【科研进展】白明研究组合作揭示远缘物种具有更相似表型和基因型不一定是因为趋同演化
近日，中国科学院动物研究所白明研究组、浙江大学张国捷团队联合深圳华大生命科学研究院、中国科学院昆明动物研究所、哥本哈根大学等中外多个课题组,公布了对有袋类哺乳动物的物种辐射性大爆发过程的研究结果。该结果重建了有袋类物种的演化关系，并揭示了物种快速分化过程中，一些随机事件有可能会导致远缘物种具有相似表型的现象，解释了利用形态和分子数据在构建物种树经常出现冲突的发生机制。
早在19世纪，达尔文就在他的旷世著作《物种起源》中提出现在地球上的所有物种最初都是从同一种原始生命演化而来，即共同祖先理论。由这个共同祖先不断分叉演化形成现在物种类群的历程即构成了生命之树，从简单的单细胞生物到复杂的生命体，每个物种都可以找到它的最近缘物种和最近共同祖先。以人类为例，人类约在700万年前与黑猩猩从共同祖先古猿分化形成，古猿类和旧世界猴在约2800万年前拥有相同的祖先，最早的灵长类物种祖先可以追溯至8000万年前，而目前地球上的哺乳动物在约两亿多年前都有共同祖先。重构正确的物种关系树是演化生物学研究和开展跨物种比较研究的基础，对我们推理各种生物学现象的起源过程至关重要。
DNA是绝大多数生物的遗传蓝图，按照达尔文提出的物种演化模型，物种间DNA序列的差异可以反映出物种的分化历程，即DNA序列越相似的物种在生命之树上就更接近。同时，表型由DNA来决定，理论上携带相同表型的物种演化关系也就越接近。依据这样的推论，形态数据和DNA数据都可以用来构建物种树。但实际上，DNA数据与形态特征在推断物种演化历程上经常出现相互矛盾的结果。自80年代以来，利用DNA数据重构物种演化历程逐渐成为主流，但仍缺乏研究来解释为什么会存在这样的矛盾，为什么形态信息经常会得到不可靠的物种关系树。
分子树和与形态树的矛盾经常发生在经历过物种快速分化的类群里。不完全的谱系分选（incomplete lineage sorting）就是一种可以导致上述情况出现的原因。多个物种在极短的时间内从一个共同祖先里分化出来，使得某些祖先基因的多态性在随后的物种分化历程中被随机分选到分化出的不同物种里，从而使得部分分化后形成的多个物种随机保留了相同的基因型。以人、黑猩猩和大猩猩为例。我们知道，相较于大猩猩，人与黑猩猩的亲缘关系更近。如图所示，三者共同祖先的群体具有较高的遗传多样性，大猩猩在第一次物种分化后形成，随着时间的推移，大猩猩的群体最终固定了蓝色的基因型。人和黑猩猩的共同祖先群体继承了橙色和蓝色两种基因型，然而在第二次物种分化的时候，人可能最终随机固定了和大猩猩一样的蓝色的基因型，黑猩猩最终随机固定了橙色的基因型。这样一来，我们就会观察到人的一些基因组序列跟大猩猩更相似，而跟黑猩猩差异更大。尽管黑猩猩是与人最近缘的物种，在人的基因组里约超过15%的基因组区域，是跟大猩猩更相似的。这种不完全的谱系分选现象在许多经历过物种大爆发的类群里均出现过，比如各种哺乳动物类群、鸟类、昆虫、鱼类等，但这种现象对性状的演化是否存在影响一直没有研究。
为了研究不完全的谱系分选对物种形态和性状演化的影响，研究团队利用有袋类动物开展研究。之前的一些研究指出现存有袋类物种起源的过程经历了物种大爆发，导致了长期以来对有袋类物种早期演化关系存在争议。而这一争议主要围绕着南美有袋类微兽目（Microbiotheria）的演化地位。小山猴是该目唯一的现存物种，其作为南美洲的有袋类动物，却在骨骼、生殖器官和大脑结构等诸多方面与澳洲的有袋类动物更相似，尤其是袋鼠、考拉等双门齿目动物。正是由于这种形态的相似性，早前基于形态特征推定的演化关系认为小山猴应该和双门齿目的袋鼠和考拉更近缘，进而推测美洲小山猴应起源于澳洲。然而，本研究利用小山猴和其他有袋类动物的全基因组数据，表明小山猴应该是澳洲所有有袋类动物的姐妹群，也就是它和是澳洲有袋类有共同祖先但不属于澳洲有袋类。进一步的分析揭示，有袋类基因组有超过50%区域构建出的分子树跟真实的物种分化过程不一致，即小山猴反而跟某些澳洲有袋类之间的相似度要大于澳洲有袋类之间的相似度。早前观察的那些与真实物种发生过程不符的性状特征很可能是由于物种快速分化的过程不完全的谱系分选导致的。
这些有冲突的基因组区域包含了上百个与神经系统、免疫系统、骨骼形态等相关的基因，它们可能与现今物种性状特征与物种发生历程之间的矛盾有关。研究推测，不完全的谱系分选所引发的祖先多态性的随机固定可能会偶然地导致两个亲缘关系较远的物种继承相同的祖先基因型，如果不同的祖先基因型会产生不同的形态特征，那么这样一来，就可能会导致远缘物种具有更加相似的表型。为了验证上述猜想，研究人员利用博物馆馆藏标本确定了小山猴的肱骨弯曲形态、脊柱棘突高度、门牙形态都是跟双门齿目的袋鼠和考拉更为相似。随后，研究团队再利用比较基因组学分析手段筛选候选基因，采用基因编辑技术对受不完全的谱系分选影响的基因建立小鼠实验模型。通过实验小鼠和野生小鼠的骨骼性状扫描结果的比较，研究人员证实了受不完全的谱系分选影响的基因型替换确实产生了符合预期的表型结果。
物种性状的演化被认为是物种长期适应环境的结果：突变产生新的基因与新的性状，新基因通过繁殖扩散开来，有利于生存与繁殖的性状及其基因会被自然选择保留下来。在远缘物种中出现相同的性状，过去往往会用趋同演化来解释这样现象。然而，这一研究则揭示不同类群间相同性状的出现也可能是随机遗传了祖先性状引起的。同时，这一研究还证明，仅依靠部分基因、部分性状的溯源来构建物种关系树是不可靠的，全基因组数据才是重构物种发生历程的金标准。通过全基因组数据可以充分揭示不完全的谱系分选作为一种可能的机制来解释基因组物种树和表型变异之间冲突的现象。此外，本研究还综合了古气候地理，物种分化、形态、DNA等多方面证据来佐证有袋类物种演化进程。
此外，近年来，测序技术的发展将基因组学研究带入了完美参考基因组的新时代。但本研究是基于二代测序技术的基因组完成的，这也提示我们不要过分追求新技术，而忽视了科学问题的重要性。
该成果已于2022年4月20日以题目为“Incomplete lineage sorting and phenotypic evolution in marsupials”的论文在线发表于国际顶级学术期刊《细胞》（Cell）杂志，深圳华大生命科学研究院冯少鸿博士和中国科学院动物研究所白明研究员为论文共同第一作者，论文通讯作者张国捷教授近日以讲席教授身份加盟浙江大学医学院。冯少鸿博士现任浙江大学“百人计划”研究员。
文章链接：
https://t.cn/A66DMTtT
阅读原文：https://t.cn/A6X7FBSs
近日，中国科学院动物研究所白明研究组、浙江大学张国捷团队联合深圳华大生命科学研究院、中国科学院昆明动物研究所、哥本哈根大学等中外多个课题组,公布了对有袋类哺乳动物的物种辐射性大爆发过程的研究结果。该结果重建了有袋类物种的演化关系，并揭示了物种快速分化过程中，一些随机事件有可能会导致远缘物种具有相似表型的现象，解释了利用形态和分子数据在构建物种树经常出现冲突的发生机制。
早在19世纪，达尔文就在他的旷世著作《物种起源》中提出现在地球上的所有物种最初都是从同一种原始生命演化而来，即共同祖先理论。由这个共同祖先不断分叉演化形成现在物种类群的历程即构成了生命之树，从简单的单细胞生物到复杂的生命体，每个物种都可以找到它的最近缘物种和最近共同祖先。以人类为例，人类约在700万年前与黑猩猩从共同祖先古猿分化形成，古猿类和旧世界猴在约2800万年前拥有相同的祖先，最早的灵长类物种祖先可以追溯至8000万年前，而目前地球上的哺乳动物在约两亿多年前都有共同祖先。重构正确的物种关系树是演化生物学研究和开展跨物种比较研究的基础，对我们推理各种生物学现象的起源过程至关重要。
DNA是绝大多数生物的遗传蓝图，按照达尔文提出的物种演化模型，物种间DNA序列的差异可以反映出物种的分化历程，即DNA序列越相似的物种在生命之树上就更接近。同时，表型由DNA来决定，理论上携带相同表型的物种演化关系也就越接近。依据这样的推论，形态数据和DNA数据都可以用来构建物种树。但实际上，DNA数据与形态特征在推断物种演化历程上经常出现相互矛盾的结果。自80年代以来，利用DNA数据重构物种演化历程逐渐成为主流，但仍缺乏研究来解释为什么会存在这样的矛盾，为什么形态信息经常会得到不可靠的物种关系树。
分子树和与形态树的矛盾经常发生在经历过物种快速分化的类群里。不完全的谱系分选（incomplete lineage sorting）就是一种可以导致上述情况出现的原因。多个物种在极短的时间内从一个共同祖先里分化出来，使得某些祖先基因的多态性在随后的物种分化历程中被随机分选到分化出的不同物种里，从而使得部分分化后形成的多个物种随机保留了相同的基因型。以人、黑猩猩和大猩猩为例。我们知道，相较于大猩猩，人与黑猩猩的亲缘关系更近。如图所示，三者共同祖先的群体具有较高的遗传多样性，大猩猩在第一次物种分化后形成，随着时间的推移，大猩猩的群体最终固定了蓝色的基因型。人和黑猩猩的共同祖先群体继承了橙色和蓝色两种基因型，然而在第二次物种分化的时候，人可能最终随机固定了和大猩猩一样的蓝色的基因型，黑猩猩最终随机固定了橙色的基因型。这样一来，我们就会观察到人的一些基因组序列跟大猩猩更相似，而跟黑猩猩差异更大。尽管黑猩猩是与人最近缘的物种，在人的基因组里约超过15%的基因组区域，是跟大猩猩更相似的。这种不完全的谱系分选现象在许多经历过物种大爆发的类群里均出现过，比如各种哺乳动物类群、鸟类、昆虫、鱼类等，但这种现象对性状的演化是否存在影响一直没有研究。
为了研究不完全的谱系分选对物种形态和性状演化的影响，研究团队利用有袋类动物开展研究。之前的一些研究指出现存有袋类物种起源的过程经历了物种大爆发，导致了长期以来对有袋类物种早期演化关系存在争议。而这一争议主要围绕着南美有袋类微兽目（Microbiotheria）的演化地位。小山猴是该目唯一的现存物种，其作为南美洲的有袋类动物，却在骨骼、生殖器官和大脑结构等诸多方面与澳洲的有袋类动物更相似，尤其是袋鼠、考拉等双门齿目动物。正是由于这种形态的相似性，早前基于形态特征推定的演化关系认为小山猴应该和双门齿目的袋鼠和考拉更近缘，进而推测美洲小山猴应起源于澳洲。然而，本研究利用小山猴和其他有袋类动物的全基因组数据，表明小山猴应该是澳洲所有有袋类动物的姐妹群，也就是它和是澳洲有袋类有共同祖先但不属于澳洲有袋类。进一步的分析揭示，有袋类基因组有超过50%区域构建出的分子树跟真实的物种分化过程不一致，即小山猴反而跟某些澳洲有袋类之间的相似度要大于澳洲有袋类之间的相似度。早前观察的那些与真实物种发生过程不符的性状特征很可能是由于物种快速分化的过程不完全的谱系分选导致的。
这些有冲突的基因组区域包含了上百个与神经系统、免疫系统、骨骼形态等相关的基因，它们可能与现今物种性状特征与物种发生历程之间的矛盾有关。研究推测，不完全的谱系分选所引发的祖先多态性的随机固定可能会偶然地导致两个亲缘关系较远的物种继承相同的祖先基因型，如果不同的祖先基因型会产生不同的形态特征，那么这样一来，就可能会导致远缘物种具有更加相似的表型。为了验证上述猜想，研究人员利用博物馆馆藏标本确定了小山猴的肱骨弯曲形态、脊柱棘突高度、门牙形态都是跟双门齿目的袋鼠和考拉更为相似。随后，研究团队再利用比较基因组学分析手段筛选候选基因，采用基因编辑技术对受不完全的谱系分选影响的基因建立小鼠实验模型。通过实验小鼠和野生小鼠的骨骼性状扫描结果的比较，研究人员证实了受不完全的谱系分选影响的基因型替换确实产生了符合预期的表型结果。
物种性状的演化被认为是物种长期适应环境的结果：突变产生新的基因与新的性状，新基因通过繁殖扩散开来，有利于生存与繁殖的性状及其基因会被自然选择保留下来。在远缘物种中出现相同的性状，过去往往会用趋同演化来解释这样现象。然而，这一研究则揭示不同类群间相同性状的出现也可能是随机遗传了祖先性状引起的。同时，这一研究还证明，仅依靠部分基因、部分性状的溯源来构建物种关系树是不可靠的，全基因组数据才是重构物种发生历程的金标准。通过全基因组数据可以充分揭示不完全的谱系分选作为一种可能的机制来解释基因组物种树和表型变异之间冲突的现象。此外，本研究还综合了古气候地理，物种分化、形态、DNA等多方面证据来佐证有袋类物种演化进程。
此外，近年来，测序技术的发展将基因组学研究带入了完美参考基因组的新时代。但本研究是基于二代测序技术的基因组完成的，这也提示我们不要过分追求新技术，而忽视了科学问题的重要性。
该成果已于2022年4月20日以题目为“Incomplete lineage sorting and phenotypic evolution in marsupials”的论文在线发表于国际顶级学术期刊《细胞》（Cell）杂志，深圳华大生命科学研究院冯少鸿博士和中国科学院动物研究所白明研究员为论文共同第一作者，论文通讯作者张国捷教授近日以讲席教授身份加盟浙江大学医学院。冯少鸿博士现任浙江大学“百人计划”研究员。
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我的顺产日记
2022年4月9日晚，由于超预产期三天，所以入院催产。当时是口服的催产的药物，具体是什么药我也不清楚，晚上8点左右办完住院的手续以后，喝下了催产的药。由于8号丰南区刚刚解封，医院已经人满为患了，当晚被安排在了抢救室。（和普通病房也差不太多，病房有两个人，就是一间抢救室改造的病房，比普通病房简陋一些罢了）催产的药是隔四小时喝一次，到了12点多喝了第二次。大概到两点左右，大概听到肚子里边“啵儿”的一声，大概两点半发现羊水破了，也开始有了规律的宫缩，开始大概五六分钟一次，后来四分钟一次，再到后来三分钟一次…从两点半开始肚子微微疼，像来大姨妈一样，一直到早上八点，肚子的疼痛渐渐超出了忍受的范围…这种疼痛不知道怎么用语言形容，在我身上，似乎不像别人形容的那种疼痛，像一辆车从肚子上压过去那种，或者是五脏六腑都往下拽…那种疼痛就是肚子从里到外都疼，疼起来什么拉玛泽呼吸法…吸气吐气，早都抛之脑后了，足以让人此生难忘。
早上八点以后，开始三分钟一次的宫缩，感觉疼痛难忍之后赶紧叫来护士内检，自己也很好奇这种疼痛到底能不能开指，结果内检之后只开了一指…更让人绝望的是，主治大夫过来以后，给检查了一下一指都没开，宫颈条件还不如之前检查的时候好了，孩子位置也比那时候靠上了…大夫走了之后，我都在纠结要不要刨了，说的我真是一点信心没有了，纠结过后还是想着再坚持坚持吧，当初自己非要顺产的不能这么快都放弃啊，要不然自己都看不起自己了…
从8点到10点期间，疼痛感有增无减，还是三分钟一次的规律宫缩，在记录宫缩间隔的同时，一直在看时间，想着时间快点过…10点之后又内检一次，当时开了两指…心里瞬间燃起了希望，因为开三指就能打无痛了啊。10点到11.30的时间里，肚子真的是巨痛，疼到站起来走路都费劲…这时候开到两指半。
终于在12点的时候进到了产房，等待打无痛，结果传来了噩耗…两个麻醉医生都在手术中，所以需要等。进了产房之后，疼痛感稍微减轻了一些，不知道是因为快打无痛了心理作用还是真的不那么疼了…终于在一点左右等到了麻醉师，打上了无痛。打无痛的时候医生会让你双手抱腿呈蜷缩状，不能动…可是当宫缩来临的时候不动真的挺难的。刚打无痛的时候会感觉有股暖流到了腿上，过了一段时间，腿和肚子的知觉明显减退，再到后来，完全感觉不到宫缩疼。无痛真的是人类之光，能减轻很多痛苦。
打完无痛睡了一两个小时吧，在感觉不到任何疼痛宫缩也不强烈的情况下竟然开到了五六指…哈哈，当时心里还窃喜。到了下午五点，已经十指全开了，但是打完无痛之后由于宫缩太弱了，都感觉不到肚子疼，这样根本生不出来啊…所以挂上了催产素，关掉了无痛，正式进入生产环节。
助产医生让我自己先用力试试，伴随着宫缩的来临自己就发力…过了半小时毫无进展。五点多的时候，之前的助产医生下班了，换来了另一波，也过来了主治大夫查看我的情况，没过多久，从他们的表情里看出来情况不妙啊…到六点多的时候发现胎位不正，孩子整个在肚子的左半边，右边肚子完全是空的，这样根本生不出来啊，得孩子位置正过来才行。于是尝试在狭窄的产床上侧躺…左侧躺二十分钟，右侧躺二十分钟…这时候肚子的疼痛比之前还要疼，宫缩的强度更大，因为已经开了十指，还挂着催产。而且随着孩子位置下移，那种压迫的疼痛感越来越强烈…
在各种尝试之后，孩子的位置没有任何变化，还是在左侧…距离开完十指时间已经过去了两个小时，没有任何进展，因为胎位不正很难顺利生产，疼痛感却在只增不减，在用力两个多小时之后，整个人已经虚脱了，产房很闷很热，就像当时的氛围一样，每次发力都会满头大汗…疼痛和虚脱倒不算什么，主要是心里的绝望。我问医生有没有什么办法能让孩子快点出来，医生的答复是，胎头已经下来了，刨腹产是不可能了，只能努力生…问完更绝望了。
转眼时间到了晚上八点左右，已经记不清宫缩了多少次，出了多少汗了，在进入产程的三个小时之后，整个人已经没有力气了，打着氧气呼吸都很费劲了…当时我旁边有四个医生，两个助产的护士，两个主治医生。我又问，如果真的生不出来没有别的办法么，医生说我们会给你想办法，但是不到万不得已不会走这一步。我说我真的没力气了，呼吸都费劲了…然后医生说实在不行可以把孩子吸出来，需要家属签字。可能看我真的是很费劲了，医生拿过来张单子让彤哥签字，我们心里都明白，如果强行把孩子吸出来肯定对孩子没好处，任何后果都要自行承担。
签完字之后，医生说你再努力下试试，当时真的是使出了浑身的力气，即使呼吸都费劲，话都说不出来。全靠意志力在支撑吧，为了还没出生的孩子，还是要最后一博。一个主治医生帮忙按肚子，另一个医生帮忙矫正胎位，助产的护士一直在鼓励。用了几次力之后，孩子头出来一点，终于看到了希望，然后医生建议侧切，当时毫不犹豫啊，不管怎样能把孩子生出来就行。侧切以后配合医生用力几次，孩子生出来了。看了一眼孩子，就被抱走去观察了。之后就是胎盘娩出，缝合侧切的伤口，好像是要缝几层，虽然当时也打了麻药，但是还是能感觉到针和线在肉里穿梭…
生孩子真的可以说是鬼门关走一遭吧，并不是威胁到生命，而是出现状况以后的那种绝望，一次又一次失去信心又燃起希望。在整个顺产过程中不管多疼没有喊一声，没有掉一滴眼泪，整个过程也没有紧张，因为完全顾不上紧张啊…就是想着哭也好喊也罢，对我没有任何好处，只会让我的体力更差。
从前一天晚上八点多入院到第二天晚上八点多生产结束，不管过程多么的艰难，我没有放弃，我的宝宝没有放弃，在破水超过12小时以后，我的宝宝胎心一直都很好，真的很感激上天给我一个这么坚强的宝宝，陪我一起度过难关！
最后住院每一个妈妈都能顺利生产，超快生产！ https://t.cn/R2WxXZe
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早上八点以后，开始三分钟一次的宫缩，感觉疼痛难忍之后赶紧叫来护士内检，自己也很好奇这种疼痛到底能不能开指，结果内检之后只开了一指…更让人绝望的是，主治大夫过来以后，给检查了一下一指都没开，宫颈条件还不如之前检查的时候好了，孩子位置也比那时候靠上了…大夫走了之后，我都在纠结要不要刨了，说的我真是一点信心没有了，纠结过后还是想着再坚持坚持吧，当初自己非要顺产的不能这么快都放弃啊，要不然自己都看不起自己了…
从8点到10点期间，疼痛感有增无减，还是三分钟一次的规律宫缩，在记录宫缩间隔的同时，一直在看时间，想着时间快点过…10点之后又内检一次，当时开了两指…心里瞬间燃起了希望，因为开三指就能打无痛了啊。10点到11.30的时间里，肚子真的是巨痛，疼到站起来走路都费劲…这时候开到两指半。
终于在12点的时候进到了产房，等待打无痛，结果传来了噩耗…两个麻醉医生都在手术中，所以需要等。进了产房之后，疼痛感稍微减轻了一些，不知道是因为快打无痛了心理作用还是真的不那么疼了…终于在一点左右等到了麻醉师，打上了无痛。打无痛的时候医生会让你双手抱腿呈蜷缩状，不能动…可是当宫缩来临的时候不动真的挺难的。刚打无痛的时候会感觉有股暖流到了腿上，过了一段时间，腿和肚子的知觉明显减退，再到后来，完全感觉不到宫缩疼。无痛真的是人类之光，能减轻很多痛苦。
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助产医生让我自己先用力试试，伴随着宫缩的来临自己就发力…过了半小时毫无进展。五点多的时候，之前的助产医生下班了，换来了另一波，也过来了主治大夫查看我的情况，没过多久，从他们的表情里看出来情况不妙啊…到六点多的时候发现胎位不正，孩子整个在肚子的左半边，右边肚子完全是空的，这样根本生不出来啊，得孩子位置正过来才行。于是尝试在狭窄的产床上侧躺…左侧躺二十分钟，右侧躺二十分钟…这时候肚子的疼痛比之前还要疼，宫缩的强度更大，因为已经开了十指，还挂着催产。而且随着孩子位置下移，那种压迫的疼痛感越来越强烈…
在各种尝试之后，孩子的位置没有任何变化，还是在左侧…距离开完十指时间已经过去了两个小时，没有任何进展，因为胎位不正很难顺利生产，疼痛感却在只增不减，在用力两个多小时之后，整个人已经虚脱了，产房很闷很热，就像当时的氛围一样，每次发力都会满头大汗…疼痛和虚脱倒不算什么，主要是心里的绝望。我问医生有没有什么办法能让孩子快点出来，医生的答复是，胎头已经下来了，刨腹产是不可能了，只能努力生…问完更绝望了。
转眼时间到了晚上八点左右，已经记不清宫缩了多少次，出了多少汗了，在进入产程的三个小时之后，整个人已经没有力气了，打着氧气呼吸都很费劲了…当时我旁边有四个医生，两个助产的护士，两个主治医生。我又问，如果真的生不出来没有别的办法么，医生说我们会给你想办法，但是不到万不得已不会走这一步。我说我真的没力气了，呼吸都费劲了…然后医生说实在不行可以把孩子吸出来，需要家属签字。可能看我真的是很费劲了，医生拿过来张单子让彤哥签字，我们心里都明白，如果强行把孩子吸出来肯定对孩子没好处，任何后果都要自行承担。
签完字之后，医生说你再努力下试试，当时真的是使出了浑身的力气，即使呼吸都费劲，话都说不出来。全靠意志力在支撑吧，为了还没出生的孩子，还是要最后一博。一个主治医生帮忙按肚子，另一个医生帮忙矫正胎位，助产的护士一直在鼓励。用了几次力之后，孩子头出来一点，终于看到了希望，然后医生建议侧切，当时毫不犹豫啊，不管怎样能把孩子生出来就行。侧切以后配合医生用力几次，孩子生出来了。看了一眼孩子，就被抱走去观察了。之后就是胎盘娩出，缝合侧切的伤口，好像是要缝几层，虽然当时也打了麻药，但是还是能感觉到针和线在肉里穿梭…
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“未来种子基因库”在哥伦比亚成立，将粮食研究纳入高科技领域｜绿会科技创新伦理问题前瞻研究（03）
种瓜得瓜、种豆得豆，这句老话蕴藏着关于农作物生物多样性的深刻道理。随着人口增长，人类对于粮食的总量和品质的需求也在不断提升，地球资源环境面临的压力越来越大。气候变化、生物多样性急剧丧失，给人类未来的粮食安全带来了诸多挑战，因此粮食与农作物种质资源的如何保存也就成了一个非常重要的问题。建立全球种子库，可以成为人类在世界上拥有的所有植物种质资源的储备和应对。
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近日，中国生物多样性保护与绿色发展基金会（简称中国绿发会、绿会）国际科技伦理工作组从国际农业研究磋商组织（CGIAR）了解到，拉美国家哥伦比亚在2022年3月宣布成立了世界上最大的热带作物银行，建立在Cali附近，主要用于保存的豆类、木薯和热带牧草。
2022年3月15日，哥伦比亚总统伊万·杜克·马尔克斯（Iván Duque Márquez）为这个名叫“未来种子基因库”（Future Seeds，下文简称未来种子库）的设施揭牌。下面是这个开幕式的一些图片。
来源：alliancebioversityciat
来源：alliancebioversityciat
来源：alliancebioversityciat
我们知道，人类目前的食物，主要只依赖少数作物。但这些作物是由大自然、农民和科学家在数千年的时间里产生的惊人的野生和驯化植物的多样性而产生的。全世界迄今7000多种用于农业的物种中，只有150种在被用于广泛的种植，这种种植品种，乃至人们粮食品种趋向单一的状况，对人类生活质量和生物多样性等都很不利。
据估计，仅在20世纪，75%的农业生物多样性已经丧失。这是人类面临的最大挑战之一。未来的主食作物将需要利用自然多样性来抵御即将到来的极端环境。那么，如何与时间赛跑、保存对于人类“有饭吃”至关重要的粮农遗传资源？
国际农业研究磋商组织（CGIAR）是一个专注于粮食安全的全球研究伙伴关系，运行着11个基因库。虽然这11个基因库只包含了目前基因库中持有的种质资源总数的10%，但它们却占了联合国粮农组织《粮食和农业植物遗传资源国际条约》（ITPGRFA，中国绿发会是该条约的观察员）指导方针下分配的种质的94%。ITPGRFA是一项旨在通过保护、交流和可持续利用世界植物遗传资源来保证粮食安全的国际协议。根据ITPGRFA的原则，世界各地的人们都可以免费获得保存在种子库中的种子和植物材料。
“未来种子库”（Future Seeds）这一最新设施由CGIAR的国际生物多样性中心(Bioversity)、国际热带农业中心(CIAT) 管理，包括来自100多个国家的37000多个豆类样本、6000个木薯样本，以及22600个热带牧草样本。这些储存着种子、幼苗和含有遗传信息的组织的基因库，对实现全世界的粮食和营养安全至关重要。
据悉，它也将成为研究人员的创新中心。在这个网络中，“未来种子”是独一无二的，因为它不仅仅是一个作物品种的“图书馆”，也是一个创新中心，它将利用基因组学、大数据、机器人、无人机和人工智能来加速开发适应气候的作物。而且，它的整个全球目录是开放的，无专利的，由政府、多边组织和基金会共同资助；植物遗传材料对培育植物新品种的研究人员是免费的。作为一个种子库，CIAT也向世界各地的弱势农民提供种子。
这个“未来种子库”不仅将为人类托管世界上最大的豆类、木薯和热带牧草收藏，拥有共计超过6.7万个不同的样本，而且还将扩大其收藏范围，以涵盖其他重要作物及其野生亲缘，从而支持全球粮食和营养安全。
“未来种子库”视频截图。
“未来种子库”视频截图。
未来种子库的一个另外重要功能是，科普、公正教育。据悉它是11个种子库中唯一的一个设计用于教育和培训的此类设施，大家可以看到它是透明的玻璃墙，这样来参观的人员就能通过玻璃墙，看到里面的科学家是如何工作的场景。此外，Bioversity和CIAT还在哥伦比亚的周边设立了多个实地观测站，这样就能为获得无需检疫的高质量种子提供最佳条件，并且可以方便在国际上分发。
此外，通过未来种子库，还与世界各地的合作伙伴基因库合作，优化冷冻保存协议，确保植物健康，并托管其他关键作物的收藏，包括安全复制品。此外，新一代遗传资源科学家也将接受未来种子方面的培训。
未来种子库外观。图源：CIAT
笔者在CGIAR的官网上看到，这个基因库在绿色建筑、可持续设计上也是“独一无二”的。未来种子库是世界上第一座获得LEED（能源和环境设计领先）白金级认证的基因库建筑。它有一个标志性的节能建筑设计，包括一个外部“皮肤”遮篷，以抵御太阳辐射，太阳能电池板，热控制，自然通风和雨水收集。该建筑本身将传达一个关于环境可持续性至关重要的强烈公众信息。据介绍，相对于世界各地的其他基因库，基因库以最高的技术和科学标准运行。
另外，笔者注意到：贝索斯地球基金会向哥伦比亚“未来种子库”这个植物基因库认捐1700万美元。在剪彩仪式上，也能看到贝索斯的影子。
种业，事关粮食安全。2022年4月11日，也就是前几天，我国领导人考察了海南崖州湾种子实验室，凸显对于支持种业创新的高度重视。据央视报道，崖州湾种子实验室是三亚崖州湾科技城搭建的公共科研平台，告别了曾经各个科研机构、高校的“各自为战”，南繁育种科研在这里实现了联合攻关，南繁产业集群发展的效应逐渐凸显。
本文作为一个#科技创新中伦理问题前瞻研究#系列案例第三篇，笔者想提出以下问题，权作抛砖引玉，供读者讨论：
（1）如何通过国际合作来促进种业创新？因为世界上没有一个国家能够在粮食上自给自足。没有一个国家能够独善其身，只有国家之间的交流，包括植物遗传资源实现交流和惠益分享，才能够实现发展与繁荣。笔者也注意到近日《北京市种子条例》正式实施了，文件中提到“在确保生物安全的前提下，【鼓励单位和个人从境外引进种质资源】，丰富本市种质资源多样性。”
（2）农业的未来必将走向数字化。在诸如遗传资源数字序列（DSI）等趋势下，如何确保2020后全球生物多样性框架体系下，实现信息的惠益分享？
（3）中国如何通过国际性框架——比如能否通过《粮食和农业植物遗传资源国际条约》（ITPGRFA），来从全球种业的国际合作中获益，并且保护和推动对粮食和农业植物遗传资源的可持续利用？
（4）众所周知，种业是农业的“芯片”，如何动员私营部门、社会力量的参与“造芯”？如何鼓励社会以捐赠和建立基金等方式多渠道投入，形成持续稳定的投入机制？（比如上文中贝索斯地球基金会的这类例子）
（5）种质资源的流失、生物多样性的急剧丧失，其实与我国长期以来的工业化园林运动也不无关系。从城市化的园林绿化政策来说，大胆设想一番，（1）是否可以鼓励“让野草长”，更多的探索“荒野式管理模式”？（2）进一步说，是否可以鼓励“街角菜园”？尤其是一些温度条件适合的城市中，随着人口老龄化，越来越多老年人有热情投入到种植中来，能否通过诸如街角菜园、口袋公园、公地租赁或托管等方式，发挥老年人口在种质资源的挖掘、保存与传承方面的热情和创造性？
（6）种子资源保存，只是政府的事情吗？如何动员农民、城市居民的“田间地头”老种子保存？事实上，中国生物多样性保护与绿色发展基金会的中华保护地体系中，针对野荞麦、崇仁麻鸡等地方特色粮农种质资源的保护推动就是鲜活的例子。很多古老的地方品种、特色资源都是在老百姓家的房前屋后、田间地头和深山老林里得以保护和延续，一些地方品种的濒危、珍稀程度不亚于大熊猫。种质资源的保护，需要全社会、尤其是基层和草根的广泛参与。
（7）种子库的公共教育功能，是科普工作的重要内容。本案例中“未来种子库”这个玻璃外墙的种子库，或许也给我们提供了一些启发。实际上，科研设施的建设，天生承载着科学普及、环境宣教的功能。要充分利用科普资源助推“双减”工作，发挥我国种子库等设施科普功能，功在千秋。就比如，刚刚在4月12日，科技部、中央宣传部、中国科协发布了《关于举办2022年全国科技活动周的通知》，指出，“在北京中关村国家自主创新示范区展示中心设主会场，展示‘科技冬奥’‘生物多样性保护’等重大科技创新成就，开展以生物安全为重点的国家科技安全教育，并强调“聚焦‘双碳’、生物多样性保护等国家重大战略，”笔者希望北京的种子库们能更多的考虑开放、科普，为“双减”政策下的儿童教育提供一个良好的契机和去处。更重要的是，不要局限于仅在5月份下旬科技周这段时间，而是作为全年的日常工作，变得儿童友好，面向学校、大众开放。
中国农科院的作物科普基地，笔者2019摄
中国农科院的作物科普基地，笔者2019摄
【注】本文为#科技创新中伦理问题前瞻研究#系列。该系列是由中国生物多样性保护与绿色发展基金会（简称中国绿发会、绿会）国际科技伦理工作组推出的针对国际科技伦理重大议题、前沿问题、新兴和典型议题的案例研究和前沿资讯。科技创新，伦理先行。“科技创新中伦理问题前瞻研究案例集”旨在助力中国科学界深度参与全球科技治理，建设世界一流学会，助力我国科技界有效防控科技伦理风险，不断推动科技向善、造福人类，共建地球生命共同体。
（本文参考资料来源：Mongabay、CIGAR、alliancebioversityciat、CBCGDF、CCTV等）
文 | Linda
审 | 绿茵
编丨青鸯
【拓展阅读】
中国绿发会：《守护农耕文明，筹建国家或地区性民间种子库｜2021全国两会议提案》
https://t.cn/A66rY2xI
中国绿发会：《新冠疫情后难以保存的粮食和农业植物遗传资源收藏的长期战略
》https://t.cn/A66rY2xf
肯特·纳多齐：预祝昆明CBD COP15圆满成功，欢迎中国加入《粮食和农业植物遗传资源国际条约》（ITPGRFA）
baijiahao.baidu.com/s?id=1728103929077528892 https://t.cn/A66rYGQs
种瓜得瓜、种豆得豆，这句老话蕴藏着关于农作物生物多样性的深刻道理。随着人口增长，人类对于粮食的总量和品质的需求也在不断提升，地球资源环境面临的压力越来越大。气候变化、生物多样性急剧丧失，给人类未来的粮食安全带来了诸多挑战，因此粮食与农作物种质资源的如何保存也就成了一个非常重要的问题。建立全球种子库，可以成为人类在世界上拥有的所有植物种质资源的储备和应对。
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近日，中国生物多样性保护与绿色发展基金会（简称中国绿发会、绿会）国际科技伦理工作组从国际农业研究磋商组织（CGIAR）了解到，拉美国家哥伦比亚在2022年3月宣布成立了世界上最大的热带作物银行，建立在Cali附近，主要用于保存的豆类、木薯和热带牧草。
2022年3月15日，哥伦比亚总统伊万·杜克·马尔克斯（Iván Duque Márquez）为这个名叫“未来种子基因库”（Future Seeds，下文简称未来种子库）的设施揭牌。下面是这个开幕式的一些图片。
来源：alliancebioversityciat
来源：alliancebioversityciat
来源：alliancebioversityciat
我们知道，人类目前的食物，主要只依赖少数作物。但这些作物是由大自然、农民和科学家在数千年的时间里产生的惊人的野生和驯化植物的多样性而产生的。全世界迄今7000多种用于农业的物种中，只有150种在被用于广泛的种植，这种种植品种，乃至人们粮食品种趋向单一的状况，对人类生活质量和生物多样性等都很不利。
据估计，仅在20世纪，75%的农业生物多样性已经丧失。这是人类面临的最大挑战之一。未来的主食作物将需要利用自然多样性来抵御即将到来的极端环境。那么，如何与时间赛跑、保存对于人类“有饭吃”至关重要的粮农遗传资源？
国际农业研究磋商组织（CGIAR）是一个专注于粮食安全的全球研究伙伴关系，运行着11个基因库。虽然这11个基因库只包含了目前基因库中持有的种质资源总数的10%，但它们却占了联合国粮农组织《粮食和农业植物遗传资源国际条约》（ITPGRFA，中国绿发会是该条约的观察员）指导方针下分配的种质的94%。ITPGRFA是一项旨在通过保护、交流和可持续利用世界植物遗传资源来保证粮食安全的国际协议。根据ITPGRFA的原则，世界各地的人们都可以免费获得保存在种子库中的种子和植物材料。
“未来种子库”（Future Seeds）这一最新设施由CGIAR的国际生物多样性中心(Bioversity)、国际热带农业中心(CIAT) 管理，包括来自100多个国家的37000多个豆类样本、6000个木薯样本，以及22600个热带牧草样本。这些储存着种子、幼苗和含有遗传信息的组织的基因库，对实现全世界的粮食和营养安全至关重要。
据悉，它也将成为研究人员的创新中心。在这个网络中，“未来种子”是独一无二的，因为它不仅仅是一个作物品种的“图书馆”，也是一个创新中心，它将利用基因组学、大数据、机器人、无人机和人工智能来加速开发适应气候的作物。而且，它的整个全球目录是开放的，无专利的，由政府、多边组织和基金会共同资助；植物遗传材料对培育植物新品种的研究人员是免费的。作为一个种子库，CIAT也向世界各地的弱势农民提供种子。
这个“未来种子库”不仅将为人类托管世界上最大的豆类、木薯和热带牧草收藏，拥有共计超过6.7万个不同的样本，而且还将扩大其收藏范围，以涵盖其他重要作物及其野生亲缘，从而支持全球粮食和营养安全。
“未来种子库”视频截图。
“未来种子库”视频截图。
未来种子库的一个另外重要功能是，科普、公正教育。据悉它是11个种子库中唯一的一个设计用于教育和培训的此类设施，大家可以看到它是透明的玻璃墙，这样来参观的人员就能通过玻璃墙，看到里面的科学家是如何工作的场景。此外，Bioversity和CIAT还在哥伦比亚的周边设立了多个实地观测站，这样就能为获得无需检疫的高质量种子提供最佳条件，并且可以方便在国际上分发。
此外，通过未来种子库，还与世界各地的合作伙伴基因库合作，优化冷冻保存协议，确保植物健康，并托管其他关键作物的收藏，包括安全复制品。此外，新一代遗传资源科学家也将接受未来种子方面的培训。
未来种子库外观。图源：CIAT
笔者在CGIAR的官网上看到，这个基因库在绿色建筑、可持续设计上也是“独一无二”的。未来种子库是世界上第一座获得LEED（能源和环境设计领先）白金级认证的基因库建筑。它有一个标志性的节能建筑设计，包括一个外部“皮肤”遮篷，以抵御太阳辐射，太阳能电池板，热控制，自然通风和雨水收集。该建筑本身将传达一个关于环境可持续性至关重要的强烈公众信息。据介绍，相对于世界各地的其他基因库，基因库以最高的技术和科学标准运行。
另外，笔者注意到：贝索斯地球基金会向哥伦比亚“未来种子库”这个植物基因库认捐1700万美元。在剪彩仪式上，也能看到贝索斯的影子。
种业，事关粮食安全。2022年4月11日，也就是前几天，我国领导人考察了海南崖州湾种子实验室，凸显对于支持种业创新的高度重视。据央视报道，崖州湾种子实验室是三亚崖州湾科技城搭建的公共科研平台，告别了曾经各个科研机构、高校的“各自为战”，南繁育种科研在这里实现了联合攻关，南繁产业集群发展的效应逐渐凸显。
本文作为一个#科技创新中伦理问题前瞻研究#系列案例第三篇，笔者想提出以下问题，权作抛砖引玉，供读者讨论：
（1）如何通过国际合作来促进种业创新？因为世界上没有一个国家能够在粮食上自给自足。没有一个国家能够独善其身，只有国家之间的交流，包括植物遗传资源实现交流和惠益分享，才能够实现发展与繁荣。笔者也注意到近日《北京市种子条例》正式实施了，文件中提到“在确保生物安全的前提下，【鼓励单位和个人从境外引进种质资源】，丰富本市种质资源多样性。”
（2）农业的未来必将走向数字化。在诸如遗传资源数字序列（DSI）等趋势下，如何确保2020后全球生物多样性框架体系下，实现信息的惠益分享？
（3）中国如何通过国际性框架——比如能否通过《粮食和农业植物遗传资源国际条约》（ITPGRFA），来从全球种业的国际合作中获益，并且保护和推动对粮食和农业植物遗传资源的可持续利用？
（4）众所周知，种业是农业的“芯片”，如何动员私营部门、社会力量的参与“造芯”？如何鼓励社会以捐赠和建立基金等方式多渠道投入，形成持续稳定的投入机制？（比如上文中贝索斯地球基金会的这类例子）
（5）种质资源的流失、生物多样性的急剧丧失，其实与我国长期以来的工业化园林运动也不无关系。从城市化的园林绿化政策来说，大胆设想一番，（1）是否可以鼓励“让野草长”，更多的探索“荒野式管理模式”？（2）进一步说，是否可以鼓励“街角菜园”？尤其是一些温度条件适合的城市中，随着人口老龄化，越来越多老年人有热情投入到种植中来，能否通过诸如街角菜园、口袋公园、公地租赁或托管等方式，发挥老年人口在种质资源的挖掘、保存与传承方面的热情和创造性？
（6）种子资源保存，只是政府的事情吗？如何动员农民、城市居民的“田间地头”老种子保存？事实上，中国生物多样性保护与绿色发展基金会的中华保护地体系中，针对野荞麦、崇仁麻鸡等地方特色粮农种质资源的保护推动就是鲜活的例子。很多古老的地方品种、特色资源都是在老百姓家的房前屋后、田间地头和深山老林里得以保护和延续，一些地方品种的濒危、珍稀程度不亚于大熊猫。种质资源的保护，需要全社会、尤其是基层和草根的广泛参与。
（7）种子库的公共教育功能，是科普工作的重要内容。本案例中“未来种子库”这个玻璃外墙的种子库，或许也给我们提供了一些启发。实际上，科研设施的建设，天生承载着科学普及、环境宣教的功能。要充分利用科普资源助推“双减”工作，发挥我国种子库等设施科普功能，功在千秋。就比如，刚刚在4月12日，科技部、中央宣传部、中国科协发布了《关于举办2022年全国科技活动周的通知》，指出，“在北京中关村国家自主创新示范区展示中心设主会场，展示‘科技冬奥’‘生物多样性保护’等重大科技创新成就，开展以生物安全为重点的国家科技安全教育，并强调“聚焦‘双碳’、生物多样性保护等国家重大战略，”笔者希望北京的种子库们能更多的考虑开放、科普，为“双减”政策下的儿童教育提供一个良好的契机和去处。更重要的是，不要局限于仅在5月份下旬科技周这段时间，而是作为全年的日常工作，变得儿童友好，面向学校、大众开放。
中国农科院的作物科普基地，笔者2019摄
中国农科院的作物科普基地，笔者2019摄
【注】本文为#科技创新中伦理问题前瞻研究#系列。该系列是由中国生物多样性保护与绿色发展基金会（简称中国绿发会、绿会）国际科技伦理工作组推出的针对国际科技伦理重大议题、前沿问题、新兴和典型议题的案例研究和前沿资讯。科技创新，伦理先行。“科技创新中伦理问题前瞻研究案例集”旨在助力中国科学界深度参与全球科技治理，建设世界一流学会，助力我国科技界有效防控科技伦理风险，不断推动科技向善、造福人类，共建地球生命共同体。
（本文参考资料来源：Mongabay、CIGAR、alliancebioversityciat、CBCGDF、CCTV等）
文 | Linda
审 | 绿茵
编丨青鸯
【拓展阅读】
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》https://t.cn/A66rY2xf
肯特·纳多齐：预祝昆明CBD COP15圆满成功，欢迎中国加入《粮食和农业植物遗传资源国际条约》（ITPGRFA）
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