科学网—国家植物园应优化采样策略提升遗传多样性保护效率

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2025-6-23 20:12

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【内容提要】

英国国家树木种子计划（ UKNTSP ）通过三级分层采样策略（国家种子区划、区域性种源采集、种群水平优化）系统捕获本土木本植物遗传多样性，旨在应对病虫害威胁并为生态修复储备战略资源。项目基于 24 个地理气候种子区框架，采用每种群 15 株母树、单株间隔 50 米、总量 10,000 粒种子的标准化采样方案，累计采集 61 个物种超 1300 万粒种子。遗传学验证显示该策略可捕获 86%-91% 中性遗传多样性，但稀有等位基因覆盖不足，研究证实增加母株数量而非单株深度采样更能提升多样性捕获效率，为缺乏遗传背景数据的保护项目提供可推广方法论。我国国家植物园时代植物引种尤其是受威胁植物引种时，可借鉴树木种子计划优化采样策略，提升迁地保护植物遗传多样性保护效率。

《生物多样性公约》（ CBD ） 明确指出生物多样性包含 三个维护：生态系统多样性、物种多样性和遗传多样性。 其中， 物种遗传多样性 既是抵御 气候变化 的核心能力来源，也可赋予个体抵抗植物 健康威胁的 生理机制，更可能蕴藏着对 人类 具有 潜在 价值的 性状 特征 。 作为迁地保护的重要手段， 种子库 不仅为 极端 风险提供保险机制，同时也是对就地 保护策略 有益补充，并为 科学研究 及 物种重新引入 / 生态修复 计划 储备战略 资源。 因此， 种子采集过程中 应 尽可能 完整地涵盖 种群或物种的遗传多样性 特征 。 以物种 重新引入或 生态修复为例 ， 优化 种子采集遗传多样性， 可有效规避 近亲繁殖、 遗传漂变 或新种群 奠定者效应等遗传风险 ，并且 通过维持更高的遗传变异，使新建种群更有 可能 包含适应未来环境变化的个体，显著提升生态系统重建的成功率 。

图 1 大不列颠林业委员会种子区划图

对于许多物种而言，无论是景观尺度还是种群尺度，其遗传多样性的分布格局仍未知。既有遗传学研究往往仅关注单一维度 —— 例如侧重中性遗传多样性而非适应性遗传多样性。更关键的是，当前我们无法判断种群中特定个体携带的哪些遗传特征可能在百年之后（无论对人类还是物种自身）具有保存价值。这 引申出 一个核心命题：当遗传多样性分布模式与未来潜在性状需求均不明确时，如何通过 科学采样 最大限度捕获物种分布区或特定地理单元内的遗传多样性？

这一科学难题正是 2013 年由民 众 邮编彩票基金资助启动的 英国国家树木种子计划 （ UK National Tree Seed Project , UKNTSP ）所面对的挑战根源。本项目设立的 目标 之一，是为了应对威胁英国木本植物区系的病虫害日益严重的问题（例如白蜡树枯梢病）。其核心产出目标明确指出需 “ 建立具有遗传代表性、可共享利用的英国本土乔灌木种质资源库 ” 。项目第一阶段规划收集的 61 种本土木本植物（ 2018 年新增 17 种），涵盖 欧芩 （ Fraxinus excelsior ）、欧洲 枸骨 （ Ilex aquifolium ）、栓皮 槭 （ Acer campestre ）和欧洲花楸（ Sorbus aucuparia ）等代表性物种。

目前在英伦三岛，已有部分目标物种的中性遗传多样性研究成果 ， 如心叶椴（ Tilia cordata ）和宽叶椴（ T. platyphyllos ）（ Logan 等， 2015 年）、欧芩（ Fraxinus excelsior ）（ Sutherland 等， 2010 年）以及欧洲桤木（ Alnus glutinosa ）（ Beatty 等， 2015 年）等。但总体而言，绝大多数目标物种的遗传信息仍属空白。为此， UKNTSP 采用三级分层采样策略 —— 在国家尺度、区域尺度和种群层面开展多维度设计，以期最大程度捕获各物种的遗传多样性。

1 全 英国采样 策略

基于 英国林业委员会 地理气候因素以及分水岭、断层线等地貌边界，《操作指南 8 号文件》（ Herbert 等， 1999 ）将英国本土划分为 24 个 种子 区 （ seed zones , SZ) ） 。选择这些划分指标是因为它们可能通过形成基因流动屏障或差异化的生长环境，导致产生具有本地适应性的不同种群。创立 种子区 的初衷是规范苗木贸易，确保栽植材料与种植区域的环境相适应。本研究采用这 24 个 种子区 作为多源采样框架，并将北爱尔兰作为独立 种子区 补充。项目核心目标是针对每个目标树种，在其天然分布的所有 种子区 内进行种子采集。在实际操作中，除欧洲赤松（ Pinus sylvestris ）按生化分析划分的 7 个特有 种子区 单独处理外，原则上要求每个 种子区 对同一树种在海拔 300 米上下分别采样。

2 区域 性 种源 采集策略

采样策略的第二要义是确保收集的种子能反映该 种子区 的本地适应特征。为此，重点确认采样母树为原生种群，优先选择起源古老的林地。在英国生态体系内， “ 古老林地 ” 特指英格兰地区公元 1600 年前已存在、苏格兰地区公元 1750 年前形成的林地。虽然母株的本地属性可追溯，但由于英国历史上大量使用外来苗木进行人工造林，父系基因溯源在实际操作中难以完全保证。

图 2 物种分布图：项目第一阶段收集的三种物种分布情况

共完成 欧芩 60次种子采集，从674株母树获得了超过200万粒种子

3 种群水平采样 体系

最后环节需确定单一种群内应采样的母株数量及每株 种子采集 量，以最大限度获取遗传多样性。这实质上需要权衡资源利用效率、遗传信息完整性和采种可持续性三要素，同时考虑物种特异性：繁殖机制是风媒还是虫媒？种子传播方式如何？

在树木研究领域，关于采集母本植物的最佳数量存在多种广泛建议。具体而言， Brown 和 Hardner （ 2000 ）建议为 15 株，而《林业委员会指导手册》（ Herbert 等人， 19 99 ）以及 Brown 和 Marshall （ 1995 ）则推荐采集 20 至 30 株母本植物。

图 3 英国皇家植物园邱园 光皮榆 植物收集

英国国家种子计划（ UKNTSP ）综合千年种子库 合作伙伴计划（ MSBP ） 标准，确定每种群采集 15 株母树、总数达 10,000 粒种子的基准，同时考虑四人采集团队单日作业的可行性指标。操作细则要求：相邻母株间距至少 50 米以降低近亲繁殖风险；每株母树应在树冠各部位均匀采种以增加父系多样性；执行可持续采种标准 —— 单次采集量不超过成熟种子的 20% 。整套规范通过专项培训会议传达，配套操作手册已同步发布线上平台供合作方参阅。

4 项目成果

在项目第一阶段，项目团队从 61 个目标树种的 7500 余株母树上采集了逾 1000 万粒种子 （ 截至 2020 年 4 月已收集 1300 万颗英国树木种子 ） 。这一成果得益于 30 余家合作机构 / 资助单位及其志愿者的支持，以及 民众 邮编号码彩票 基金 的持续资助。典型案例如下：针对 欧芩 （ Fraxinus excelsior ）共完成 60 次种子采集，从 674 株母树获得了超过 200 万粒种子；针对 欧洲桤木 （ Alnus glutinosa ）进行了 49 次采集，从 424 株母株收获了 79 万余粒种子；针对 苏格兰光皮榆 （ Ulmus glabra ）则完成 44 次采集，自 338 株母株获取了逾 29 万粒种子。

5 理论研究 验证

关键问题在于英国 国家树木种子计划 （ UKNTSP ）采用的采样策略是否有效获取了目标树种的遗传多样性？目前已有两项研究对此展开分析：其一是针对 欧芩 的模型研究（ Hoban 等， 2018 ），其二为针对欧洲红豆杉（ Taxus baccata ）的实证遗传学研究（ Garguilo 等， 2019 ）。

通过建模分析， Hoban 等（ 2018 ）估算英国本土约 91% 的白蜡树等位基因已被 UKNTSP 样本收录。唯一覆盖率较低的是地方性稀有等位基因，仅 52% 被成功采集。研究表明，相较现行 采样 策略，仅 完全随机采样 能在减少采集频次的同时获得更高基因多样性。然而在实践层面，如此大规模的真正随机采样存在巨大操作难度。

两项研究还探讨了优化遗传多样性的采集策略：是增加母株数量的少量 种子 取样，还是减少母株数量的深度 种子 取样更有效？两项结论均表明， 提升种子样本遗传多样性更取决于增加母株采样数量，而非单株过量采集 。由此印证了 " 广采薄收 " 策略在种质资源保存中的科学价值。

图 4 英国国家树木标本计划 标牌

6 结论

英国 国家树木种子计划 （ UKNTSP ）自 2013 年启动时，缺乏关于如何获取目标树种遗传多样性的最优方案证据，因此构建了一套普适性的可行采样方案。后续研究表明，至少在研究对象的中性遗传多样性层面，该计划已成功实现了预期目标。本项目采样策略中运用的技术框架可推广至其他类似缺乏详细遗传信息的保护项目。

UKNTSP 收集的种质资源开放用于科研与保护实践。随着种质库的逐步应用，我们将能更深入评估该计划在目标物种其他遗传多样性维度的采集成效。例如，当前采样策略不仅关注种子收集阶段的遗传多样性最大化（ Hoban 等， 2018 ； Hoban ， 2019 ），更强调特定等位基因在种质库中的重复采集频率。鉴于种子需经历 处理 加工、保存、检测及终端应用等自然与人为干预流程，遗传多样性损耗不可避免。保留每个等位基因的多个副本，可显著降低该基因在种质库中完全消失的风险。

值得注意的是， Hoban 等（ 2018 ）对 UKNTSP 欧芩 种质库的研究显示，要确保每个等位基因拥有 50 个副本，理论需满足以下条件：采集 100 至 250 个种群，每群体选取 15-25 株母树，单株采种约 1,000 粒，总采种量需达 230 万至 630 万粒。尽管实际采样的种群数量与单群样本数未达理论标准，但当前 欧芩 种子收集总量已突破 200 万粒，为遗传资源保存提供了重要保障。

图 5 由皇家植物园 邱园 进行的 欧芩 收集工作正在进行中

在基林附近收集桦树种子

延伸阅读： Hudson A （ 2019 ） Capturing representative genetic diversity within a seed collection: Lessons Learnt Through the Uk National Tree Seed Project. BGjournal 2019, 16, 16–19.

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