送種子上太空

劉　敏　鹿金穎　薛　淮　潘　毅

目前，“神七”飛天的各項準備工作正在進行之中，預計會在今年發射升空。隨著“神五”、“神六”的成功飛天，人們對太空育種這個概念也日漸熟悉。

太空育種也被稱為航天育種，科學的提法則是“空間誘變育種”，也就是將農作物種子送到太空，利用太空特殊的環境誘變作用，使種子產生變異，再返回地面選育新種子、新材料，培育新品種的育種新技術。它是綜合了宇航、遺傳、輻射、育種等學科的高新技術。

各國爭相送種子上太空

空間誘變的研究工作始于20世紀60年代，蘇聯是第一個開展此項研究工作的國家，他們最早以風干種子作為研究對象，進行空間環境對植物生長發育影響方面的研究。1984年，美國將番茄種子通過太空飛行器送入太空，獲得變異的番茄。該國同時將小麥種子放入空間站進行實驗。蘇聯和美國空間植物學研究的主要目標定位在探索空間條件下植物生長發育規律，改善空間人類生存的小環境，解決宇航員的食品供給及生存安全等，這是為將來“太空里的人類”服務。美國國家航空航天局于1995年建立了引力生物學中心，重點研究植物對引力的感受和反應，其最終目標就是開發出更加適于太空旅行的植物。

在“863計劃”航天領域支持下，中國科學院的科學家們于1987年利用我國發射的兩顆返回式衛星搭載了30多種植物種子、無性繁殖材料等生物樣品，返地觀察后，初步發現了一些變化。考慮到農業新技術對我們這樣一個農業大國有特別重要的價值，1988年在“863計劃”航天領域空間科學有關專家的提議下，有關部門設立了“空間條件下植物突變類型研究”專門課題，組織有關專家探討空間環境誘導突變的可能及應用前景，空間搭載了多種種子，返地后進行種植、選擇。

自1987年以來，我國的空間誘變育種工作已經有20年的歷史，成功進行了20多次空間搭載育種研究，相繼進入空間的植物達50多種、500多個品種，包括水稻、小麥、玉米、棉花、大豆、青椒、番茄、牧草及花卉等植物種子，育成了一批優質、高產、多抗、早熟的作物新品種或新品系；同時，還篩選了一些罕見的具有利用價值的突變體材料，有的已在生產中發揮了積極作用。2006年，我國還發射了一顆農業育種衛星。

在獲得航天育種優良品種(系)的同時，中國科學院遺傳與發育生物學研究所對空間搭載的水稻、番茄、甜椒、黃瓜等進行了系統的細胞學、生理學以及分子生物學的研究、檢測。初步研究表明，空間誘變會使植物細胞器如葉綠體、線粒體的結構發生改變，從而影響了植物的光合作用、營養傳導及新陳代謝。空間誘變還會使植物酶的活性發生改變，從而影響植物的生長發育。更重要的是，空間誘變使部分植物基因發生了改變。通過地面多年的選育，證明這些改變是可以穩定遺傳給后代的。

太空環境使植物基因發生改變的原因是什么?太空環境是高能粒子輻射與微重力條件共存的，太空中高能粒子及微重力對高等植物會產生什么樣的影響?如果產生基因改變，有沒有變異規律?基因的變異位點在哪里?這些問題都值得探索和研究。

如果空間誘變機理不清楚，將會在一定程度上影響空間誘變成果的推廣和應用。在一些有關我國航天育種的新聞報道中，存在著缺乏科學依據甚至片面炒作的個別情況，這也在某種程度上使得植物空間誘變技術受到質疑。此外，經過空間誘變的食品的安全性問題也與空間誘變機理不清緊密相關。因此，在深層次上開展空間誘變機理的研究至關重要。

植物空間誘變并不神秘

與常規的輻射誘變原理一樣，植物空間誘變應當屬于物理誘變中的輻射誘變，只是常規的輻射誘變是在地面上進行，輻射源一般是鈷60照射，而空間誘變是在太空中微重力的條件下，輻射源是太空中的高能粒子。所以說，空間誘變育種并不神秘，它是輻射誘變育種的特殊形式，是常規輻射育種的又一補充。

對于空間環境中的高能粒子的輻射劑量，目前人類受到各方面條件限制，還不能使每次的輻射劑量保持一致，加上太空中隨時可能出現的磁暴現象，輻射劑量是動態的，所以空間誘變輻射育種常常是隨機的，重復性較差。目前，各國科學家正在探索輻射劑量與植物變異的關系，尋找空間誘變的真正誘因。如果人類最終可以找到輻射誘變的規律，進而可以在地面上模擬太空輻射，將為農業育種提供一條新的途徑。

從目前全國各地的情況以及經驗看，由于空間中的高能粒子輻射和微重力的環境，使植物基因組堿基變異，并造成DNA的斷裂和重組，并且空間誘變育種的變異率明顯高于一般的地面輻射育種，一般的地面輻射育種變異率在0.1％～0.3％左右，而太空育種的變異率是0.3％～12％。中國科學院遺傳與發育生物學研究所蔣興村研究員選育的太空水稻變異率曾達到12％。由于太空中高能粒子輻射的隨機性，有時也會出現變異率極低的情況，甚至零變異，這可能與種子在空間飛行器內的位置和受到的輻射劑量有關。但是太部分結果是空間誘變率高于常規誘變育種。華南農業大學梅曼彤教授的研究表明，空間誘變率與高能粒子輻射在種子胚的位置和角度以及射線擊中胚的次數有關。

植物空間誘變不僅可以改變果實的形狀，而且大果型出現的機率高。所以，空間誘變中高產、果型大的現象較多，如中國科學院遺傳與發育生物學研究所空間誘變選育的“航遺1號”黃瓜，平均單果重800～1000克，有的單果達到了1800克，平均畝產5800千克。空間誘變后選育的太空茄子，平均單果重1000克，最大單果達到2500克；空間誘變后選育的太空葫蘆，平均單果重2000克，果長70厘米，最大單果重7000克，果長110厘米。這些大果型的出現比常規育種及地面常規輻射育種出現的機率要高。1988年，該所與廣西農業大學合作，用衛星處理“包選2號”和“農墾58”水稻品種，在第二代和第三代中看到較多分離現象，且優良性狀在4年的時間內很快穩定，并通過鑒定，江西種植的經空間處理的“農墾58'水稻，于1993年獲得了畝產600千克以上的一個新品種，還獲得大粒型、大穗型、優質米、紅米、黑米型的突變后代。這樣大量的突變體出現，是一般常規育種中少見的現象。又如，2004年，中國科學院遺傳與發育生物學研究所通過鑒定的“航遺2號”番茄，其番茄紅素高達6.26mg／100g鮮重，是普通番茄的3倍；通過空間誘變獲得的太空黃瓜“航遺1號”經中國食品檢測中心檢測，vc(維生素c)、鐵和可溶性固形物含量均有所提高。該所選育的空間誘變的茄子、黃瓜出現了抗鹽堿

的新品系。因此，就目前空間誘變的現象來看，普遍的變異呈多樣化的趨勢。

空間誘變的誘因及機理

從目前研究的情況看，空間誘變的誘因主要是太空中的高能粒子輻射，同時還有太空中微重力的協同作用。

在空間誘變機理研究方面，我國科學家進行了大量研究工作。一些專家認為，空間環境可以引起生物基因組DNA堿基變異，并造成DNA的斷裂和重組，因此誘發變異。隨著基因組研究的深入發展，基因組序列測定表明，在植物基因組中存在大量轉座子序列和逆轉座子序列，太空環境有可能激活了這些轉座子。活化的轉座子通過易位、插入和丟失，可以導致基因的變異和染色體的變異。至于空間環境中的什么因素可以激活轉座子?哪些部位的轉座子易被激活?這些問題還需要人們去探索。從目前的研究結果來看，空間誘變是植物自身的基因組序列發生改變，沒有外源基因的導入，所以，空間誘變育種后獲得的食品不是轉基因食品，它與常規輻射誘變育種獲得的食品一樣，是安全食品。

植物空間誘變不全是好的

植物空間誘變育種是一項科學性強的高科技育種手段，必須以科學的態度對待。

首先，空間誘變不全是正變異。目前，社會上在空間誘變育種中存在著一種錯誤說法，似乎種子一經太空搭載，就會出現大果型等優良性狀，這并不符合客觀事實。

另外，種子經太空搭載后返回地面種植第一代時，發生的變異可分為生理性變異和遺傳性變異。由于太空環境對正常的種子、種苗來說是一個逆境環境，因此種子在搭載后在地面種植時，一部分會產生逆境生理性變異，如植株性狀大小的改變等，但這種變化僅僅是生理上的變化，是不可遺傳的，在種植一代后就會消失。另一種變異是遺傳性變異，是由于DNA發生了斷裂重組，這些變化是可以遺傳給后代的。在地面種植第一代時，生理性變異與遺傳性變異用肉眼很難區分，必須采用分子標記檢測的手段加以區分。空間搭載的種子一定要經過地面不少于4代的種植，優良性狀才可以基本穩定。這一點對于從事空間誘變育種工作至關重要，不能在第一代出現了變異植株就視為已獲得了空間誘變的優良品種，這是極不負責任的，也是不科學的。其實，空間誘變育種的選育方向是多元化的，比如抗性篩選、株型篩選、果型篩選，尤其是抗性篩選很重要。從我國一些地方空間育種的實驗結果來看，就出現了抗鹽堿、抗病等優良性狀，但果型沒有什么大的變化。

需要特別說明的是，空間誘變育種并不是唯一的育種手段，該項技術由于必須有衛星、飛船及高空氣球的空間飛行條件，所以屬于高科技育種手段，但又因為這種空間飛行機會較少，同時要受到重量體積等條件限制，所以不能廣泛應用在育種工作中。這是空間誘變育種的缺憾。