從水車上的豆子到航天育種
——簡(jiǎn)述人類良種選育的發(fā)展

□ 郭銳

從水車上的豆子到航天育種
——簡(jiǎn)述人類良種選育的發(fā)展

□ 郭銳

人類早期的作物良種選育科技專家總是在以各種方式主動(dòng)探索、不斷研究。200多年前英國(guó)的托馬斯·安德魯，出生于1759年，在不到50歲的時(shí)候就因?yàn)樵趫@林園藝和水果蔬菜等植物的生理研究上成就卓著被封為爵士。

他為了了解為什么所有的種子在土壤中開始啟動(dòng)“發(fā)芽工程”后，都是根須朝下鉆、莖葉往上長(zhǎng)的原因，把一種四季豆，固定在早期英國(guó)到處可見的那種水車上了！那時(shí)歐洲的水車通常都很大，有的高達(dá)近70米。把豆子固定在水車輪子的邊緣上，豆子相對(duì)于車輪是不動(dòng)的，但相對(duì)于外部卻是不停地轉(zhuǎn)動(dòng)的，一會(huì)兒向上、向右，一會(huì)兒向下、向左。而且，豆子們還都隨著水車的轉(zhuǎn)動(dòng)具有了離心力，因而在某段路程上，也就有了那么一點(diǎn)點(diǎn)“失重”的感覺。他在世界上第一次把水車系統(tǒng)變成了一個(gè)“模擬微重力實(shí)驗(yàn)場(chǎng)”。

真正意義上的微重力系統(tǒng)，是由德國(guó)一位名叫朱利葉斯·馮·薩克斯的植物學(xué)家發(fā)明的。英國(guó)的托馬斯先生去世時(shí)，朱利葉斯先生才剛剛6歲，但卻已經(jīng)開始癡迷于植物、真菌等的觀察、研究、繪畫、記錄和標(biāo)本收集了。與托馬斯先生相似的是，兩個(gè)人在這方面的研究都很扎實(shí)，成果也很多，而且都搞出了能夠“搞亂”植物“方向感”的系統(tǒng)。具體講，朱利葉斯的成就是建造了世界上第一臺(tái)回轉(zhuǎn)儀，用來消除地球?qū)χ参锏闹亓π?yīng)。

不過，不論是托馬斯，還是朱利葉斯，他們所借助或創(chuàng)造的“微重力系統(tǒng)”都是二維的，就是只能在一個(gè)平面上旋轉(zhuǎn)，要么垂直，要么水平，而且轉(zhuǎn)速也都不是很高，所以雖然在植物生理研究領(lǐng)域有了一些發(fā)現(xiàn)，但其成果都尚未達(dá)到廣泛應(yīng)用的程度。

真正的推動(dòng)力是科技

到了20世紀(jì)，意大利、日本、荷蘭的科學(xué)家們，都成功研制出了各自的三維回轉(zhuǎn)儀，而且都是高速。有的回轉(zhuǎn)儀已經(jīng)非常成熟，作為商品在植物科研市場(chǎng)上銷售了。

三維回轉(zhuǎn)儀等微重力系統(tǒng)的發(fā)明和發(fā)展，是人類植物學(xué)家主動(dòng)出擊，打破億萬年來大自然對(duì)植物變異的完全“壟斷”，開始干擾、影響和控制植物生長(zhǎng)過程，甚至是基因分子層面變異變化的全新探索。

這種全新探索，并不只是對(duì)地球引力的反抗和干擾?；蛘哒f，科學(xué)家們不約而同地發(fā)現(xiàn)，地球從全局宏觀意義上、對(duì)植物種子生長(zhǎng)過程大規(guī)模施加影響的“武器”，除了引力，還有磁場(chǎng)呢！那好，那我們就再探索一下，如果讓植物種子感受不到地球磁場(chǎng)，會(huì)發(fā)生什么樣的變化吧！

幾種可用于育種研究的高科技設(shè)施

▲ 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家微重力實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的百米微重力落塔

中國(guó)地震局的地震觀測(cè)與地球物理成像實(shí)驗(yàn)室零磁空間

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，尤其是磁場(chǎng)屏蔽材料及技術(shù)的提高，科學(xué)家們能夠得到一個(gè)盡可能將地球磁場(chǎng)和其他電磁信號(hào)屏蔽在外的小小空間環(huán)境，叫做“磁屏蔽室”。這樣的磁屏蔽室，美國(guó)、荷蘭、日本、芬蘭和德國(guó)等國(guó)家在20多年前就已建成，并且進(jìn)行了多個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和研究攻關(guān)。

我國(guó)也在1989年在北京的中國(guó)地震局地球物理研究所，建成第一個(gè)國(guó)家“零磁空間實(shí)驗(yàn)室”。雖然這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的主要任務(wù)是精密儀器校正及消磁等，但也使得針對(duì)模擬脫離地球磁場(chǎng)情況下的生物效應(yīng)研究逐步成為現(xiàn)實(shí)，國(guó)家攀登計(jì)劃課題“零磁空間對(duì)農(nóng)作物的生物遺傳效應(yīng)研究”等項(xiàng)目得以深入開展。

在此期間，先后有江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱作物研究所、黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物育種研究所、哈爾濱師范大學(xué)生物系等科研、教學(xué)單位的專家學(xué)者，在中國(guó)地震局、地球物理研究所和零磁空間實(shí)驗(yàn)室等的協(xié)作下，自1999年開始，利用零磁空間環(huán)境，先后對(duì)大麥、小麥、大豆、玉米、芝麻、花生、油菜、水稻、牧草等作物種子，進(jìn)行零磁空間對(duì)種子基因誘變效應(yīng)及作用機(jī)理等方面的研究，取得了大量寶貴的數(shù)據(jù)資料，也為人類探索新型育種技術(shù)積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

此外，還有一種出現(xiàn)較早、一直在用的誘變育種技術(shù)，就是輻射誘變。具體講，就是利用伽馬射線、X射線、紫外線等等去照射、轟擊作物種子，促發(fā)其細(xì)胞、基因等發(fā)生變化。其中用得較多的，是伽馬射線，因?yàn)檫@種射線能量很高，波長(zhǎng)又較短，所以具有很強(qiáng)的穿透能力，能夠把能量直接作用到作物種子的細(xì)胞、分子層面。

中國(guó)的科學(xué)家特別是農(nóng)業(yè)科技專家，對(duì)這種輻射誘變技術(shù)已經(jīng)運(yùn)用得非常成熟。如中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)所、湖南省原子能農(nóng)業(yè)應(yīng)用研究所、浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物與核技術(shù)利用研究所等單位的專家，都曾利用伽馬射線輻射技術(shù)，從現(xiàn)代生物學(xué)效應(yīng)及誘變效果系統(tǒng)分析的角度，對(duì)多個(gè)類別的水稻品種進(jìn)行誘變實(shí)驗(yàn)，育成一批優(yōu)質(zhì)水稻新品種。這些品種，普遍表現(xiàn)出早熟、抗倒伏等優(yōu)良性狀。

此外，自1987年起，中國(guó)的科學(xué)家們就開始大規(guī)模、成系統(tǒng)地利用高空氣球來進(jìn)行誘變育種探索研究。幾十年來，已經(jīng)先后對(duì)水稻、小麥、大麥、玉米、油菜、棉花、谷子等重要作物種子和食用菌菌種進(jìn)行了高空誘變，成功地獲得了一批優(yōu)良品種、品系，成為我國(guó)農(nóng)作物“種子庫(kù)”中的重要補(bǔ)充。

植物種子和菌種，為什么會(huì)在高空中出現(xiàn)異常變化，有些還能夠?qū)⑦@些變異遺傳給下一代呢？這是因?yàn)?，?dāng)高空氣球攜帶植物種子升到幾十千米以上的高度時(shí)，所處環(huán)境的大氣結(jié)構(gòu)、空氣溫度和密度、壓力、地磁等條件，所經(jīng)受的宇宙射線、紫外線等的強(qiáng)度，都與地面有著顯著的差異，必然會(huì)對(duì)種子細(xì)胞和基因產(chǎn)生重要影響，進(jìn)而促發(fā)變異。而這，正是農(nóng)業(yè)育種專家們所期望出現(xiàn)的。

事實(shí)上，對(duì)上述微重力、弱磁場(chǎng)和高空氣球等幾種誘變育種技術(shù)，農(nóng)業(yè)育種專家們幾十年來一直都在加以綜合利用，目的就是進(jìn)一步加強(qiáng)各種“非正常因素”對(duì)種子細(xì)胞和基因的影響，促發(fā)更頻繁、更深刻的變異，以便得到更多更好的新品種。

但是，這很麻煩，耗時(shí)很長(zhǎng)，很難從宏觀意義上做大做強(qiáng)。分布在全國(guó)各地的農(nóng)業(yè)科研院所、大專院校的農(nóng)業(yè)育種專家，也不容易做到不論什么項(xiàng)目都能提前周知、統(tǒng)一步調(diào)、協(xié)作進(jìn)行。更關(guān)鍵的是，像零磁空間實(shí)驗(yàn)室、三維回轉(zhuǎn)微重力系統(tǒng)等場(chǎng)所和設(shè)備，也并非任何一個(gè)科研單位、任何一名農(nóng)業(yè)專家，都能隨時(shí)買得起或用得起的。我們的農(nóng)業(yè)科學(xué)家，尤其是一些經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)的育種專家，雖然責(zé)任更大，但條件卻相對(duì)并不那么優(yōu)越，有的甚至一直在科研上過“苦日子”和“緊日子”。所以，不能不另想辦法——那種事半功倍、一箭多雕的好辦法。

▲ 種子吊裝進(jìn)衛(wèi)星

超級(jí)實(shí)驗(yàn)室就在天上

于是，大家就不約而同地想到了一個(gè)地方——科學(xué)家們?cè)诘孛嫔腺M(fèi)盡力氣創(chuàng)造或模擬出的這樣或那樣的極端環(huán)境，而在那個(gè)地方這些條件卻是無處不在、無時(shí)不有，同時(shí)具備、更加強(qiáng)大——那就是太空。

太空，它就在地球的周圍，就在我們的頭頂上，而且已經(jīng)存在億萬年了。最近幾十年來，人類逐步實(shí)現(xiàn)了從“航空”到“航天”的“龍門之躍”。雖然最遠(yuǎn)只是去了幾趟月球，連載人飛去火星這樣的“近鄰”都尚未做到，但人類的“飛天”之夢(mèng)，畢竟已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)了。這一步，已經(jīng)邁出，包括人造衛(wèi)星、返回式飛船、往返式航天飛機(jī)……這些技術(shù)都已經(jīng)非常成熟，這是不爭(zhēng)的事實(shí)。

對(duì)農(nóng)業(yè)育種科技來說，這一步，就已經(jīng)足夠了，因?yàn)橛N專家們的目的就是“較短時(shí)間實(shí)現(xiàn)變異，拿回地面進(jìn)入選育”。所以，我們所說的對(duì)育種科技最為合適的、最大最強(qiáng)的“超級(jí)實(shí)驗(yàn)室”，主要就是指當(dāng)前人類各種航天器能夠順利到達(dá)、而且能夠安全返回的地外空間，也就是已經(jīng)離開地球大氣層，但又不必跑得太高太遠(yuǎn)，距離地面幾十千米到幾百千米的區(qū)域。

那里，正是育種專家們夢(mèng)寐以求的地方，人類科學(xué)家上百年來努力創(chuàng)造和模擬的、能夠超越地球表面自然狀態(tài)的極端環(huán)境，那里都有，全都是現(xiàn)成的，而且一直都有，永遠(yuǎn)都有，除非宇宙消亡。

歷史比地球年齡還要久遠(yuǎn)的“太空超級(jí)實(shí)驗(yàn)室”、逐步成熟的航天科技，促使人類育種科技發(fā)展史上一個(gè)全新的概念橫空出世，這就是“航天育種”。

所謂航天育種，目前科學(xué)家們已經(jīng)給出明確的定義：航天育種又叫空間誘變育種，是指利用航天器將農(nóng)作物種子、組織、器官等誘變材料送入太空，利用空間特殊環(huán)境的誘變作用,使其產(chǎn)生變異，再返回地面選育新種質(zhì)、新材料、培育新品種的作物育種新技術(shù)。

責(zé)任編輯：夏丹

航天育種大事記

1987年，中國(guó)第九顆返回式科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星的成功發(fā)射，一批農(nóng)作物種子、菌種和昆蟲等地球生物被送上太空，開啟了中國(guó)農(nóng)作物種子首次太空之旅。

1991年，“航天效益工程”提出，航天育種被列為航天效益工程的重要項(xiàng)目。

1995年，農(nóng)業(yè)部和中國(guó)航天等就進(jìn)一步加強(qiáng)中國(guó)航天育種工作進(jìn)行多次專門會(huì)談、研討，專家一致建議將航天育種工程列入國(guó)家重大科技工程計(jì)劃。

2000年2月，原國(guó)家計(jì)委批復(fù)了航天育種工程項(xiàng)目建議書。

2003年4月，國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)《關(guān)于審批航天育種工程項(xiàng)目可行性報(bào)告的請(qǐng)示》，同年5月，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、財(cái)政部、國(guó)防科工委共同下達(dá)《印發(fā)關(guān)于審批航天育種工程項(xiàng)目可行性研究報(bào)告的請(qǐng)示通知》。2005年4月，國(guó)防科工委在北京召開航天育種衛(wèi)星工程第一次大總體協(xié)調(diào)會(huì)，明確了“航天育種系統(tǒng)工程研制總要求”各項(xiàng)內(nèi)容，同年7月正式批準(zhǔn)《航天育種系統(tǒng)工程研制總要求》，中國(guó)航天育種工程開始實(shí)施。

2006年，中國(guó)首顆以空間誘變育種為主要任務(wù)的返回式科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星——“實(shí)踐八號(hào)”衛(wèi)星將208.8公斤農(nóng)作物種子和生物試驗(yàn)材料發(fā)射升空，在軌運(yùn)行15天后成功返回。自此，揭開了我國(guó)航天工程育種的歷史新篇章。

2007年科技部將航天工程育種列為“十五”國(guó)家863計(jì)劃。

2008年農(nóng)業(yè)部將航天工程育種列為國(guó)家科技支撐計(jì)劃。

2011年，航天工程育種被正式列入國(guó)家“十二五”戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃。

2012年，“水稻、小麥等作物航天工程育種課題”被列入國(guó)家“十二五”863計(jì)劃。

2015年，空間誘變作為主要農(nóng)作物誘變育種方向被列為“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 “七大農(nóng)作物育種”試點(diǎn)專項(xiàng)。

相關(guān)鏈接：

轉(zhuǎn)基因是另外一碼事

太空種子確實(shí)發(fā)生了基因變異，但這種變異卻不是轉(zhuǎn)基因。

所謂轉(zhuǎn)基因，是指將某種生物，比如植物甲，把它的基因中的一個(gè)或一組片段，轉(zhuǎn)移到另一種完全不同的生物，比如植物乙的基因組合之中，由此創(chuàng)造出一個(gè)新的生物來，比如植物丙。植物丙，可能與植物甲、也可能與植物乙外形相似，但三者的基因組都不相同。

簡(jiǎn)單說，轉(zhuǎn)基因就是在某種基因中引入外來基因。而太空種子所發(fā)生的基因變異，卻完全是在某個(gè)種子的單體內(nèi)部完成的。當(dāng)種子處于微重力、弱地磁、高真空、超低溫、高潔凈、多變化的太空環(huán)境中，被來自四面八方的高能宇宙射線“轟擊”時(shí)，其內(nèi)部DNA上的基因中，會(huì)發(fā)生斷裂、扭曲、重組等各種變化。

那時(shí)，種子的基因們只要沒有被完全摧毀，就會(huì)僅僅發(fā)生變異而不是消亡；當(dāng)種子回到地面、種入土壤，并發(fā)芽出苗、成長(zhǎng)壯大時(shí)，它所表現(xiàn)的各種特征，就都是受到變異后的基因所控制的了。但是，在接受射線轟擊、發(fā)生變異，再回到地面種入土壤的全過程中，每一個(gè)種子的基因變化都是“自主完成”的，沒有任何一點(diǎn)外來基因的干涉和參與，就連跟這個(gè)種子擠在一起的其他同類種子的基因，也不可能跑過來跟它搗亂一下，除非是返回地面后的繁殖過程中，同種植株之間通過花粉傳播等途徑實(shí)現(xiàn)“自交”。

所以，太空種子只是在“變基因”，而不是在“轉(zhuǎn)基因”；小麥依然是小麥，只不過變得產(chǎn)量更高，或者更抗倒伏；青椒依然是青椒，只不過變得個(gè)頭更大，口感更佳?？傊?，永遠(yuǎn)不會(huì)“小麥吃出青椒味，青椒用來做面包”。

早期兩位植物學(xué)家

托馬斯·安德魯（Thomas Andrew 1759-1838）英國(guó)皇家園藝學(xué)會(huì)會(huì)員，爵士。自牛津大學(xué)貝利奧爾學(xué)院畢業(yè)后，主攻園藝及水果、蔬菜等方面的植物生理學(xué)研究，獲得大量突破性成果，是世界上最早利用水車來對(duì)植物種子進(jìn)行“反引力”或稱“微重力”促發(fā)性狀變異研究的專家。

朱利葉斯·馮·薩克斯（Julius von Sachs 1832-1897）德國(guó)著名植物學(xué)家。從小就鐘情于自然科學(xué)，后來專門從事植物學(xué)研究，尤其是對(duì)植物細(xì)胞、光合作用、運(yùn)用微量化學(xué)方法等等均有獨(dú)到發(fā)現(xiàn)。主持建造了世界上第一臺(tái)專用回轉(zhuǎn)儀，用于消除地球?qū)χ参锷L(zhǎng)的重力效應(yīng)。