摘要：随着人类社会和经济的快速发展，气候变化等因素促使全球生物多样性急剧丧失。植物是生物多样性的核心组成部分，通过迁地保护来拯救濒危植物已经成为植物园的核心工作。《科技导报》邀请相关领域研究人员撰文，文章总结了基因组测序技术对植物保护的发展和迁地保护的成效与现状，指

原文发表于《科技导报》2025年第13期《基因组时代的植物迁地保护》

随着人类社会和经济的快速发展，气候变化等因素促使全球生物多样性急剧丧失。植物是生物多样性的核心组成部分，通过迁地保护来拯救濒危植物已经成为植物园的核心工作。《科技导报》邀请相关领域研究人员撰文，文章总结了基因组测序技术对植物保护的发展和迁地保护的成效与现状，指出基因组学在挖掘功能性和适应性变异基因、鉴定评估物种遗传风险和调控生长发育及次生代等方面有助于濒危植物的保护研究，并针对基因组时代如何推动未来的迁地保育，提出了应对建议和未来发展趋势。

生物多样性是人类生存和发展的物质基础，但随着人类经济活动的不断加剧以及现代农业和林业的飞速发展，生物多样性正在加速丧失，全球超过40%的物种面临灭绝风险。中国是野生植物资源受到威胁较为严重的国家之一。

随着生物多样性丧失的速度加快，保护和管理原生地以外的种群（迁地保护）被提议作为避免物种灭绝的一项战略，也是国家植物园体系建设的核心任务。基因组信息匮乏极大地影响了珍稀濒危植物的保护与利用，因此珍稀濒危植物的遗传信息急需被深入研究和开发利用。因此，我们重点探讨基因组时代植物迁地保护中，基因组技术如何拯救生物多样性，以及在植物迁地保护中存在的一些问题和未来发展趋势，希望能为植物迁地保护提供参考。

1 基因组测序技术对植物保护的发展

脱氧核糖核酸（DNA）双螺旋结构的发现将生物学研究带入分子时代。在对于DNA测序技术的研发上实现了多个阶段性的突破，基因测序技术的诞生可以追溯到20世纪50—60年代。第一代测序技术—放射性同位素标记技术是解码人类基因组的主力技术。第二代测序技术—高通量测序平台的出现实现了快速高通量测序，该技术持续更新，能够同时获取数十万到数百万条序列测序。第三代测序技术—长读长测序技术（单分子测序技术）可以直接实现数万个碱基的长序列测定，每一次迭代都极大地提高了测序的通量和效率，能够更好地解析基因组中的复杂结构变异。

尽管测序技术的发展极大加速了基因组测序工作，但与数以百万计的物种相比依然存在巨大差距。截至目前共发表2800多个植物基因组，其中被子植物占82%，多为近4年内发表（图1（a））。已发表植物基因组共涵盖73个目223个科1584种，其中中国参与完成了63%的基因组测序（图1（b））。目前的测序物种从最初的实用性物种逐渐倾向于经济作物、果蔬、花卉、药用等功能物种（图1（c））。根据《国家重点保护植物名录2021》，发现受威胁野生植物资源基因组研究较少（图1（d））。

图1 已发表基因组统计

2 植物迁地保护的成效与现状

2.1 全球植物迁地保护的现状

迁地保护，也称为非原生境保护或异地保护，主要针对极度濒危的、保护地范围尚未覆盖的、需要人工辅助生存的受威胁野生物种，以整株、种子、花粉、营养繁殖体、组织或细胞培养物的形式采取有针对性的抢救性保护措施。迁地保护是对就地保护的重要补充，也为防止野外物种灭绝提供了至关重要的备份。植物迁地保护包括传统的植物园、种质资源圃、种子库和生物基因库等场所。

截至2024年12月31日，全球共有2652个植物园，其中66个植物园建立了保育研究所，105个植物园建立了种质资源库，共收集保存约40%的濒危植物物种，包括已经野外灭绝的物种。除收集活体植物外，全球74个国家370个植物园的种子库保存了57051种野生植物的种子。

2.2 中国植物迁地保护成效

据不完全统计，目前全国已建成或在建的植物园总数位居世界前列，已建野生植物种质资源保护和培育基地400多处，其中西南野生生物种质资源库是亚洲最大的野生生物种质资源库，使珍稀濒危野生生物种质资源，尤其是中国的特有种，以及具重要经济、生态和科学研究价值物种的安全得到了有力保障。

植物园迁地保护在物种水平上实现“从种子到种子”，已经取得初步成效。由于中国对植物资源的收集和迁地保护起步相对较晚，对植物迁地保护的评价仅停留在遗传性和适应性的评价上，而没有涉及到保护的科学性、有效性等方面，综合性的、大规模的迁地保护野生植物评价的研究内容较少。植物园迁地保护研究应该更多地关注物种生存潜力，分析不同种群的遗传方式，有效提升植物的存活率。同时还需要对物种的遗传多样性进行剖析，应对全球气候变化下野外回归成活率。

3 基因组学助力珍稀濒危植物保护

为深入探索珍稀濒危植物对环境的适应能力、生长发育调控、评估系统发育关系和遗传风险，对珍稀濒危植物在基因组学分子水平进行保护与开发。

3.1 揭示适应性遗传变异

在研究珍稀濒危植物适应环境变化过程中，可以对珍稀濒危植物进行基因组测序，通过比对已知基因组序列，进行基因功能注释，识别与表型和适应性相关的候选基因，从而挖掘调控珍稀濒危植物适应性次生代谢通路、信号转导机制的功能性基因。

同时，基因组学还可以为种内和种间基因组变异提供框架，用于识别与适应性相关的候选基因，阐明复杂的基因组特征及结构变异，有助于识别潜在的表型特征、适应性变异和适应性潜力的功能遗传变异。

基因组学有助于估计受威胁物种中等位基因和基因型的相对适应性，通过WGBS数据与表型数据相结合比较具有不同表型的个体，基因型−表型关联可以辅助濒危物种育种。大量研究报道表明，基因组数据能够快速且准确挖掘出植物对环境变化适应的功能基因，更多对环境的适应性相关进化机制正被揭示，这对珍稀濒危植物野外回归对环境的适应性有至关重要的意义。

3.2 评估系统发育关系和遗传风险

基因组序列记载了物种进化的全部过程，为发现隐存种和识别近缘物种提供了新的解决办法。比起传统的形态学鉴定，特别是因某物种灭绝而导致不完整的系统发育关系，基因组序列可以重建物种演化过程中的多倍化历史，更清晰、更真实地反映物种发育关系。确定保护对象和保护单元的系统分类地位，有助于制定更加精准的保护策略，避免因误判而导致保护措施不当。

近交繁殖会使隐性有害基因在子代中积累，导致子代存活率降低，基因型的丧失降低遗传多样性是近交衰退的直接表现。基因组测序技术可以精确定位基因座数量以及有害隐性等位基因。基因组学有助于珍稀濒危植物的遗传结构分析、物种迁移路线推测、相近种属间的分类，为迁地育种等方面奠定基础。

3.3 调控生长发育及次生代谢

植物自身的生物学特性会影响其存活的能力，也是导致物种濒危的主要原因。很多濒危植物种群数量少并难以进行修复，是由于自身存在生长缓慢、结籽困难、花药败育、种子休眠、种子传播困难等生殖上的障碍。基因组技术在探究濒危植物外观发生变异的生长调控机制中同样发挥了重要作用。研究证实通过基因组测序技术能够在珍稀濒危植物中高效筛选出调控发育的关键基因，在阐释植物体特化性状的形成原因和遗传规律等方面提供了大量理论支持。

植物提取的次生代谢产物常作为药物成分的重要来源，过度开采使得濒临灭绝的药用植物数量连年增长。利用基因组测序技术可以挖掘调控基因和关键酶来确定活性化合物代谢通路。基因组测序对调控代谢通路合成化合物，保障濒危药用植物资源可持续再生具有重要意义（图2）。

图2 基因组助力濒危植物保护示意

4 基因组时代如何推动未来的迁地保育

基因组学不仅可以为传统物种保护提供更强的支持，还可以更深入探讨物种适应环境变化的分子机制和遗传基础。在基因组时代，植物迁地保护工作面临着新的机遇和挑战。

4.1 确保数据的规范化实现数据共享

基因组数据量大、信息复杂，借助机器学习和人工智能（AI）算法自动化分析数据任务，识别复杂模式，并辅助生物学解释时，仍不可避免过度拟合和错误解读。正确解读需要专业的生物学知识才能从海量的数据中提取出有价值的信息，从而为迁地保护和野外回归提供准确的指导。在分析数据时，需要考虑测序深度、样本代表性、基因选择压力等因素以避免得出错误的结论。

此外，基因组数据在迁地保护应用中规范化和数据整合也是一个新的挑战。基因组测序的样本多为野生植株，在处理过程中可能受到其他生物或环境的污染，导致基因组测序数据不准确。在测序过程中还可能出现碱基读取、插入缺失等错误，以及随着时间的推移，样本收集过程中动态变化影响测序的准确性。不同平台和技术产生的基因组学数据存在着巨大的异质性，包括测序深度、序列质量和数据类型等，数据异质性给整合和分析带来了巨大的技术障碍。

4.2 建立全球性的生物多样性基因组数据库

遗传资源数字序列信息（DSI）是《生物多样性公约》第十五次缔约方大会（COP15）谈判的核心议题之一。DSI主要指以数字方式存储和转移的遗传资源的基因序列信息，在生物多样性描述识别、生物分类、生境变化监测等方面都具有重要应用价值。《中国生物多样性保护战略与行动计划（2023—2030年）》中强调了生物遗传资源的获取与惠益分享的重要性，并提出了到2030年分享制度基本确立的目标，目前已建立国家基因组科学数据中心（CNCB−NGDC）、国家微生物科学数据中心（NMDC）等，为DSI数据的汇交管理和挖掘应用提供基础性保障和支撑。

4.3 提升濒危植物基因组计划行动及影响力

从DNA双螺旋结构被人类发现，到“人类基因组计划”宣告完成，再到如今更为宏大的全球性项目：“地球生物基因组计划”（EBP），全球范围内绘制所有已知植物、动物、真菌和其他微生物生命全面测序。目前已发表基因组序列主要集中在动物，大量的野生资源物种基因组还未能涉及，对植物基因组多样性的了解带来极大的局限。

随着保护意识增强和项目启动，预计未来需要针对珍稀濒危物种开展测序计划。如地球生物基因组计划（EBP）提出优先对IUCN红色名录收录的濒危物种基因组进行测序，解析濒危物种的濒危机制，找出共性濒危规律，为拯救濒危物种提出新的方案。

4.4 加强与保护策略的整合

基因组学可以用于物种鉴定，评估物种的遗传多样性和遗传结构，分析物种的适应能力和抗逆性，及时发现潜在的遗传问题并采取相应的措施，为制定保护策略和生态恢复、管理提供重要参考。因此，将基因组学技术与传统迁地保护策略相结合，有助于提高保护工作的精确性和有效性。

4.5 开展多组学分析助力迁地保护

除了对珍稀濒危植物开展基因组学研究外，还可以将不同组学层次的数据（如基因组、转录组、表观基因组、蛋白组、代谢组等）整合起来进行分析，弥补单组学的局限性，发现潜在的生物学规律和机制，全面了解生物体内不同分子层次之间的相互关系。

5 结论

全基因组测序技术在濒危物种的迁地保护中发挥重要作用，尤其是对挖掘功能性和适应性变异基因、调控生长发育和次生代谢、物种鉴定和构建系统发育关系，以及遗传风险评估等方面。在植物园建设迁地保护工作中，应优先考虑种群遗传因素及进化的潜力，建议将基因组测序技术加强与保护策略的整合和开展多组学分析相结合，以更好地开展濒危物种的保护和恢复。

本文作者：孙维悦、宋以刚、马永鹏、罗世孝、邱英雄、郭亚龙、谭向平、刘保东、严岳鸿

作者简介：孙维悦，深圳市兰科植物保护研究中心、上海辰山植物园华东野生濒危资源植物保育中心，博士研究生，研究方向为植物学；严岳鸿（通信作者），深圳市兰科植物保护研究中心、上海辰山植物园华东野生濒危资源植物保育中心，研究员，研究方向为保护生物学。

文章来源：孙维悦, 宋以刚, 马永鹏, 等. 基因组时代的植物迁地保护[J]. 科技导报, 2025, 43(13): 42−51.

本文有删改

来源：科技导报