航天育種也稱空間誘變育種、太空育種，是指利用返回式航天器和地面模擬空間環(huán)境裝置，通過空間環(huán)境對(duì)植物發(fā)生誘變作用，致使種子產(chǎn)生變異，再通過嚴(yán)格的地面選育過程，獲得優(yōu)良的農(nóng)作物品種。
今年，中國(guó)航天育種正迎來(lái)一個(gè)高潮。隨著天宮一號(hào)升空，神舟八號(hào)攜帶的育種誘變裝置將與其交會(huì)對(duì)接，由此開啟我國(guó)空間誘變育種實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的序幕。
上海世博會(huì)上小朋友在太空家園館太空育種廳內(nèi)觀看太空“花”開。背景為太空育種培育出來(lái)的“鮮花”。新華社記者 何俊昌攝
新華社記者 徐壯志 崔 瑩編制
本報(bào)記者 朱廣清
11月1日黎明，執(zhí)行我國(guó)首次空間交會(huì)對(duì)接任務(wù)的神舟八號(hào)飛船順利升空。“神八”此次對(duì)接的，是我國(guó)首個(gè)太空育種平臺(tái)——天宮一號(hào)。
農(nóng)作物種子，作為我國(guó)探索太空的神秘訪客之一，均出現(xiàn)在歷次神舟系列飛船的搭載任務(wù)中。
在傳統(tǒng)育種遺傳資源尚顯不足且育種方法相對(duì)單一的情況下，航天育種已然成為保障國(guó)家糧食安全的一項(xiàng)重要戰(zhàn)略選擇。
航天育種的誘變機(jī)理是什么？地面模擬因何無(wú)法取代？現(xiàn)代分子生物學(xué)手段在哪些方面無(wú)法企及？迄今為止，科學(xué)家對(duì)空間誘變機(jī)理尚不完全清楚。
“神八”發(fā)射升空后，將搭載誘變裝置對(duì)接天宮一號(hào)，驗(yàn)證科學(xué)家們的種種猜想。
空間誘變玄機(jī)幾重
一種楊樹樹種經(jīng)搭載誘變，返回后又經(jīng)地面培育，顯現(xiàn)出優(yōu)良的抗鹽堿性能。由此科學(xué)家們猜想，其誘變機(jī)理有可能是太空環(huán)境對(duì)該樹種的細(xì)胞膜蛋白通道產(chǎn)生了影響，致其不再吸收鈉離子。
這是空間誘變育種的一個(gè)典型例子——“意外”獲得某種需要的性狀，也不排除相反性狀的出現(xiàn)。然而令科學(xué)家感到困惑的是，無(wú)論結(jié)果好與壞，這種誘變機(jī)理依然充滿神秘。
以往，通過航天器搭載升空的作物種子，經(jīng)地面培育后，會(huì)顯現(xiàn)出不同的性狀：有的變大，有的變小，有的甚至變化為“零”。
在中國(guó)空間技術(shù)研究院航天育種專家龐欣博士看來(lái)，“誘變率一般為百分之幾甚至千分之幾，其中有益的基因變異僅為千分之三左右”。
在空間誘變機(jī)理研究方面，我國(guó)科學(xué)家進(jìn)行了大量的研究工作。有專家認(rèn)為，空間環(huán)境可引起生物基因組DNA堿基變異，造成DNA斷裂和重組，因此誘發(fā)變異。
在前不久舉行的“2011年航天工程育種論壇”上，中俄航天搭載項(xiàng)目中方首席科學(xué)家劉敏則強(qiáng)調(diào)，導(dǎo)致種子誘變的原因可能與植物基因組中的轉(zhuǎn)座子有關(guān)。轉(zhuǎn)座子是一種可移動(dòng)的遺傳因子。
“空間環(huán)境中什么因素可激活轉(zhuǎn)座子，哪些部位的轉(zhuǎn)座子易被激活，這些問題還有待探索。”劉敏在接受本報(bào)記者采訪時(shí)說。
雖然空間誘變存在諸多未解之謎，但其在育種方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)仍無(wú)法被取代。
空間搭載實(shí)驗(yàn)表明，其對(duì)種子基因的誘變率5倍于地面變異。這也意味著，地面模擬只能滿足空間誘變條件的一部分而已。
“高度500千米以下的近地空間區(qū)域，是航天育種的重要活動(dòng)區(qū)域。”中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)系主任于福同對(duì)本報(bào)記者表示。
中國(guó)空間技術(shù)研究院研究員蔡震波在前述會(huì)議上指出，此區(qū)域存在與地球環(huán)境具有較大差異的環(huán)境要素，其中，真空、地球磁場(chǎng)、粒子輻射、微重力是航天育種可利用的關(guān)鍵的空間環(huán)境資源。
在接受本報(bào)記者采訪時(shí)，蔡震波強(qiáng)調(diào)，充分了解近地空間環(huán)境組成、分布、強(qiáng)度等基本特征，有助于掌握空間環(huán)境誘發(fā)生物種子變異的機(jī)理與規(guī)律，建立生物種子變異與空間環(huán)境之間的關(guān)聯(lián)性。
航天育種“三部曲”
有別于返回式衛(wèi)星和宇宙飛船搭載——由于空間環(huán)境千變?nèi)f化，因而每一次太空旅行都帶有“隨機(jī)性”，這使得重復(fù)實(shí)驗(yàn)受到局限。
此次“神八”與“天宮”交會(huì)對(duì)接并建立空間實(shí)驗(yàn)室，將為我國(guó)航天育種提供長(zhǎng)期的空間環(huán)境與穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，從而獲得空間誘變的精確數(shù)據(jù)。
在國(guó)家航天育種工程項(xiàng)目首席專家劉錄祥向本報(bào)記者描述的航天育種“路線圖”中，航天育種被分為搭載、進(jìn)宮、外掛“三部曲”。
“無(wú)論是放置在艙內(nèi)還是置于空間實(shí)驗(yàn)站的種子，畢竟（被）屏蔽了很多宇宙粒子，但可以期待在不遠(yuǎn)的將來(lái)，把種子掛在空間站外面充分接受宇宙線照射將會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。”劉錄祥說。
據(jù)介紹，早在1987年8月5日，中國(guó)航天科技集團(tuán)公司空間技術(shù)研究院利用第9顆返回式衛(wèi)星，首次成功地進(jìn)行了農(nóng)作物種子的太空搭載試驗(yàn)。
2006年9月9日至24日，我國(guó)首顆專門用于航天育種研究的返回式科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星實(shí)踐八號(hào)，搭載我國(guó)與國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)以及澳大利亞、韓國(guó)的種子，成功地進(jìn)行了太空遨游。
實(shí)踐八號(hào)農(nóng)業(yè)育種衛(wèi)星的發(fā)射，凝聚了我國(guó)科學(xué)家十幾年的科學(xué)論證與研究積累，也是國(guó)家正式立項(xiàng)的重大科技項(xiàng)目。“這標(biāo)志著中國(guó)育種衛(wèi)星科學(xué)實(shí)驗(yàn)的正式開始，也預(yù)示著我國(guó)航天育種研究進(jìn)入一個(gè)飛速發(fā)展的時(shí)代。”追憶中國(guó)航天育種歷史，劉錄祥無(wú)限感慨。
迄今，我國(guó)已先后利用15顆返回式衛(wèi)星和７艘神舟飛船，搭載了上千種作物種子、試管苗、生物菌種與材料，獲得了大量產(chǎn)生變異的新性狀品種。
目前，我國(guó)擁有經(jīng)過太空搭載的農(nóng)作物共計(jì)9大類393個(gè)品系，育成并通過國(guó)家或省級(jí)鑒定的新品種達(dá)70多個(gè)。
40年前的1971年1月31日，美國(guó)宇宙飛船阿波羅14號(hào)飛往月球。曾為森林護(hù)林人的宇航員斯圖爾特·羅塞，在這次太空旅行時(shí)隨身帶去許多樹種。
阿波羅14號(hào)返回地球后，環(huán)繞月球接受高能粒子輻射的樹種，被陸續(xù)分發(fā)到美國(guó)60多個(gè)地方種植。后來(lái)，人們稱這些由太空種子長(zhǎng)成的樹木為“月亮樹”。
今天，在世界范圍內(nèi)，太空育種甚至成為一種超出科技比拼的時(shí)尚。
據(jù)介紹，一直以來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家基于雄厚的農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)和較為先進(jìn)的育種技術(shù)，其太空育種的主要搭載對(duì)象為香料與能源經(jīng)濟(jì)作物種子，而非糧食作物種子。同時(shí)，這些國(guó)家還為空間站選育出適合太空生長(zhǎng)的蔬菜、花卉等。
既往，美國(guó)、蘇聯(lián)和芬蘭等國(guó)家曾先后開展航天育種實(shí)驗(yàn)。其中，美國(guó)搭載的是玫瑰，旨在選育玫瑰高油新品種；蘇聯(lián)曾搭載過棉花和樅樹，如今這些作物與植物已在哈薩克斯坦大面積種植；芬蘭搭載的木薯今已成為高產(chǎn)能源植物。
如今，俄羅斯培育的太空棉花新品種，不僅棉絨長(zhǎng)、斷裂強(qiáng)度大，而且產(chǎn)絨率高，極大地促進(jìn)了其棉花生產(chǎn)；加拿大科學(xué)家獲該國(guó)航空局支持，已將其主要木材品種白云杉納入航天工程育種項(xiàng)目……
這一幅幅神奇的圖景，在航天搭載項(xiàng)目科學(xué)家劉敏眼中，恰恰標(biāo)志著“一個(gè)航天育種實(shí)驗(yàn)方興未艾的時(shí)代的來(lái)臨” 。
未來(lái)搭載條件充沛
我國(guó)是世界上繼蘇聯(lián)和美國(guó)之后第三個(gè)掌握衛(wèi)星回收技術(shù)的國(guó)家，衛(wèi)星回收成功率達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，這為我國(guó)航天工程育種奠定了基礎(chǔ)。
中國(guó)工程院院士、中國(guó)空間技術(shù)研究院技術(shù)顧問、神舟五號(hào)載人飛船總設(shè)計(jì)師戚發(fā)軔日前在接受本報(bào)記者采訪時(shí)表示，隨著我國(guó)空間站逐步建成，航天工程育種將擁有更多搭載機(jī)會(huì)，這為我國(guó)航天工程育種機(jī)理研究與應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)建設(shè)創(chuàng)造了條件。
戚發(fā)軔呼吁，應(yīng)將航天工程育種納入載人航天及空間站計(jì)劃，利用空間搭載實(shí)驗(yàn)之機(jī)，搭建一個(gè)長(zhǎng)期的科學(xué)試驗(yàn)平臺(tái)，并形成長(zhǎng)效機(jī)制。
2010年，戚發(fā)軔與十幾位航天和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的知名院士、專家聯(lián)名上書國(guó)務(wù)院，建議大力發(fā)展航天工程育種技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，中央領(lǐng)導(dǎo)為此專門作出批示。
今年年初，航天工程育種技術(shù)及產(chǎn)業(yè)被納入我國(guó)“十二五”戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃。國(guó)家相關(guān)支持政策紛紛出臺(tái)，核心內(nèi)容為加強(qiáng)航天工程育種技術(shù)研發(fā)并推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程；形成空間搭載長(zhǎng)效機(jī)制；推進(jìn)航天育種服務(wù)現(xiàn)代農(nóng)作物種業(yè)體系。
1987年，在“863”計(jì)劃航天項(xiàng)目支持下，我國(guó)利用兩顆返回式衛(wèi)星搭載了30多種植物種子、無(wú)性繁殖材料等生物樣品。
1988年，經(jīng)“863”計(jì)劃航天領(lǐng)域空間科學(xué)有關(guān)專家提議，我國(guó)設(shè)立了“空間條件下植物突變類型研究”的專門課題，組織有關(guān)專家探討空間環(huán)境誘導(dǎo)突變的可能性及應(yīng)用前景，并在空間搭載多種種子，且返回地面后進(jìn)行種植、選擇，從此開始了我國(guó)航天育種的研究歷程。
2008年，科技部將航天工程育種列為國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃——空間環(huán)境農(nóng)業(yè)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究與示范。
目前，我國(guó)航天育種選育的作物品種涉及糧食作物、蔬菜、花卉、林木、經(jīng)濟(jì)作物、油料作物等。這些品種多數(shù)均通過國(guó)家品種審定，已取得良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。其中，搭載水稻DH-7較對(duì)照組提前抽穗，成熟期早于常規(guī)對(duì)照組20～25天。
記者了解到，“十二五”期間，中國(guó)航天科技集團(tuán)公司將承擔(dān)百顆衛(wèi)星（飛船、探測(cè)器）的發(fā)射任務(wù)。這也意味著，未來(lái)我國(guó)在航天育種方面擁有得天獨(dú)厚的搭載條件，在航天工程育種研究及開發(fā)應(yīng)用方面將取得新的突破。
太空育種歷程
外國(guó)
20世紀(jì)60年代初期，蘇聯(lián)學(xué)者就研究和報(bào)道了空間飛行對(duì)植物種子的影響。此后，美國(guó)和德國(guó)等許多實(shí)驗(yàn)室對(duì)植物在空間條件下生長(zhǎng)發(fā)育及其遺傳特性的變化進(jìn)行了研究。
1984年，美國(guó)將番茄種子送上太空，逗留時(shí)間達(dá)6年之久，返回地面后經(jīng)科研人員試驗(yàn)，獲得了變異的番茄，其種子后代對(duì)人體無(wú)毒，可以食用。
1995年，美國(guó)航天局又在北卡羅來(lái)納州立大學(xué)建立引力生物學(xué)研究中心，重點(diǎn)研究植物對(duì)引力的感受和反應(yīng)，以最終開發(fā)出適于太空旅行的植物。
1996年，俄美合作首次成功在和平號(hào)空間站培育和收獲了150個(gè)麥穗的墨西哥小麥。俄羅斯在太空種植小麥于1999年獲得成功。
1996年，美國(guó)布魯斯·巴格比研究出太空矮稈小麥，株高只有40厘米，生育期只有60天，這種小麥產(chǎn)量高出普通小麥的3倍，有可能適合太空生長(zhǎng)。
美、日、西歐制定的21世紀(jì)太空計(jì)劃中，將植物在密封太空艙內(nèi)的生長(zhǎng)發(fā)育引為重點(diǎn)，試種和培育豌豆、小麥、玉米、水稻、洋蔥、蘭花、郁金香等100多種植物。
中國(guó)
1987年，在“863”計(jì)劃航天項(xiàng)目支持下，我國(guó)利用兩顆返回式衛(wèi)星搭載了30多種植物種子、無(wú)性繁殖材料等生物樣品，開啟航空育種試驗(yàn)之門。
2006年，實(shí)踐八號(hào)育種衛(wèi)星成功發(fā)射。實(shí)踐八號(hào)搭載了215公斤蔬菜、水果、谷物和棉花種子上天，航天育種的機(jī)理研究由此系統(tǒng)開展。
1987年至2011年，中國(guó)通過返回式衛(wèi)星、神舟號(hào)宇宙飛船、高空氣球等工具進(jìn)行了共20多次、1200多個(gè)品種的航天工程育種搭載試驗(yàn)。
2011年9月，天宮一號(hào)成功升空。天宮一號(hào)搭載了普陀鵝耳櫪、大樹杜鵑、珙桐、望天樹四種瀕臨滅絕的植物種子進(jìn)入太空，進(jìn)行航天育種。
2011年11月1日，神舟八號(hào)飛船順利升空，搭載誘變裝置對(duì)接天宮一號(hào)并建立空間育種實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
