生物资源汇论/生物资源系列丛书

第1章　总论 1.1　生物资源与生物资源学 人类对资源的认识受制于对资源的需求和实际掌控能力。在相当长的时间内，人们关心的是资源的自然性和现实性，也就是可以掌控的自然资源，如物质资源、土地资源和能源等。因此，对资源的追求方式主要体现为占有、竞争、掠夺甚至破坏（竞争对手的资源）。人类进入信息化社会和大数据时代后，开始提升了有效地开发资源、快速地建设资源和有效地保护资源的意识，尤其是具备了通过新技术获取更多资源的能力，也就是加强了对社会资源的追求。在新的历史条件下，人们追求资源的方式开始体现为重视资源的良性利用、主动提高资源发掘能力和保护资源。因此，信息资源、潜在资源和战略资源受到更高层次的重视。生物资源是一种可再生资源，既包括自然资源如生物遗传资源，也包括社会资源如生物质和生物信息资源，还包括各民族、国家和地区人民通过劳动创造的动植物品种等传统资源。 生物资源学的形成与发展，首先是与生态学、农学、医学和环境科学的发展阶段关系密切，尤其是农业科学已经从生活需求，更多地转变为发展需求，从个体和小社会现实需求转变为人类命运的共同需求和长远需求。同时，也与科技和产业技术水平的发展阶段密切相关。在农业社会，人类主要关注种质资源和农林牧渔业所产生的生物质及其必需的土壤和气候条件；而在工业社会，生物信息发掘和大宗生物质的工业化利用得到更多关注，其中，生物信息资源成为优生、健康、安全和新资源创制的基础，潜力无限。 1.1.1　生物资源属性与相互边界 生物资源（bioresources或biological resources）包括生物遗传资源、生物质资源和生物信息资源。狭义的生物资源指的是“对人类具有实际或潜在用途及价值的生物遗传资源、生物体或其部分、生物种群或生态系统中任何其他生物组成部分”。这是1992年联合国环境与发展大会上《生物多样性公约》中形成的概念。实际上，生物资源泛指生物圈中一切具有生命现象或由生命过程所派生的资源。因此，生物资源既包括自然资源，如生物遗传资源，也包括社会资源，如生物质和生物信息资源。即便是遗传资源，也有一部分是社会资源，如农作物品种就是一种社会财富，是人类通过长期生产实践选择和培育的，或通过研究创新所获得的生产资料。生物资源有两方面要素，一是生物的，也就是生物体的生命活动及其衍生的物质；二是有用的，无论是直接有用的还是具备潜在价值的。一个国家和地区的生物多样性是重要的生物资源，就是其潜在利用价值的体现。为了明确生物资源的范畴，表1-1显示了生物资源的内涵及其相互边界。 根据各自的特点，生物遗传资源、生物质资源和生物信息资源这三种资源具有明显的边界和属性。值得强调的是：生物信息资源是人类通过劳动从遗传资源和应用关系中发掘出来的信息化成果，不仅包括基因序列等生物信息，还包括物种间相互作用及生物与环境相互作用关系的信息。例如，流行病预测预报所依据的历年资料，是生物信息资源。 对于生物资源学的核心内容，西方国家与国内学术界有较大的认知差别。西方学术界、媒体和企业往往将生物质（biomass）认定为典型的生物资源，而忽略了其遗传资源。它们普遍认为：生物资源可以通过工业化转化获得生物质能和生物基材料，具备典型的可再生特点，是*值得重视的社会资源。我国学术界和管理者往往更重视种质（germplasm）资源，也就是生物遗传资源，通常将生物遗传资源等同于生物资源。因此，国内在种质资源和保护生物多样性方面给予了更多重视，甚至在生物资源体系中不提及生物质资源。所以，对生物资源属性认识的差别，影响了生物资源学的理论发展和交流合作。迄今为止，对生物信息作为资源的关注还普遍不够，更缺乏对其作为核心生物资源的认同。但是，从20世纪中期开始，随着分子生物学的发展，尤其是基因测序、蛋白质序列解读等组学方面数据的不断积累，生物信息库的建设和衍生价值的发掘，已经形成海量的生物信息；几乎与此同时，分子诊断、精准医疗、合成生物学和治未病实践等领域的产业应用对信息资源的依赖越来越显著。生物信息资源作为生物资源的重要组成部分，甚至具备了更重要的内涵。生物信息资源，既包括生物体本身包含的内部信息，也包括物种之间相互作用的信息，特别是通过提炼挖掘之后，对人类直接有用的那部分信息。生物信息资源具有重要的理论研究和产业应用价值。 值得强调的是，生物资源是广义上的可再生资源（renewable resources），但不是无限资源（unlimited resources）。后者如太阳能和风能，而生物资源往往会因为使用而减少，一旦丧失就不可重新获得。例如，农作物品种存在时，理论上可以通过繁殖无限扩大，形成批量，但一旦消失就不能再生。生物资源的价值在于其无限的生产能力，由生物体生产出大量的生物质，后者通过加工后衍生出各式各样的生产生活必需品。人类根据生物信息资源可以设计改造甚至创造出新的遗传资源，形成效率更高的生物质生产能力。 1.1.2　生物资源学诠释 1.1.2.1　生物资源学内涵 生物资源学是研究生物遗传资源、生物质资源和生物信息资源的特征及其发掘、保护和利用规律的综合性科学；是生命科学、资源科学、信息科学和工程科学等相关领域交叉衍生而来的综合性学科。其研究对象包括各种动物、植物、微生物及其衍生物，并包括人为采集、解读和建设的生物信息。生物资源学的内涵包括生物资源基本属性、生物资源保护和生物资源工程。其中，生物资源基本属性包括生物遗传资源、生物质资源和生物信息资源；生物资源保护强调保护野生资源和品种资源，还强调对生物信息资源的挖掘和保护，也关注有害生物防治、外来生物入侵控制和生物防护策略；生物资源工程重点强调生物种质资源培育、生物质生产与炼制及生物信息的挖掘与利用相关的原理和方法。 生物资源学的理论是参照资源学的视野，围绕生物产业的物资支撑，对生物质衍生规律系统分析，并借鉴信息科学载体和处理方案研究生物资源的改造利用和信息挖掘，以实现生物资源永续利用的知识体系。科学认识生物资源，服务于生物产业发展是生物资源科学的终极目标和发展动力。图1-1显示了生物资源学的内涵及关系。 图1-1　生物资源学的内涵及关系 1.1.2.2　生物资源学边界 作为一门新的综合性学科，生物资源学继承和发扬了相关传统学科的知识体系。参照现有学科属性，生物资源学是理学、工学、农学、医学和经济学的交叉学科。其理论体系发展于生物学、材料科学与工程、化学工程与技术、农业工程、林业工程、环境科学与工程、食品科学与工程、作物学、园艺学、农业资源利用、植物保护、畜牧学、水产、轻工技术与工程及药学和中药学等相关学科，是与上述学科对应的一级学科。其发展在一定程度上继承和关联植物学、动物学、微生物学、水生生物学、遗传学、细胞生物学、作物遗传育种、果树学、蔬菜学、茶学、植物病理学、农业昆虫与害虫防治、动物遗传育种与繁殖、动物营养与饲料科学、特种经济动物饲养、林木遗传育种、森林培育、森林保护学、野生动植物保护与利用、渔业资源、农业生物环境与能源工程、林产化学加工工程、粮食油脂及植物蛋白工程、农产品加工及贮藏工程和发酵工程等二级学科。生物资源学的理论发展和技术进步还将继续借助于包括中医基础理论、环境科学、食品科学、作物栽培学与耕作学、基础兽医学、水产养殖、生物化学与分子生物学、药物化学、病原生物学、生物物理学、生态学、通信与信息系统、农业经济管理、林业经济管理、生物化工等学科的知识体系，并将对上述学科起到积极推动作用，尤其是将直接推动生物医学信息工程、合成生物学、生物质能、生物安全、精准医疗等新的分支学科和产业的发展。 1.1.3　生物遗传资源挖掘与管理 1.1.3.1　生物遗传资源内涵 遗传资源（genetic resources）是指有实际或潜在价值的、具有生物遗传功能的种质材料，如活的生物体、繁殖器官和细胞。因此，狭义的生物遗传资源并不包含从生物中提取的内在生物遗传信息及其相互作用信息，因为后者没有生物遗传功能。广义的生物遗传资源，包括具有实际经济价值和战略价值的动植物、微生物物种及种以下的单元（亚种、变种、变型、品种品系、类型），也包括其遗传材料［胚胎、器官、组织、细胞、染色体、基因和脱氧核糖核酸（DNA）片段等］等所有具备生物遗传功能的材料。狭义的生物遗传资源基本上就是种质资源（germplasm resources），后者又主要指栽培农作物和林材的品种、家养畜禽和养殖鱼虾贝的品种，甚至还包括生产用微生物菌株。但是，种质资源理论上还必须包括野生资源。几乎所有的生物都具有应用价值或潜在利用价值，因此广义的生物遗传资源概念更符合生物资源的内涵，包括动物、植物、微生物和各种亚细胞生物的遗传材料。 对地球上现存的植物、动物和微生物的种类，人们提出了很多种估算方法。但是由于物种定义的不明确和认识能力的限制，至今还没有准确的数据。一般认为，植物、动物和微生物可能有600万至1400万种，还不包括细胞内寄生物，如某些内源细菌、病毒和亚病毒等非典型的生物。另据推测，生物圈中的昆虫可能就有500万种左右，约占地球所有生物物种的一半，但是，人类已经认知的却不多，利用的就更少。这些都是丰富多彩的生物资源。遗传资源*早的用途是支持与保障人类的生存和日常生活，是与土地、阳光、水和空气一样的基本要素。毫无疑问，人类本身的遗传信息也是重要的生物遗传资源，是人类实现优生优育、健康生活和疾病诊治的基础。 1.1.3.2　引种和育种 人类对遗传资源的主要利用方式为引种和育种。不同文明发展模式所依赖的地区资源不一样，定向选择和培育有价值品种的结果也不一样，而物种存在地区性的自然分布，人们基于对地区文明认识的能力和自身需求的增加，往往都能发现更好的物种资源，这就使得引种应运而生。狭义的引种是指生产性的即引即用，即以栽培、养殖或培养为目的，引入能供生产上推广利用的优良品种。新引进的优良品种往往在生物质生产等特征方面显著优于本地品种，或者是当地没有的，包括农作物品种、林木类型、动物品种和微生物株系等。广义的引种是指将境外的新作物、新品种、新品系及研究用的遗传材料引入当地，引种的目的更宽泛。我国目前种植的小麦、棉花、葡萄、番茄、辣椒等重要农作物都是历史上从境外引进的；同时，桑叶、茶叶、水稻、大豆甚至猕猴桃等作物也被引种和传播到国外，其中，有些是被掠夺过去的，更多的是出于生产交换和善意馈赠。无论是何种方式引进（或输入）都可能对被引入地的经济社会和文化的发展产生巨大影响，引种对象基本上都是输出地人们培育出来的品种资源，是当地的社会财富。 动植物的品种改良是一种具有历史意义的人类实践活动。在人类进入农耕文明之前，自然界已形成绚丽多彩的物种资源，人类对于这些生物资源的利用方式主要是甄别和选择，典型如“神农尝百草”。在以种植和养殖为特点的农耕文明的发展过程中，为了提高食物供应和群体保障，必然伴随动植物品种的改良和驯化。以水稻为例，从旱稻或野生水稻开始，到“吨粮田”的实现，这一过程水稻的单位面积产量至少提高了100倍；同时，适口性品质、抗病虫能力也不断提高。可以说，没有育种实践，就没有现代农业。一个主要农作物新品种的推广，甚至会带来社会人口规模的显著增长。现代生物技术的发展及其与传统育种技术的结合使得人类改良和开发品种的能力有了质的提升。转基因技术显著提高了新性状发生的概率，加快了人类改造生物遗传资源的进程。一方面，新技术手段更容易获取更理想的生物学性状、新变异甚至新物种；另一方面，也存在管控风险，造成基因逃逸或对环境产生不可预期的影响。自然界本身也会发生物种之间基因漂移和类似“转基因”的事件，造成物种变异和新遗传性状的出现，只是发生的概率极低。辐照育种也是加快动植物变异的有效手段之一，曾经是我国大多数农作物品种变异的重要来源，对于粮食生产水平提高做出过不可磨灭的贡献。 相对于栽培植物和养殖动物的品种培育，微生物菌种选育起步