2022-09-02 08:42:09 白鋒哲 李麗穎
隨著我國空間站時代的到來，航天育種將開辟一個連接太空和地面、未來與現(xiàn)實的全新領(lǐng)域，定期的發(fā)射和返回、艙內(nèi)外的空間誘變環(huán)境、更多的重要載荷，必將為育種研究提供更加豐富的航天資源和保障，必將創(chuàng)制出更多的新材料、新種質(zhì)、新資源，從而為我國解決種源“卡脖子”問題，實現(xiàn)種業(yè)科技自立自強、種源自主可控，更好地發(fā)揮作用。
這不是科幻電影中的橋段，而是近幾天備受關(guān)注、正在中國空間站問天實驗艙上演的情景。擬南芥幼苗已長出多片葉子，高稈水稻幼苗已長至30厘米左右，矮稈水稻也長至五六厘米高。
這是“太空同款”擬南芥培養(yǎng)單元中擬南芥開的花。 新華社記者 張建松 攝
科學家們還無法判斷，這次空間微重力條件下水稻“從種子到種子”全生命周期的培養(yǎng)實驗?zāi)芊癯晒?。就?5年前，科學家們想不到我國農(nóng)作物種子的首次太空之旅會帶來什么一樣。
時間自會給出答案。當天上和地下相連，當逐夢蒼穹的航天與扎根大地的育種相遇，“航天育種”的奇妙軌跡就此開啟。
偶然的發(fā)現(xiàn)，開啟育種新空間
9月1日，神舟十四號航天員乘組進行首次出艙活動。“天上”的一舉一動都牽引著國人的目光，中國人離飛天夢從未這么近。
與此同時，我們的“太空之家”里，還安靜地躺著萬余顆種子，等待被宇宙射線擊中；在地面的實驗室、試驗田，有更多不同植物的種子上天后又鉆入地下，接受著育種專家們細致入微的選育。
航天員蔡旭哲細心“呵護”在軌實驗生物樣品。（來源：中國載人航天工程辦公室官方平臺）
如今，科研領(lǐng)域?qū)τ诤教煊N的認知和應(yīng)用已較為系統(tǒng)和成熟。然而，35年前，卻是一次看似偶然的舉動，開啟了一個全新的領(lǐng)域。
1987年8月5日，我國第九顆返回式科學衛(wèi)星首次搭載一批水稻、番茄、青椒等農(nóng)作物種子成功發(fā)射。當時的科學家已經(jīng)掌握了地面輻射育種技術(shù)，試圖借助航天技術(shù)，通過航天搭載及其空間誘變獲得更豐富的、有價值的變異材料，同時也進一步驗證“空間環(huán)境對植物的遺傳性狀會有什么樣的影響”。
返回地球的種子，進行一系列試驗后，科學家們驚喜地發(fā)現(xiàn)，發(fā)生了一些意外的基因遺傳變異。更關(guān)鍵的是，有些變異正是人們一直期盼的。由此，拉開了我國通過空間誘變進行植物航天育種的序幕。
1994年，劉錄祥的同事將紅小豆送上太空。返回地球種植后，紅小豆的籽粒和豆莢都發(fā)生了神奇的變化。這讓劉錄祥深深感到了航天育種的威力，從此跟航天育種結(jié)下不解之緣，成為我國最早一批從事航天育種的科學家。
太空紅小豆粒。（來源：中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所）
“航天育種看上去很神奇，但其實并不神秘?！比缃褚咽菄液教煊N工程首席科學家、國家農(nóng)作物航天誘變改良中心主任、中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所黨委書記的劉錄祥說，航天育種又叫太空育種、航天誘變育種，是將種子置于太空特殊環(huán)境中，在微重力、弱地磁、強輻射、高真空、超低溫、極潔凈等極端條件作用下，種子內(nèi)在基因可能會發(fā)生變異?！安还苁呛教煊N，還是其他育種，歸根結(jié)底都是發(fā)現(xiàn)變異，然后利用變異的過程?！?/p>
千百年來，人類從吃飯到生產(chǎn)生活都要依賴植物，一直在尋找更優(yōu)良的作物品種?！坝N家”們從自然界收集具有優(yōu)異性狀的種質(zhì)資源，通過品種選育，讓滿足生產(chǎn)需求的性狀固定下來、傳播開去。但一代代的育種都只能在地面進行，直到現(xiàn)代航天科技發(fā)展起來，為誘發(fā)種子變異帶來了可能，也為獲得更豐富的種質(zhì)資源提供了可能。
不過很少有人知道，“航天育種”是我們國家航天技術(shù)在種業(yè)科技創(chuàng)新領(lǐng)域獨具特色的應(yīng)用。中國的航天育種相比較美國、俄羅斯這樣的航天大國，開展的研究范圍、應(yīng)用成果更加突出。
早在20世紀60年代，美國、蘇聯(lián)就認識到太空環(huán)境能夠誘發(fā)植物種子基因發(fā)生變異，開始探索空間條件下植物生長發(fā)育規(guī)律，目的是建造“會飛的農(nóng)場”，解決宇航員及未來地球星際移民在太空中長期生存和生活。美俄等國可耕土地多，農(nóng)作物產(chǎn)量大，服務(wù)地面育種的緊迫感并不強烈；中國則完全不同，人口眾多，耕地偏少，保障糧食安全的任務(wù)更加緊迫。端穩(wěn)“中國飯碗”，實現(xiàn)種業(yè)科技自立自強、種源自主可控，尤其需要更多更優(yōu)質(zhì)的種質(zhì)資源來解決現(xiàn)實問題。
“先天不足”更要“后天努力”。始于偶然的發(fā)現(xiàn)，便成為了特殊國情之下創(chuàng)新種質(zhì)資源、保障糧食安全的必然。
“上天”只是第一步，關(guān)鍵是“下地”后
種子跟隨航天器到太空遨游，回來就能變成優(yōu)良的“太空種子”嗎？這顯然是不可能的，也是不現(xiàn)實的。
“太空種子并不是簡單搭載出來的，而是在返回地球后，經(jīng)科研人員多代篩選、培育出來的?！眲浵榻忉尩溃鶕?jù)多次試驗的累計統(tǒng)計，送入太空停留數(shù)天的種子，基因突變雖然高于自然變異的水平，但平均也只有千分之幾的概率。而在這些變異種子中，朝著抗倒伏、抗病蟲害、早開花、早成熟和高產(chǎn)量等人們所期待的方向轉(zhuǎn)化的，更是少數(shù)。更多的則是某些重要基因被宇宙高能射線破壞掉，反倒使植物的活力降低了。“這些都是隨機發(fā)生的，不是人類所能主導的?！?/p>
上天只是走完“萬里長征一小步”，最繁重和最重要的工作是后續(xù)在地面完成的。以小麥為例，搭載回來的種子叫作“第一代種子”，要全部種下去。第一代植株有時會表現(xiàn)出一些生理變異性狀，但科研人員只是觀察記錄下來，不做任何篩選，因為第一代選擇誤差大。收獲的種子再種下去，長出來的叫第二代，這才開始選長得“好”的種子，例如篩選變矮稈的，以增強抗倒伏性能；篩選穗子變大的，以提高產(chǎn)量；篩選變早熟的，以提早收獲期等。變異是隨機的，但可以根據(jù)育種目標進行定向選擇。通過篩選，選擇出第三代具有性狀突變的植株，收獲種子繼續(xù)播種，目的是看這些突變性狀能否真正穩(wěn)定遺傳。經(jīng)過進一步篩選，再進行一定規(guī)模的群體比較試驗，還要拿到多個試驗點異地試種鑒定。經(jīng)過反復培育、層層篩選和驗證等科學研究，種子如果連續(xù)幾年都表現(xiàn)很好，產(chǎn)量和品質(zhì)超過對照品種，才可以申請國家或省級的品種審定。經(jīng)過審定認可的品種才能叫“太空種子”，并推向市場。
在劉錄祥看來，航天育種只是一種方法，回到地面后的選育方法與常規(guī)育種沒有太大區(qū)別?！坝N過程中最首要的工作是確定育種目標，要圍繞育種目標進行篩選，建立自己的體系。變異是隨機的，但選擇必須是定向的。比如說，要選擇抗旱節(jié)水的材料，就需要種植在限制灌水或干旱條件下篩選；要選擇抗白粉病、抗赤霉病、抗葉銹病的突變材料，就需要在接種這些病菌的條件下鑒定篩選；而選擇優(yōu)質(zhì)、營養(yǎng)多元的突變材料，則需要輔助品質(zhì)營養(yǎng)成分測試等?！?/p>
劉錄祥研究員田間調(diào)查太空小麥。（來源：中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所）
“不管是做哪種育種方法，下地是最基本的核心要素。下地次數(shù)及下地質(zhì)量與品種產(chǎn)出、品種成果質(zhì)量高度正相關(guān)?！眲浵檎f，“即便結(jié)合了分子標記輔助選擇的方法，最終能否選出品種，還是要靠育種家的眼睛在田間‘面試’。突變篩選有時就像海選演員一樣，海選幾率雖然不是很高，但如果能篩選到一些具有重要育種價值的突變基因，就有可能帶來育種工作的重大突破?！?/p>
為了觀察誘變后代的性狀變異，每天奔忙在試驗田與實驗室之間，是育種科研人員的工作常態(tài)。育種家往往要經(jīng)歷4到8年甚至更長時間，結(jié)合生物優(yōu)選方式，經(jīng)過多代篩選、淘汰、試種、審定，將誘變優(yōu)良的基因在常規(guī)種植中穩(wěn)定遺傳，每一個環(huán)節(jié)都要過關(guān)，最終才能獲得具有優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、早熟、多抗性等優(yōu)良性狀的新品種。
尋求更多種質(zhì)新材料，航天搭載從未中斷
設(shè)立在華南農(nóng)業(yè)大學的國家植物航天育種工程技術(shù)研究中心（以下簡稱“航天育種中心”）的試驗基地，一株株跟隨嫦娥五號“奔月”的水稻種子后代，這幾天再次進入分蘗期，長出了細小的稻葉。
2020年11月24日，40克約2500?！昂骄巯憬z苗”水稻種子搭乘嫦娥五號探測器升空，歷經(jīng)22天21時29分的飛行后，隨嫦娥五號返回器順利返回地球。與以往不同的是，此次搭載實現(xiàn)了水稻種子深空環(huán)境誘變育種的首次突破。這些種子內(nèi)含4萬個基因，通過定向跟蹤，發(fā)現(xiàn)可利用的優(yōu)良基因。
“現(xiàn)在是第四個世代的種植了?！焙教煊N中心主任郭濤告訴記者，“目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了在產(chǎn)量、品質(zhì)和抗病性上的一些特殊變異，共有近120個新材料。有一些重要的材料，我們正在進行比較試驗，預(yù)期可以很快形成一些品系?！?/p>
2021年3月29日，華南農(nóng)業(yè)大學國家植物航天育種工程技術(shù)研究中心王加峰博士為剛剛插秧太空稻的試驗田插上寫著“CE-5”的標識牌，這是嫦娥五號的拼音縮寫。當日，嫦娥五號搭載的太空稻種離開研究中心溫室，移栽到試驗田基地。新華社記者 劉大偉 攝
航天育種產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟秘書長、中國空間技術(shù)研究院原航天生物總工程師趙輝介紹說，“自1987年以來，每一次返回式衛(wèi)星發(fā)射都搭載了種子。載人航天工程實施以來，在神舟飛船、天宮實驗室、天舟飛船、空間站天和核心艙、問天實驗艙等每一次飛行任務(wù)中都安排了航天育種搭載實驗項目，至今已經(jīng)完成40多次航天育種搭載實驗，是世界上唯一持續(xù)借助航天技術(shù)開展育種研發(fā)的國家，取得的科研成果和應(yīng)用效果也是最為顯著的。”
值得一提的是，2006年9月9日，中國首顆、也是全球第一顆專門用于航天育種研究的返回式衛(wèi)星“實踐八號”被發(fā)射上天。這顆“史無前例”的衛(wèi)星，一次搭載了糧棉油菜果花等9大類2000余份、約208千克的種子，包括水稻、麥類、玉米、棉麻、油料、蔬菜、林果花卉和微生物菌種等152個物種，在太空飛行15天后順利返回地面。由劉錄祥領(lǐng)銜的這項工程，還在衛(wèi)星上裝載了多項空間環(huán)境探測裝置，用于探測空間環(huán)境輻射、微重力和地磁場等環(huán)境要素，開展空間環(huán)境要素誘變育種的對比研究。
這次“專乘”堪稱我國航天育種領(lǐng)域的里程碑式事件。除此之外，航天育種更多時候只能“搭乘”?！懊看未钶d利用的是載荷余量。”趙輝解釋說，“發(fā)射航天器時，要求質(zhì)心垂直，為解決這個問題，需要在航天器里加上配重。如果把配重替換，放入同樣重量和比重、并且還有用途的東西，比如實驗裝置，就能實現(xiàn)空間資源的充分利用?！?/p>
劉錄祥（右二）和工作人員在實踐八號育種衛(wèi)星發(fā)射前完成載荷安裝。（來源：中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所）
由于航天系統(tǒng)工程復雜程度高、技術(shù)跨度大，每一點荷載容量都彌足珍貴。“資源有限”的情況下，可以跟隨航天器進行“太空旅行”的種子需要經(jīng)過“千挑萬選”，把具有明確研究目的和育種方向、具有重要研究和應(yīng)用價值，真正能夠代表同類植物“最先進、最優(yōu)秀、最強大”性能的種子找出來。這就好比要組織運動員去參賽，總得把體能最好、體質(zhì)最強、訓練最多的運動員選出來。因此，帶上太空的種子，必須是遺傳性穩(wěn)定、活性好、綜合性狀優(yōu)異的種子。
也有人質(zhì)疑，性能優(yōu)異的種子就算不上天，選育出的后代也不會差，而且與太空誘變相比，在地面人工誘變環(huán)境下，輻射、氣壓、磁場等可以做得更可控，航天搭載有必要嗎？
上世紀八九十年代開始，各種地面誘變試驗相繼開展。通過“微重力實驗室”“零磁空間實驗室”“伽馬射線”“高空氣球”等手段，加強各種“非正常因素”對種子細胞和基因的影響，促發(fā)更頻繁、更深刻的變異。劉錄祥說，航天搭載的實驗機會畢竟有限，為實現(xiàn)一年多次實驗，育種家會選擇在地面利用高能加速器模擬宇宙粒子等輻射技術(shù)開展種子誘變工作?！斑@樣我們做實驗的機會更多，處理的種子量可以更大，有機會不斷改進。”
“空間誘變和地面人工誘變互為補充，各有優(yōu)勢。”趙輝說，太空環(huán)境是地面無法模擬的，也是難以長久保持的。研究表明，航天誘變的成活率比地面輻射誘變高很多，一般能達到90％以上?！芭c傳統(tǒng)地面誘變育種相比，航天誘變具有變異率高、變異幅度大、有益變異多、穩(wěn)定性能強等特點，能夠極大豐富育種材料?！?/p>
航天育種逐步多元化，農(nóng)產(chǎn)品早已走上餐桌
提起“航天育種”，許多人的印象是果實個頭超大，茄子像南瓜、南瓜磨盤大、豆角幾尺長、甜椒大如梨。
“航天育種走過35年，一大批新品種早已走進市場、走上餐桌，服務(wù)著人們的生活。”趙輝笑說，“但同時，多數(shù)航天品種在外觀上并沒有那么夸張?！?/p>
自1987年以來，我國先后利用各類航天器，搭載植物種子、菌種、試管苗等4000余種，培育的小麥、水稻、玉米、大豆、棉花和番茄、辣椒等園藝作物新品種，經(jīng)過國審和省審的航天育種新品種超過200個，累計種植面積1.5億畝，產(chǎn)業(yè)化推廣創(chuàng)造經(jīng)濟效益2000億元以上。在牧草、林木、花卉等領(lǐng)域也有一定規(guī)模推廣應(yīng)用，還獲得了一些對產(chǎn)量、品質(zhì)有突破性影響的材料。
從糧食作物、到蔬菜水果、再到花卉牧草等，航天育種方向越來越多元化，在關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)、重要種質(zhì)創(chuàng)新、品種選育及成果產(chǎn)業(yè)化方面取得諸多成果，為攥緊“中國種子”、端穩(wěn)“中國飯碗”貢獻著力量。
福建省農(nóng)業(yè)科學院謝華安院士團隊利用航天誘變育種技術(shù)創(chuàng)制出航1號、福恢673等一系列強優(yōu)恢復系，進一步與雜種優(yōu)勢利用技術(shù)相結(jié)合，培育出特優(yōu)航1號、Ⅱ優(yōu)航1號、宜優(yōu)673等十幾個高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)超級稻和再生稻品種。再生稻最高畝產(chǎn)超過1400公斤，累計推廣應(yīng)用3000多萬畝，獲福建省科學技術(shù)進步一等獎2項。
Ⅱ優(yōu)航1號。（來源：中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所）
目前我國航天育種單個品種推廣面積最大的小麥品種，是劉錄祥團隊和山東農(nóng)科院李新華團隊合作育出的魯原502。它是利用航天突變系“9940168”和“濟麥19”進行常規(guī)雜交后，系統(tǒng)選育出的高產(chǎn)小麥新品種。由于具備優(yōu)秀的高產(chǎn)性、穩(wěn)產(chǎn)性和廣適性，2018年當年推廣應(yīng)用面積超過2000萬畝，成為我國第二大主推小麥品種，增產(chǎn)效果顯著，也因此獲得2019年國家科技進步二等獎。截至目前，“魯原502”累計推廣面積超1億畝。
魯原502太空小麥。（來源：中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所）
此外，利用航天誘變育種技術(shù)培育的牧草、花卉、林木、微生物等不同領(lǐng)域，都有成功的品種問世。
“中天1號”紫花苜蓿是以2002年“神舟3號飛船”搭載的紫花苜蓿種子為基礎(chǔ)材料選育而成，2018年通過國審，登記為牧草育成品種。“‘中天1號’營養(yǎng)物質(zhì)和產(chǎn)草量都很高，葉片以5葉為主，品種多葉率達35.9％，而國外引進的主要多葉品種的平均值僅為6.31％。干草產(chǎn)量平均為每畝1035.33公斤，比對照組平均高產(chǎn)12.8％，國家區(qū)域試驗最高干草產(chǎn)量達每畝1789.9公斤?！闭劦健爸刑臁毕盗?，中國農(nóng)科院蘭州畜牧與獸藥研究所抗逆牧草育種與利用團隊首席科學家楊紅善很是自豪，“‘中天2號’‘中天3號’苜蓿和‘中天4號’燕麥，都相繼通過了國家或地方品種審定登記，在牧草的品質(zhì)、產(chǎn)量以及抗性等方面各有側(cè)重，都有不俗表現(xiàn)。如‘中天2號’在多葉率、干草產(chǎn)量和粗蛋白質(zhì)含量等指標上，相對‘中天1號’又進一步提高了，在形成苜蓿產(chǎn)業(yè)化方面具有品種資源優(yōu)勢，推廣應(yīng)用前景廣闊。”
楊紅善介紹說，團隊牧草航天育種研究，至目前已經(jīng)先后通過不同太空飛行器10次搭載了10類80份主要的草類植物種子進行航天誘變，其中神舟11號飛船上搭載的紫花苜蓿試管苗實驗獲得成功。
航天育種搭載試驗仍在繼續(xù)，對于新材料、新種質(zhì)的探索也在持續(xù)進行中……
今年5月份，神舟十二、十三號航天育種實驗項目清單公布。88家單位的上千件（份）作物種子、微生物菌種等航天育種實驗材料可謂豐富多樣。其中有不少搭載實驗材料在軌駐留六個月以上，時間最長達326天，是我國航天器搭載實驗在軌時間最長的一個批次，相關(guān)搭載單位和專家期待后續(xù)能有新的發(fā)現(xiàn)。
6月5日，搭載神舟十四上天的種子，除了主糧作物種子外，還有新疆的蘇丹草、駱駝刺、伊犁絹蒿和駝絨藜等牧草種子，福建的福鼎白茶、福州龍巖的杉木和米老排種子，湖南的辣椒種子，黑龍江的甜菜、蔓越莓種子等，這些實驗材料涵蓋諸多學科和領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究、種質(zhì)資源創(chuàng)制、新品種選育。
“就藥用植物來說，神舟十三號帶回了云木香、鐵皮石斛、天麻、薏苡仁等10種云南特色中藥材種子，重量是61.8克?！痹颇鲜∞r(nóng)業(yè)科學院藥用植物研究所所長李榮福告訴記者，下一步將對搭載返回的種子進行生活力測定，選留部分種子保存在低溫庫中進行長期貯藏，其余種子按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范進行育苗和大田栽培。
中國空間站時代，為航天育種開辟新領(lǐng)域
就在一個月前，問天實驗艙成功與天和核心艙交會對接。這次，問天實驗艙裝載了生命生態(tài)實驗柜，開展擬南芥和水稻在太空“從種子到種子”（在太空發(fā)芽、開花、結(jié)實）全生命周期實驗。目前擬南芥和水稻種子均已長出幼苗。
這是“太空同款”水稻培養(yǎng)單元中水稻生長的稻穗。 新華社記者 張建松 攝
實際上，此前我國已開始著手研究地面高等植物在空間環(huán)境下的生長發(fā)育。在“天宮二號”實驗室中，航天員成功種出了綠油油的生菜；10株番茄苗隨神舟八號上天，17天后返回地面，科研人員驚奇地發(fā)現(xiàn)，番茄苗都是活的，有8棵已經(jīng)開花結(jié)果，而且有的已經(jīng)轉(zhuǎn)紅接近成熟。
據(jù)了解，過去60余年中，國外科學家對于在空間種植和栽培植物進行了大量研究，研究重點逐漸從植物幼苗階段擴展至種子生產(chǎn)研究。然而截至目前，只有油菜、小麥、豌豆等少數(shù)幾種作物在空間完成了“從種子到種子”的實驗。
中油5628太空油菜。（來源：中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所）
劉錄祥表示，“會飛的農(nóng)場”“在火星種土豆”與航天育種是兩個不同的目標和方向。航天育種致力于服務(wù)地面人類，培養(yǎng)產(chǎn)量更高、質(zhì)量更優(yōu)、抗逆性更強的作物品種；而“在火星種土豆”則是為人類逐夢深空提供空間生命支持系統(tǒng)，搶占未來太空長期居留和科技生活制高點。
當航天員需要在太空長期工作生活時，甚至進行奔向月球、火星等深空探索時，生活問題將如何解決？當人類最終需要向外星球移民，或者在月球、火星上建立用于科學研究等永久基地時，如何解決植物生長和農(nóng)作物自給問題？這些指向人類未來的問題，都對農(nóng)業(yè)育種研究提出了新課題和挑戰(zhàn)。
但現(xiàn)階段，航天育種的主要任務(wù)仍然是著眼國家糧食安全，打破育種瓶頸。種子是農(nóng)業(yè)的“芯片”，種質(zhì)資源已經(jīng)成為重要的戰(zhàn)略資源，航天育種是發(fā)掘優(yōu)異種質(zhì)資源的新途徑，一旦成功，不僅可以為糧食安全再加一層保障，也能極大程度創(chuàng)造出社會效益。
隨著我國空間站時代的到來，航天育種將開辟一個連接太空和地面、未來與現(xiàn)實的全新領(lǐng)域，定期的發(fā)射和返回、艙內(nèi)外的空間誘變環(huán)境、更多的重要載荷，必將為育種研究提供更加豐富的航天資源和保障，必將創(chuàng)制出更多的新材料、新種質(zhì)、新資源，從而為我國解決種源“卡脖子”問題，實現(xiàn)種業(yè)科技自立自強、種源自主可控，更好地發(fā)揮作用。
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