“杂交”。这是种业的南繁硅谷,也是中国农业放飞梦想的家园。
通过南繁,中国主要农作物完成了6到7次更新换代,每次品种更新的增产幅度都在10%以上。在三亚崖州,还兴建了一座占地6000亩的南繁科技城,吸引众多的国内外种业公司和科研院所入驻园区。
2019年动工兴建的新国家种质资源库竣工了。技术人员正在做最后的倒计时试运行。每一份种子都采用二维码标识,里面记载着完整的护照信息。
种子分两个渠道入库:智能传输带识别单瓶种子,蜘蛛手机器人码放整理,装箱的种子由码垛机器人整箱提取。所有种子通过传输带进入冷库。4个新型冷库高达13米,面积扩大了6倍。堆垛机在立体储藏架中间穿行,完成种子入库出库的智能存取。
智能化、管理系统信息化、自动化,世界一流。新库的设计是超前的,它将满足未来50年、5000个物种、150万份种质资源的安全保存,为中国的育种科研和产业化提供了一个巨大的蓄水池,它将成为中国种业最牢固的基座。
种质资源的故事还在继续。南宁站第一代杂交玉米到了收获季,玉米长到了一人多高。这些新生命是否会在这片土地上茁壮成长,时间会给出答案。
盖钧镒院士依然在和时间赛跑。正如他所说:“种质资源的保存不是目的,我们要利用它。”
一粒种子犹如一束生命之光。地球上的每个生命,看似疏离却又紧密联系。人类曾经被认为的万物主宰,始终是大自然的孩子。农业伴随我们生存、发展、进步的每一步,而种子,仍将是未来人类文明延续的根基。
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