一粒种子的太空旅行 — — 揭秘航天育种(上篇)

 

航天这一最先进的技术领域和农业这一最古老的传统产业相遇,会碰撞出怎样的火花?从1987年第一批农作物种子被送上太空,到“神十”搭载人参、福建名茶种子,中国的航天育种已经走过了近30年的历程,返回式航天器“载种”的历史比“载人”历史更为悠久,成为优质的“空中育种基地”。

  一粒普通的农作物种子,经过卫星、飞船的搭载,通过特殊的太空环境使自身基因产生变异,其中一些有幸成为万众瞩目的“航天明星”。那么究竟什么样的种子有资格飞向太空?它们在太空中会有怎样的旅程?本期《前沿》将为您揭开航天育种的神秘面纱。

 


      什么是航天育种?航天育种也称为空间技术育种或太空育种,是一种诱变育种。普通作物种子通过搭载返回式航天器,在宇宙空间中经过高能粒子辐射、高真空、微重力等多种因素作用,使作物自身基因产生变异。返回地面后再根据需要进行常规选育,从而培育出一种优于原有品种特性的新品种或新品系。您可能见过重达200公斤的航天“巨无霸”南瓜,对它的个头和产量感到不可思议;您可能赏过多蕊色深的太空金盏菊,对它长达9个月的花期啧啧称奇;您可能吃过皮薄肉厚的航天西瓜,对它的酥脆爽口惊叹不已。

  航天育种,将古老的农业与先进的航天技术连接在一起,给育种蒙上了一层神秘面纱。与常规育种相比,航天育种有什么不同?一粒普通种子,怎样演变成“太空种子”?

  带着这些问题,记者分别探访了甘肃省航天育种工程技术研究中心和北京神舟绿鹏农业科技有限公司,揭开航天育种背后的秘密。



为啥要让种子“上天”?自然条件下,种子基因突变概率在百万分之一以下,经过太空环境影响可达到千分之五;而且太空种子成活率比人工诱变高得多。与常规育种方式相比,航天育种听上去似乎难以企及,然而北京神舟绿鹏农业科技有限公司董事长赵辉告诉记者:“航天育种其实跟常规育种没有本质区别,它只是在常规育种的层面增加了让种子材料上天的过程,通过宇宙射线、超真空、微重力等特殊的太空环境促进种子发生基因突变,使农作物种子有益变异率高,育种期限缩短,育种材料更为丰富。”

  那么,为什么要发展航天育种技术?这一技术相较于其他育种方式有什么优点?该公司产品经理杨硕认为,与常规育种相比,航天育种只是诱变的手段不同。自然条件下,随着环境的改变种子也会发生基因突变,环境会筛选出适应性更强的基因。但是这个过程是缓慢而又被动的,而且变异率极低。通过有意识把种子送上天的方式,因为太空环境的诱变,基因的有益变异率大大增加,基因选育就会更为主动。


 

 “人们在自然环境中发现了突变材料,有一些好的性状,比如产品器官变大、口味变好等,就从野生环境把它挖回来,进行人工种植,这是自然选择,概率通常在百万分之一以下。为什么‘一上天就好了’,我们也在研究其中的原理。但是事实证明,上过天的种子诱变率高,一般能达到千分之五。”杨硕说。

  受航天育种的启发,科研人员也试图通过控制地面现有的辐照条件增加种子的基因突变率。但是人工诱变的致死率高,应用效果差,最终种子的存活率比航天育种低得多,赵辉这样解释其中的原因:“地面辐照采用伽马射线,更多作用于种子表面,剂量不好控制,致死的概率高。而在太空,各种辐照、射线都有,更多的是粒子辐射,穿透力很强,一般太空种子的成活率能够达到90%以上。”

哪些种子有机会飞上太空?  “太空种子”必须选择具有稳定遗传性状的纯系自交种;品种上,一般选择市场需求大但生产上存在一定问题的种质材料。 日常在市场上流通的种子能被选入太空吗?杨硕告诉记者:“通常是科研院所收集和积累的一些精品材料,并不是在市场上流通的种子。”

  究竟什么样的种子能够通过筛选,获得成为“太空种子”的机会呢?据了解,只有具有稳定遗传性状的纯系自交种才能被搭载上天,杂交种子由于发生性状改变的原因比较难以解释一般不能上天。

  天水神舟绿鹏农业科技有限公司是国内较早开展航天育种的企业之一。从2002年开始,公司已进行航天搭载种子11次,包括蔬菜、牧草、中药材、小麦玉米等999个品系。2001年,由天水市政府牵头,公司与中国科学院遗传与发育生物学研究所、中国空间技术研究院合作,在天水建立了中国西部航天育种基地。2007年三方又联合成立了甘肃省航天育种工程技术研究中心。



甘肃省航天育种工程技术研究中心副主任、天水神舟绿鹏农业科技有限公司副总经理高彦辉说:“在搭载种子的选择上我们有一套严格的标准,必须要选择纯系自交种。如果再严格一点,需要选取同一株系上的种子,以最大限度保证种子是纯的自交种,避免机械混杂。”

  我国农作物品种繁多,航天育种一般会选择什么样的品种呢?杨硕这样总结:“市场需求决定航天育种。我们一般输送国家科研项目重视的品种或公司发展目标规划的品种,在市场上有很大的需求但是生产上还存在一定问题的种质材料,比如通过航天搭载解决国内番茄品种抗病性差的问题。”

  而高彦辉告诉记者:”在品种上,我们主要选择农业生产非常普遍的品种或地方特色优势品种来搭载。”



“上天”之后会有什么变化?种子经过空间诱变后变成什么样子无法预料,没有规律可循,甚至同一粒种子前后两次搭载其变异过程都不相同。高彦辉告诉记者,通过航天搭载后的种子,诱变后会出现多种不同特点的突变体,每一粒种子都会呈现出不同的特性,没有方向性,不会重复,没有规律可循,甚至同一粒种子前后两次搭载其变异过程都不同。“种子经过空间诱变后,具体能变异多少,变成什么样子,无法预料。”

  因为航天育种这种不可琢磨、无法掌控的多变特征,极大地丰富了种质资源,缩短了种子选育周期,提高了后期配置杂交种的育成机率,为农作物新品种的选育开辟了一条高效途径。



也因为空间诱变效果的不可掌控,其中一些变异是不符合育种目标的。“不是上过天的种子都能叫航天种子,不符合育种目标的种子就会被剔除掉,这个概率通常高达97%到99%。”杨硕说。 她指着育苗工厂里的一垄萝卜告诉记者:“这是‘神十’搭载的萝卜种子,要通过种植筛选出符合育种目标的种子,已经筛过一遍了,目前在做第二代筛选。第一遍会把果实变小、畸形的、抗病性差的剔除掉。第二代选择出符合育种目标,果型好、品质性状好、产量高的萝卜,通过处理以后开花、采种,然后再种下去,到三代五代之后性状表现比较稳定的,才能证明在遗传上已经发生了有利的突变。有一些种子上天以后并没有真正发生基因上的改变,只是环境修饰造成的一些外观改变。”

我国航天育种发展历程:1987年8月5日,随着我国第九颗返回式科学试验卫星的成功发射,一批水稻和青椒等农作物种子被送向太空,这是我国农作物种子的首次太空之旅。 2003年4月,经国务院批准,国家发改委、财政部、国防科工委批复了农业部、中国航天科技集团联合编制的航天育种工程项目可行性研究报告,航天育种工程项目正式启动。

  2006年9月,“实践八号”育种卫星在酒泉卫星发射中心成功发射,这是我国第一颗专门用于航天育种的卫星。卫星上装载了粮、棉、油、蔬菜、林果花卉等9大类2000余份约215公斤农作物种子和菌种,搭载数量和种类是我国自1987年开展航天育种研究以来规模最大的一次。

截至目前,我国共进行了24次航天育种搭载试验,试验品种达1200多种,利用航天育种技术先后培育出水稻、小麦、玉米、大豆油菜棉花花生、芝麻、番茄、青椒、苜蓿等多种作物新品种。


国外航天育种情况

  二十世纪60年代初,前苏联及美国的科学家开始将植物种子搭载卫星上天,在返回地面的种子中发现其染色体畸变频率有较大幅度的增加。

  二十世纪80年代中期,美国将番茄种子送上太空,在地面试验中也获得了变异的番茄,种子后代无毒,可以食用。



1996年至1999年,俄罗斯等国在“和平号”空间站成功种植小麦、白菜和油菜等植物。目前国外搭载的植物种子主要用于分析空间环境对于宇航员的安全性;使宇宙飞船成为“会飞的农场”,解决宇航员的食品自给问题。

航天育种:太空选宠儿


  真是魔鬼般的葫芦,长达2米多,粗得一个人都抱不住,在甘肃天水农业高新技术示范园区里,当游客来到特形葫芦长廊下的时候,不得不发出如此感慨。该园区建立起第一个西部航天育种基地后,已有多个优良品种先后经航天搭载选育,并获得成功。除此之外,您还可以在园区看到,重达4千克多的青茄,份量足和一个西瓜相当;豇豆长达1.2米,直径1厘米,亩产达到3 357千克;航椒1号每100克维生素C含量高达234毫克,为国内之最。

  毫无疑问,这些都是农作物航天育种的成果。农作物航天育种的基本原理是利用返回式卫星、飞船、高空气球等将植物种子或植物体带到宇宙空间,在强辐射、微重力、高真空、交变磁场等太空诱变因子的作用下,生物染色体很容易受到外界因素的冲击,引起基因变异,导致表型发生改变,产生新的遗传变异,返回后再经地面选育,培养出高产、优质的生物新品种、新品系的育种新技术。


航天育种原理示意图

  从1960年开始,人类就开始利用卫星搭载生物,研究太空因素对其生长发育和遗传变异方面的影响。1973年,有关学者利用“礼炮号”空间站研究空间因素对绿藻遗传性状的影响,发现绿藻可变性大大提高。20世纪60年代初,苏联和美国科学家开始将植物种子搭载卫星上天,在返回地面的种子中发现其染色体畸变频率有较大幅度的提高。20世纪80年代中期,美国将番茄种子送上太空,在地面试验中获得了优质的番茄。1987年8月5日,在我国发射第9颗返回式卫星时,将辣椒、小麦、水稻等一批种子搭载升空,开始了我国太空育种的有益尝试。这项研究无疑为农业增产带来了福音。


与普通青椒相比,太空青椒显然称得上庞然大物

  生物体或生物组织经过空间诱变以后,突变率大大提高,其变异量高出地面现有手段几个数量级,有数据为证:地面植物变异量为20万~200万分之一,而空间变异量是千分之几甚至有的达到百分之几。不仅如此,通过大量的试验表明,与常规诱变相比,航天诱变育种还具有变异幅度大、有益变异多、变异稳定快等诸多优点。变异性状主要表现为:株形变异、穗形变异、分蘖变异,果形、粒形变异,营养成份变异,抗病、抗旱能力变异等。


亮相蔬菜市场的太空南瓜

  种子上了天,就一定会育成优良的品种吗?答案当然不是了。因为经过太空“点化”的种子,好的变异和坏的变异同时存在,即使出现优异突变,也不可能即刻就能稳定遗传。想分清楚哪些是我们需要的,就必须先把它们播种下去,连续繁育三四代,才有可能获得遗传性状稳定的优良突变系。每拨种子都要经过连续几年的筛选鉴定,其中的优系再经过考验和权威部门的审定才能称其为真正的“太空种子”。


我国通过太空搭载试验培育出的新品种在产量和产值上都有了很大突破,有些产品已经初具产业化规模

  这些太空归来的宠儿,它们的后代大多都会发生遗传性基因突变。一听到基因变化,人们未免有点疑虑,既然转基因食品的安全性尚无定论,那么太空产品会不会同样有安全上的隐患呢?答案就是太空产品很安全,因为航天诱变育种不是转基因育种,它没有外源基因的引入,而是利用太空的物理条件作为诱变因子,使植物产生基因突变,这是常规育种的一个技术途径。这种变异和自然界植物的自然变异一样,只是时间快了点,频率高了点而已。


航椒3号辣椒是利用甘肃省地方品种搭载神舟三号飞船后选育出的一个早熟、丰产、维生素C含量高的新品种

  到目前为止,我国利用返回式卫星、神舟飞船和高空气球先后进行了20多次作物种子等生物材料的空间搭载试验,特别是863计划实施以来,我国航天育种关键技术研究取得显著进展,在水稻、小麦、棉花、番茄、青椒和芝麻等作用上,诱变培育出一系列高产、优质、多抗的农作物新品种、新品系和新种质,多个品种已通过国家或省级审定,并从中获得了一些可能对农作物产量和品质产生重要影响的罕见突变材料。

  2006年9月24日,还专门发射了用于作物育种的“实践八号”航天育种卫星,装载了包括152种植物、微生物和动物等2 020份生物品种材料。

  航天育种是航天技术和育种技术结合的产物,其目的是培育产量高、质量好的农作物新品种。我们已经付出了巨大的劳动,取得了可喜的成绩,让我们的育种专家、遗传专家、航天专家大力协同,付出更大的努力,为祖国的农业现代化,产业结构调整,拓宽就业渠道做出自己的贡献。

摘自https://mp.weixin.qq.com/s/4UdZTWPtfPgI09rtw2LdIQ