農作物太空育種進展及其發展建議

摘 要：1987年以來，我國科學家利用返回式衛星、神舟飛船和高空氣球先后進行了21次農作物種子等生物材料的空間搭載試驗，共涉及70多種植物的1 000多個品種。經過多年的地面種植篩選，已育成60多個農作物優異新品種（系），包括水稻15個、小麥4個和番茄、青椒、芝麻各2個，并從中獲得了一些有可能對農作物產量和品質產生重要影響的罕見突變材料。特別是國家“十五”期間“863”計劃實施以來，我國農作物航天育種在新品種培育、知識產權保護與產業化以及航天育種機理研究等方面取得了一系列重大突破。航天育種技術已成為快速培育農作物優良品種的重要途徑之一。但要加強作物空間環境誘變的響應機理研究，破解航天誘變育種的關鍵技術。

關鍵詞：農作物；太空育種；進展；實踐研究

中圖分類號：S335.2+9 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2012）10-0037-03

農作物空間誘變育種（或稱航天誘變育種、太空育種）是指利用太空運載工具如飛船、返回式衛星和高空氣球等將農作物種子帶到200～400 km太空環境，利用太空特殊環境（空間宇宙射線、高能粒子、微重力、高真空和弱磁場等因素）誘變農作物種子產生變異后再返回到地面的選育新種質、新材料、新品種的作物育種技術。中國是世界上唯一將航天技術用于育種的國家。通過太空中多種因子的共同作用，可使種子基因實現地面上難以實現的有益變異，從而縮短地面育種周期，提高育種效率。試驗表明：該技術具有變異幅度大、有利變異增多、能使作物生育期縮短、抗病能力增強和作物產量提高等特點，是一種很好的育種方法。

1 發展歷程

1.1 準備階段（1987～1995）

1987年8月5日，隨著我國第9顆返回式科學實驗衛星的成功發射，一批農作物種子、菌種和昆蟲等地球生物被送上了遙遠的天空，開啟了我國農作物種子首次太空之旅。當時，搭載作物種子的目的并非計劃育種，只是想觀察空間環境對植物遺傳性是否產生影響。結果，科學家在實驗中發現，上過天的種子中發生了一些意外的遺傳變異，因此人們開始考慮利用這種方式進行農作物育種。

此后，在1987年9月9日、1988年8月5日、1990年10月5日、1992年8月9日及1992年10月6日，我國又連續發射了5顆返回式衛星，除了搭載植物種子、菌種、藻類、昆蟲、魚、動物細胞外，還搭載了部分測試儀器，我國航天育種研究工作全面展開。

1991年隨著“航天效益工程”的提出，航天育種被列為該工程的重要項目。1994年，有關部門組織一批專家對已搭載品種地面培育情況進行了一次歷時3個月的全國范圍的調研。經過農業專家、生物專家、航天專家近10個月的評審，航天育種的前景令與會專家充滿信心。為進一步推動航天育種事業的發展，1995年，農業部和中國航天等有關部門就進一步加強我國航天育種工作進行了多次專門會談，并組織召開了多次研討會。農業、航天和原子能方面的專家一致建議，應將航天育種工程列入國家重大科技工程計劃，按照系統工程的辦法組織實施。

1.2 立項階段（1996～2005）

1996年1月16日，第一次全國航天育種技術交流研討會召開。王淦昌院士聯合7位著名專家學者聯名給中央寫信，建議把航天育種工程列入國家計劃，發射一顆農業衛星，為我國農業發展服務。6月，農業部聯合中國航天總公司向原國家計委報送了《利用返回式衛星開展農作物航天育種工程項目建議書》。

2000年2月17日，原國家計委批復了航天育種工程項目建議書。10月，農業部和中國航天科技集團公司向原國家計委報送了《航天育種工程項目可行性研究報告》。10月12日，《航天育種工程項目可行性研究報告》通過了國家有關部委的評估。

2003年4月22日，國務院批準了《關于審批航天育種工程項目可行性報告的請示》。同年5月，國家發展和改革委員會、財政部、國防科工委共同下達了“印發《關于審批航天育種工程項目可行性研究報告的請示》通知”。項目建設內容包括育種衛星的研制、發射、回收，地面育種試驗，機理研究與模擬試驗等部分，總投資2.85億元。

1.3 發展階段（2005年至今）

2005年2月5日，農業部和中國航天科技集團公司聯合將《航天育種系統工程研制總要求》報送國防科工委。4月19日，國防科工委在北京召開了航天育種衛星工程第一次大總體協調會，明確了“航天育種系統工程研制總要求”的各項內容。7月26日，國防科工委正式批準了《航天育種系統工程研制總要求》，航天育種工程開始實施。

2006年2月15日，國防科工委審查通過育種衛星有效載荷狀態。3月14日，農業部、國防科工委聯合發布了《育種衛星裝載材料征集指南》。4月26日，農業部組織召開了育種衛星裝載材料評審會。6月9日，國防科工委在北京召開了航天育種衛星工程第二次大總體協調會。7月，育種衛星和運載火箭完成全部工廠研制工作，衛星待命進場發射，同期衛星裝載種子完成篩選和初步分析工作。9月9日，我國第一顆以空間誘變育種為主要任務的返回式科學試驗衛星——實踐八號在酒泉衛星發射中心成功發射。9月24日，在軌運行15天后，實踐八號育種衛星在四川遂寧回收場成功返回。9月26日，國防科工委將返回的農作物種子正式交付農業部，航天育種進入實質性研究階段。衛星返回后，經對航天飛行后的種子材料進行必要檢測，農業部即按不同的生態區域，組織全國各有關育種科研單位全面展開地面育種研究工作。

實踐八號育種衛星共裝載包括水稻等在內的九大類作物共計2 020份，總重量208.816 kg，涉及152個物種，包括水稻382份，麥類3種363份，玉米226份，棉麻4種118份，油料5種264份，蔬菜31種201份，林果花卉36種100份，微生物菌種16種116份，小雜糧等52種250份。參與地面育種的科研單位有中國農業科學院所屬12個研究所、中國科學院2個研究所、中國農業大學等12所高校以及17個省、市、自治區的農業科研院所。地面育種的研究內容包括，嚴格按照統一的育種試驗規范全面開展地面試驗研究，從中篩選具有重要育種利用價值的新材料，培育新品種，進行推廣和普及；結合空間環境探測及地面模擬空間環境因素試驗，開展空間環境因素與生物體相互作用的效應研究，力求回答航天環境誘發生物變異的機理等基本科學問題，促進航天育種事業的健康持續發展，更好地服務于農業生產。

2 航天育種成就

經太空育種和多年地面種植篩選，截至目前，通過航天搭載已培育出了50多個具有穩產、高產性能的糧食、蔬菜、瓜果、花卉等農作物新品種（系）。其中包括水稻、小麥、番茄、青椒和芝麻在內的30多個新品種或新組合已通過國家或省級審定，并已進入市場推廣；幾十個后續品系已進入區域試驗或品種審定階段。農業專家表示，傳統的農業育種一般需要8～10年時間，而航天育種有可能將時間縮短一半。目前，在資源有限的條件下，品種選育是提高農作物產量的重要出路，航天技術是解決這一問題的有效途徑。

例如，福建通過航天育種培育的3個水稻品種，6.7 hm2面積上單產達到12 000 kg/hm2。其“中II優航1號”是全國首個6.7 hm2面積上單產達到13 500 kg/hm2的超級稻，至今仍保持再生稻頭季、再生季和全國6.7 hm2面積單產3項世界記錄，推廣面積達到13.3×104 hm2。它將優質、超高產合于一體，在福建省晚雜優區試中，產量比對照品種汕優63平均增產9.61%，達極顯著水平，單產和日產均居參試組合首位，創“六五”攻關以來該省所有參加省區試品種、組合產量最高紀錄。經農業部稻米及制品質量監督檢驗測試中心檢測，該品種的精米率、整精米率、粒長、堿消值、直鏈淀粉含量、蛋白質含量六項指標達優質米一級標準。2005年通過國家審定，現正加速示范推廣。

華航1號水稻新品種穗大粒多、結實率高，可增產10%，單產達7 500 kg/hm2以上，已推廣20×104 hm2以上。利用空間誘變技術培育的部分水稻和小麥新材料已分別進入常規育種及雜交稻育種計劃，并為全國多家育種單位所引進和利用，對促進稻麥育種起到了重要作用。

經空間誘變技術育出的青椒單果重在250 g以上，單產7.5 ×104 kg/hm2左右，維生素C含量增加20%。江西廣昌縣利用航天育種培植出了特大粒白蓮種衛星3號，每粒蓮子2.4 g以上，比常規品種可增產60%，目前成了江西廣昌的品牌和脫貧致富產業。利用空間育種，我國科學家還培育出了特大粒的紅小豆、特長的油菜、含鐵量增加69%的巨穗谷子，紫色、紅色、茶色、綠色的水稻，早熟高產的紅薯和高產大蔥等。專家認為，以上成果均是利用其他育種手段難以獲得的罕見種質突變體。

太空5號是我國利用航天技術育成并審定的第一個優質、高產小麥新品種（河南省農科院小麥所育成），兩年省區試產量平均較對照增產3.81%，屬制作優質餅干、糕點類型品種，2002年9月通過河南省品種審定。經農業部產品質量監督檢驗測試中心（鄭州）分析，粗蛋白質含量10.6%，濕面筋22%，吸水率54.2%，形成時間1.7 min，穩定時間1.8 min，達到國標優質弱筋小麥標準。

我國專家還充分發揮航天誘變種質創新的優勢，獲得了大量特異性十分突出的稻麥新種質、新材料，如優質抗倒型水稻新種質“航1號”和“航81號”，優質大穗型水稻恢復系“航恢6號”、“航恢7號”、“航恢8號”，優質極早熟小麥新種質“早優8581”等。目前，這些新種質已廣泛應用于稻麥常規育種和雜種優勢育種。與此同時，航天育種關鍵技術創新研究也取得重要進展。從粒子生物學、物理場生物學和重力生物學等不同角度研究了航天環境各因素的誘變特異性，開創了地面模擬航天環境誘變作物遺傳改良的新途徑，為全面探索航天誘變育種機理和建立航天育種技術新體系邁出了堅實的一步。3 問題與建議

目前我國作物航天育種的研究應用總體上還處在初級階段，在作物空間環境響應或誘變機理、提高突變預見性和選擇效率等基礎研究方面明顯滯后于應用研究。為了適應航天技術發展的需要，必須加強理論方法學及其相關基礎研究，明確航天誘變育種作用的機理，特別是要深入探討空間誘變的分子生物學機理，尋找與空間誘變育種有關的主要環境條件，弄清空間誘變重要性狀的遺傳規律，為作物航天誘變育種應用奠定理論基礎。建議在國家“863”、“973”和自然科學基金等計劃中設立重大項目或重點項目，促進航天育種技術研究水平的不斷提高。

近年來，我國作物航天育種技術取得了許多進展，但研究的深度和廣度與其它育種方法相比還有不少差距。總體而言，目前我國航天誘變育種僅限于植物種子和微生物等材料的搭載，搭載材料的研究工作多數還停留在大田突變體的直接篩選上，而缺乏對于不同作物、品種或組織等對空間條件的敏感性差異的比較研究；我國航天誘變技術在不同作物之間發展還不平衡，在水稻、小麥、番茄、青椒等作物上應用較為成功，但在玉米、大豆、油菜等作物上尚待深入研究應用。將細胞工程技術、分子育種技術等與航天誘變技術有效結合以大幅度提高育種選擇效率方面還十分薄弱。作物航天育種的理論、方法和高效育種技術體系有待進一步建立和完善。參 考 文 獻：

[1]劉錄祥，王 晶，趙林姝，等.作物空間誘變效應及其地面模擬研究進展[J].核農學報，2004，18（4）：247-251.

[2]劉錄祥，王 晶，趙林姝，等.零磁空間誘變小麥的生物效應研究[J].核農學報，2002，16（1）：2-7.

[3]劉錄祥，孫其信，王士蕓.灰色系統理論應用于農作物新品種綜合評估初探[J].中國農業科學，1989，22（3）：22-27.

[4]駱 藝，王旭杰，梅曼彤，等.空間搭載水稻種子后代基因組多態性及其與重離子輻射關系的探討[J]. 生物物理學報，2006，26（2）：131-138. 山 東 農 業 科 學 2012，44（10）：40～43，47