原品種(左)與空間誘變后品種(右)對(duì)照?qǐng)D。 受訪者供圖
陳志強(qiáng)
華南農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家植物航天育種工程技術(shù)研究中心，至今共有幾十個(gè)品種數(shù)萬(wàn)種子分20多批次搭載上天，“應(yīng)該是全國(guó)所有研究單位和企業(yè)中搭載批次最多、數(shù)量最多的單位”
2016年4月6日1時(shí)38分，我國(guó)首顆微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星———“實(shí)踐十號(hào)”返回式科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星升空，在軌道上利用太空中微重力等特殊環(huán)境完成了19項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，是迄今為止單次空間微重力和生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及種類最多的衛(wèi)星任務(wù)。“實(shí)踐十號(hào)”上，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家植物航天育種工程技術(shù)研究中心，共有38份材料(包括水稻、花卉、蔬菜等)共計(jì)98 7克干種子及組培苗進(jìn)行搭載。作為廣東省最早率先開展作(植)物航天育種研究的單位，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家植物航天育種工程技術(shù)研究中心，也是國(guó)內(nèi)唯一從事植物航天誘變育種的國(guó)家級(jí)工程技術(shù)研究中心。近日，南都記者走進(jìn)這個(gè)“高大上”的實(shí)驗(yàn)室，為你揭開航天育種及背后的奧秘。
A
搭載
哪些種子能上天
1996年9月，陳志強(qiáng)及團(tuán)隊(duì)選取了3個(gè)純系水稻品種共4份4000粒種子搭載返回式衛(wèi)星飛上太空。這是廣東省采用空間搭載技術(shù)開展誘變育種的第一次嘗試。華農(nóng)是當(dāng)時(shí)高校中首批在航天育種領(lǐng)域“吃螃蟹”的。國(guó)家植物航天育種工程技術(shù)研究中心主任、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)陳志強(qiáng)教授被業(yè)界稱為“廣東航天育種第一人”。
能夠選上的種子分兩類
植物種子進(jìn)行太空旅行是幸運(yùn)的。能夠選上的種子又分兩類。一類用于機(jī)理研究———這類種子通常選用基因型較純且穩(wěn)定的，“以研究是不是會(huì)，為什么會(huì)產(chǎn)生突變。”陳志強(qiáng)說(shuō)，大多數(shù)種子則屬于第二類，即為了新品種選育，自身綜合性狀不錯(cuò)，但仍存某方面欠缺，希望送上去后得到“突變改良”。
浩瀚太空的旅行，對(duì)于一顆種子來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是獨(dú)特的。較高頻率的有益變異，且穩(wěn)定速度快，能誘導(dǎo)和創(chuàng)建罕見的具有突破性的優(yōu)異新種質(zhì)，同時(shí)確保安全且具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基因源。用陳志強(qiáng)的話，“航天搭載下的航天誘變育種是創(chuàng)造新種質(zhì)、產(chǎn)生新基因和培育新品種的有效新途徑。”
數(shù)萬(wàn)種子已搭載上天
4000顆種子太空旅行回來(lái)后，陳志強(qiáng)和團(tuán)隊(duì)成員熱切地等到了來(lái)年春天。1997年3月，4000粒“太空種子”與對(duì)照種一起播種。歷時(shí)三年5至6個(gè)世代的選擇，選出航天誘變育種第一個(gè)新品種———全國(guó)著名的華航一號(hào)。該品種是我國(guó)航天育種第一個(gè)通過(guò)國(guó)家品種審定的農(nóng)作物新品種。
除了水稻，玉米、蔬菜、花卉、大豆等植物種子也已被送往太空。至今中心共有幾十個(gè)品種數(shù)萬(wàn)種子，分20多批次搭載上天。“應(yīng)該是全國(guó)所有研究單位和企業(yè)中搭載批次最多，數(shù)量最多的單位”。陳志強(qiáng)說(shuō)。
B
突變
植物種子的太空旅行
太空飄著幾個(gè)關(guān)鍵詞：高真空，微重力，重離子輻射等。
植物航天育種正是利用可返回的航天搭載工具(返回式衛(wèi)星、宇宙飛船、高空氣球等)所能達(dá)到的空間環(huán)境(高真空、微重力、強(qiáng)輻射等)對(duì)植物種子誘導(dǎo)產(chǎn)生遺傳變異，誘變后代通過(guò)地面篩選，選育出新種質(zhì)、新材料，培育新品種的育種方法。陳志強(qiáng)解釋，對(duì)種子突變起直接關(guān)鍵作用的，正是太空中的重離子輻射。“重離子輻射容易導(dǎo)致植物的D N A雙鏈的斷裂，在微重力下不易修復(fù)，更容易引起突變”。
不是每顆種子都會(huì)發(fā)生基因突變
上天后的種子會(huì)發(fā)生哪些突變？國(guó)家植物航天育種工程技術(shù)研究中心專職副主任王慧教授介紹，直觀能看到的變化包括株高、株型、穗型、種子顏色、產(chǎn)量、生育期變化等。有些誘變后代株系與對(duì)照比較，株高矮了一半，植株分蘗更多了，穗型變大、粒數(shù)變多，也有的一下從矮個(gè)變成高個(gè)。除了常規(guī)誘變育種的變異外，也會(huì)出現(xiàn)較少的特殊變異類型，如大果型變異，花卉花形變異、花色變異等。
不過(guò)，太空育種并不是每顆種子都會(huì)發(fā)生基因誘變，其誘變率一般為百分之幾甚至千分之幾，而有益的基因變異僅是千分之三左右。種子太空旅行的環(huán)境條件無(wú)法預(yù)知。“不論好壞，怎么變都是未知的”。即便是同樣的種子，搭載同一顆衛(wèi)星，誘變結(jié)果也可能有所不同。
“太空環(huán)境瞬息萬(wàn)變，不能重復(fù)”
有人毫不客氣地質(zhì)疑，“航天育種是沒辦法重復(fù)的”。陳志強(qiáng)坦言，每次搭載的飛行器不一樣，即使都是返回式飛行器，哪怕高度、角度、位置、運(yùn)行時(shí)間都一樣，人們也暫無(wú)法預(yù)計(jì)太陽(yáng)黑子活動(dòng)的規(guī)律。“太空的環(huán)境瞬息萬(wàn)變，不能重復(fù)”。
不過(guò)，隨著空間站的設(shè)立與完善，像《火星救援》電影畫面看到的宇航員種土豆的場(chǎng)景，也將成為可能。從播種到開花到結(jié)果，可以做多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。“天宮二號(hào)已經(jīng)開始養(yǎng)蠶種生菜啦。”陳志強(qiáng)一臉燦爛地說(shuō)。2016年10月神舟十一號(hào)與天宮二號(hào)對(duì)接成功，中國(guó)宇航員首次在太空當(dāng)起了“菜農(nóng)”。
航天誘變育種與轉(zhuǎn)基因育種完全是兩碼事
航天誘變的變異與轉(zhuǎn)基因有聯(lián)系嗎？陳志強(qiáng)認(rèn)真而堅(jiān)決地說(shuō)：“航天誘變育種與轉(zhuǎn)基因育種完全是兩碼事！”他解釋，航天誘變是使水稻種子內(nèi)部的基因發(fā)生了突變，而轉(zhuǎn)基因是將外源基因轉(zhuǎn)到植物的D N A里。在自然環(huán)境中，植物種子實(shí)際上也在發(fā)生變異，只是變異過(guò)程極其緩慢，變異頻率很低。他舉例，過(guò)去通過(guò)X射線、γ射線搞地面輻射誘變，也是早期植物育種對(duì)自然變異的選擇和利用方式之一，被證明是安全可行的。
通過(guò)航天誘變的太空育種，則是利用空間環(huán)境條件加速生物體自身的變異過(guò)程，增加植物自身的突變率，這與自然變異在本質(zhì)上沒有區(qū)別。他強(qiáng)調(diào)，航天誘變?cè)谏锷鲜前踩摹?ldquo;太空育種并沒有導(dǎo)入其他外來(lái)基因，這是與轉(zhuǎn)基因的本質(zhì)區(qū)別。”王慧也補(bǔ)充，“雖然會(huì)發(fā)生什么誘變是不可預(yù)知的，但后續(xù)的篩選都是篩出我們需要的有益突變。”
C
育種
周期可能比過(guò)去縮短一到三年
種子上太空走一回，只是太空育種的開始。“搭載僅僅是利用空間搭載手段去開發(fā)種子的遺傳變異，最繁重和主要的任務(wù)是在地面”。陳志強(qiáng)說(shuō)。航天誘變“有好有壞”。“從科學(xué)研究的角度沒有好壞之分，好壞是從人類選種的角度談的。”篩選鑒定“好的突變”并加以利用，這是種子太空旅行歸來(lái)后的首要任務(wù)。航天誘變突變體定向篩選和利用技術(shù)成為關(guān)鍵。
稻米是否好吃，實(shí)驗(yàn)室就能“看見"
過(guò)去，種子發(fā)生的突變需要將其種植在田里，等水稻長(zhǎng)成了，才能進(jìn)行外觀、品質(zhì)、抗病性、產(chǎn)量等的觀察與選擇。“在田里找啊找半天，但有些性狀因?yàn)闆]有滿足條件，沒表現(xiàn)出來(lái)就發(fā)現(xiàn)不了。”于此，中心基于H RM (高分辨率熔解曲線)的高通量基因分型技術(shù)，開發(fā)了一批目標(biāo)性狀功能型分子標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)育種的表型選擇(田間選擇)到生物育種的功能基因選擇(實(shí)驗(yàn)室選擇)。
陳志強(qiáng)解釋，通俗說(shuō)，在實(shí)驗(yàn)室建立了一套選擇系統(tǒng)，對(duì)20多個(gè)功能型分子，即基因進(jìn)行標(biāo)記，找到標(biāo)記則找到了突變后的基因。“例如96孔P C R板孔對(duì)應(yīng)96個(gè)單株，假設(shè)第92孔的單株標(biāo)記具有米質(zhì)軟、抗病強(qiáng)、株高適中三個(gè)性狀，在實(shí)驗(yàn)室里能檢測(cè)到，在田間也一定能跟蹤找到。”也就是說(shuō)，稻米好吃不好吃，香不香，抗不抗病，這些原來(lái)在田里看不出的性狀，在實(shí)驗(yàn)室苗期便能發(fā)現(xiàn)，并選出符合育種目標(biāo)的材料，大大提高選擇準(zhǔn)確性和準(zhǔn)確效率。“在田里種植，相當(dāng)于僅是驗(yàn)證的過(guò)程”。
水稻空間誘變育種新方法
太空搭載下帶來(lái)的很多突變，不是大突變可能是微突變，通過(guò)一代代慢慢積累表現(xiàn)出來(lái)。為了跟蹤水稻空間誘變的表現(xiàn)，陳志強(qiáng)領(lǐng)銜團(tuán)隊(duì)提出了一套水稻空間誘變育種“多代混系連續(xù)選擇與定向跟蹤篩選”新方法。即在空間誘變的早期世代進(jìn)行連續(xù)多代的混系種植和選擇，發(fā)現(xiàn)突變單株就選出單獨(dú)種植進(jìn)行定向跟蹤篩選，創(chuàng)出一種適合航天誘變育種的誘變后代處理的新方法。
1997年3月，中心將經(jīng)過(guò)太空搭載的4000粒種子與對(duì)照種一起播種下去。經(jīng)過(guò)秧苗期、分蘗期、孕穗期的株型對(duì)照、抽穗開花期的花穗觀察、灌漿結(jié)實(shí)期的穗粒狀況觀察記錄，科學(xué)比照，觀察論證些微的變化與異同，將變化株型的種子搜集起來(lái)，1997年7月晚造再次播種下去，形成新的株系。這些種子經(jīng)過(guò)四個(gè)世代，即兩年共四個(gè)生長(zhǎng)周期后，選出來(lái)新的株系的性狀就基本穩(wěn)定了。陳志強(qiáng)曾回憶，“空間誘變后代株系之間表現(xiàn)出的差異令我們好奇、驚喜又質(zhì)疑”。
3個(gè)品種被認(rèn)定為超級(jí)稻品種
歷時(shí)三年多時(shí)間，航天水稻優(yōu)質(zhì)新品種“華航一號(hào)”于2001年通過(guò)廣東省品種審定，2003年通過(guò)國(guó)家品種審定，該品種是我國(guó)航天育種第一個(gè)通過(guò)國(guó)家品種審定的水稻新品種。王慧介紹，原品種的畝產(chǎn)在400-450公斤左右，華航一號(hào)一般畝產(chǎn)可到500公斤左右，高產(chǎn)栽培超過(guò)600公斤/畝。2001年至2016年的16年間，中心在水稻航天育種成效顯著，共育成36個(gè)水稻新品種(組合)通過(guò)國(guó)家及省級(jí)審定。其中，“培雜泰豐”、“華航31號(hào)”、“Y兩優(yōu)1173”等3個(gè)品種被認(rèn)定為超級(jí)稻品種。同時(shí)，一大批優(yōu)質(zhì)、高抗、高產(chǎn)新品系正在參加各級(jí)區(qū)試。
陳志強(qiáng)總結(jié)，太空歸來(lái)的當(dāng)代種子需要經(jīng)過(guò)幾代的地面種植田間選擇、篩選鑒定、分子檢測(cè)及相關(guān)機(jī)理研究，參加兩年的省級(jí)以上區(qū)試(農(nóng)業(yè)主管部門組織的統(tǒng)一試驗(yàn))、生產(chǎn)試驗(yàn)，等到產(chǎn)量、品質(zhì)、抗性三大關(guān)鍵指標(biāo)都通關(guān)了，才能進(jìn)入品種審定環(huán)節(jié)。一般來(lái)說(shuō)，好的材料品種選出后，最終拿到品種審定至少要兩到三年，拿到證書后，才能進(jìn)入推廣環(huán)節(jié)。盡管步驟嚴(yán)謹(jǐn)，“過(guò)去的雜交育種一般要5到8年，航天誘變育種周期也比過(guò)去縮短了一到三年。”
聲音
航天搭載是不可替代的誘變技術(shù)的新途徑，未來(lái)將與生物技術(shù)結(jié)合，形成一種全新的育種途徑。下一步，中心將繼續(xù)緊跟國(guó)家戰(zhàn)略需求，與我國(guó)快速發(fā)展的空間高新技術(shù)緊密結(jié)合，同時(shí)吸收國(guó)內(nèi)外先進(jìn)生物學(xué)技術(shù)，在建立完整研究平臺(tái)和生物育種產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)上，努力實(shí)現(xiàn)水稻航天生物育種共性關(guān)鍵技術(shù)突破，水稻特異種質(zhì)資源創(chuàng)建突破，航天誘變機(jī)理研究突破，適合直播、輕簡(jiǎn)化和機(jī)械化生產(chǎn)的重大水稻新品種培育等四個(gè)突破。未來(lái)中心不僅在糧食作物上繼續(xù)發(fā)力，還將在植物的全領(lǐng)域開拓研究。———國(guó)家植物航天育種工程技術(shù)研究中心主任、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)教授陳志強(qiáng)
教育部在《高等學(xué)校“十三五”科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》中提出，要促進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)?！兑?guī)劃》要求，推動(dòng)高水平大學(xué)牽頭組建若干國(guó)際領(lǐng)先的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、重大科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施和一批高水平協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)，成為世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。
高校實(shí)驗(yàn)室是高校創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的重要載體之一。今起，南方都市報(bào)推出“走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室”系列報(bào)道，讓實(shí)驗(yàn)室被看見，被讀懂。我們將通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)室深度觀察，呈現(xiàn)廣東高校實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)水平和科研能力，讓“藏在深閨的高冷君”更靈動(dòng)接地氣。我們?cè)噲D打通實(shí)驗(yàn)室與社會(huì)聯(lián)結(jié)的渠道，為地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮“智囊團(tuán)”作用。
實(shí)驗(yàn)室名片
華南農(nóng)業(yè)大學(xué)
國(guó)家植物航天育種工程技術(shù)研究中心
是廣東省率先開展植物航天育種研究單位，也是國(guó)內(nèi)唯一從事植物航天育種的國(guó)家級(jí)工程技術(shù)研究中心。
該中心以國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科“作物遺傳育種”為依托，團(tuán)隊(duì)在相關(guān)領(lǐng)域開展了大量創(chuàng)新性研究，在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先地位。團(tuán)隊(duì)于2009年、2016年兩次獲廣東省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，四次獲得廣東省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)等多個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。
2001年至2016年，共育成36個(gè)水稻新品種(組合)通過(guò)國(guó)家及省級(jí)審定。該中心選育的水稻新品種推廣面積5000多萬(wàn)畝，創(chuàng)造巨大社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。
采寫：
南都記者 賀蓓
攝影：
南都記者 陳志剛
實(shí)習(xí)生 許燕玲 楊陽(yáng)
