空間誘變下的“神秘”種子

趙 靚

中國(guó)農(nóng)業(yè)博物館館藏“實(shí)踐八號(hào)”育種衛(wèi)星返回艙

2021年6月17日，神舟十二號(hào)載人飛船在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，同時(shí)飛入太空的還有艙內(nèi)搭載的植物種子。這些去太空“旅游”一圈的種子看似神秘，其實(shí)在它們返回地面后，會(huì)被科研人員接回實(shí)驗(yàn)室，用于后續(xù)的育種工作，選擇培育創(chuàng)造新的優(yōu)良品種。

科研人員讓種子上太空“旅游”的工作，被稱作是空間誘變育種，也叫太空育種、航天育種。這種育種方式是將精心選擇過(guò)的植物材料搭載上太空，植物材料在空間輻射、微重力、超真空、交變磁場(chǎng)、飛行器的機(jī)械運(yùn)動(dòng)等多種誘變因子的綜合作用下，產(chǎn)生很多有益的遺傳變異，再經(jīng)回到地面后的繁殖、栽培和測(cè)試，篩選新種質(zhì)，培育新品種。大量的實(shí)踐研究證明，空間誘變技術(shù)可以充分利用太空的獨(dú)特條件，創(chuàng)造出地面難以模擬的環(huán)境，獲得普通育種方式難以得到且具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值的罕見(jiàn)突變，創(chuàng)造出新的種質(zhì)資源。

與其他的育種方式相比，空間誘變育種具有很明顯的突出特點(diǎn)。第一，空間誘變育種的誘變效率非常高，可以產(chǎn)生很大的變異幅度，并且有益變異多，為后續(xù)的育種工作提供更大的選擇空間；第二，發(fā)生變異的性狀能夠很快地穩(wěn)定下來(lái)，一般經(jīng)過(guò)四代的播種或無(wú)性繁殖后即可穩(wěn)定。但是空間誘變育種依舊具有不定向性，變異方向很難進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)和控制。

對(duì)于這樣一種“神秘”的育種方式，農(nóng)作物的食品安全問(wèn)題成為社會(huì)大眾更為關(guān)注的話題。可以肯定的是，空間誘變育種是安全的。根據(jù)《中國(guó)國(guó)家生物安全框架》，只對(duì)現(xiàn)代生物技術(shù)即轉(zhuǎn)基因進(jìn)行生物安全性的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)管理，而現(xiàn)代生物技術(shù)不包括“化學(xué)和物理誘變技術(shù)”。空間誘變育種在太空中受到輻射的劑量甚至比物理誘變輻射的劑量還要少，僅相當(dāng)于一名核輻射從業(yè)人員一年吸收的核輻射安全累計(jì)量的1/10，因此這種育種方式是非常安全的。另外，與轉(zhuǎn)基因相比，這種育種方式是誘導(dǎo)農(nóng)作物自身發(fā)生變異，而轉(zhuǎn)基因是外源基因的導(dǎo)入，所以空間誘變育種不存在類(lèi)似轉(zhuǎn)基因的生物安全問(wèn)題。

空間誘變育種看似是一項(xiàng)“神秘”的技術(shù)，其實(shí)早在20世紀(jì)60年代初，蘇聯(lián)科學(xué)家便開(kāi)始了對(duì)擬南芥進(jìn)行全過(guò)程的太空搭載試驗(yàn)，由此揭開(kāi)了空間誘變育種的序幕。之后，美國(guó)、德國(guó)等也陸續(xù)開(kāi)展了太空搭載植物的試驗(yàn)，探索太空環(huán)境對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生的影響。20世紀(jì)80年代中期，美國(guó)的飛船搭載了番茄的種子飛上太空，成功育成了無(wú)毒并且可食用的番茄品種，這是空間誘變育種研究歷史上首例真正意義上的落地成果。1994年，俄羅斯開(kāi)始與美國(guó)宇航局合作，在“和平號(hào)”空間站先后進(jìn)行了多次太空試驗(yàn)，成功地在空間站種植出小麥、白菜以及油菜等植物品種，取得了舉世矚目的進(jìn)展。進(jìn)入21世紀(jì)，美、日、西歐已將太空植物的培育作為重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目，美、俄兩國(guó)已先后培育出百余種太空植物，其中包括蘿卜、甘藍(lán)、番茄 、萵苣、黃瓜、甜菜、馬鈴薯、洋蔥等蔬菜。

我國(guó)也是世界上最早開(kāi)展空間誘變育種研究的國(guó)家之一，在研究技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化成果等方面，無(wú)論是深度和廣度，均居世界領(lǐng)先水平。我國(guó)的空間生命科學(xué)試驗(yàn)始于20世紀(jì)60年代，從1964年到1966年，我國(guó)先后發(fā)射了5枚生物探測(cè)火箭，對(duì)小白鼠、狗以及其他生物樣品進(jìn)行試驗(yàn)，為我國(guó)空間生物科學(xué)研究邁出了具有歷史意義的第一步。1987年8月5日，我國(guó)發(fā)射的第9顆返回式衛(wèi)星首次嘗試將小麥、辣椒、水稻等種子搭載升空。

近年來(lái)，我國(guó)航天事業(yè)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展迅猛，為空間誘變育種的深入研究創(chuàng)造了有利條件，空間誘變育種技術(shù)逐漸卸下“神秘”的外衣。經(jīng)過(guò)30多年的研究，我國(guó)空間誘變育種產(chǎn)業(yè)已經(jīng)取得了非常豐碩的成果，先后搭載過(guò)水稻、玉米、小麥等糧食作物的種子，紅景天、鐵皮石斛、五味子等草藥的種子，紫花苜蓿、胡枝子、白三葉等牧草的種子，茄子、南瓜、辣椒等蔬菜的種子，串紅、紅蓮、牽牛等花卉的種子，紅豆杉等樹(shù)木的種子。空間誘變育種的研究成果也已經(jīng)走進(jìn)了千家萬(wàn)戶，讓每個(gè)人都享受到了“神秘”太空帶給我們的“驚喜”果實(shí)。截至2018年，我國(guó)通過(guò)空間誘變育種培育的作物，累計(jì)推廣種植面積超過(guò)240萬(wàn)公頃，增產(chǎn)糧食約13億公斤，創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益高達(dá)2000多億元。

空間誘變育種除了能讓我們品嘗到空間誘變育種所育成的食物，還能讓我們近距離地感受到空間誘變育種的“神秘”魅力的，是一件收藏于中國(guó)農(nóng)業(yè)博物館的珍貴藏品——“實(shí)踐八號(hào)”育種衛(wèi)星返回艙。返回艙的最大直徑約1米，高約1.5米，底大頭小，形似羽毛球。返回艙的表面還有在返回地球時(shí)隔熱層被大氣層摩擦后灼燒的痕跡。

這顆衛(wèi)星于2006年9月9日下午3時(shí)，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心被長(zhǎng)征二號(hào)丙運(yùn)載火箭成功送入預(yù)定軌道，返回艙內(nèi)搭載了精心選擇的糧、棉、油、蔬菜、林果花卉等9大類(lèi)約215公斤，共計(jì)2020份農(nóng)作物種子和微生物等材料。2006年9月24日，在近地軌道上運(yùn)行355小時(shí)、900多萬(wàn)公里后，“實(shí)踐八號(hào)”育種衛(wèi)星返回艙準(zhǔn)確落入四川遂寧預(yù)定回收區(qū)域。

返回艙回收后，攜帶上太空的試驗(yàn)材料隨即被運(yùn)抵北京進(jìn)行審驗(yàn)，之后交由農(nóng)業(yè)專(zhuān)家進(jìn)行地面育種研究。這些試驗(yàn)材料產(chǎn)生了很多有益的遺傳變異，比如更加鮮艷的瓜葉菊、維生素C含量更高的太空黃瓜、產(chǎn)量更高的太空柿子椒等。“實(shí)踐八號(hào)”育種衛(wèi)星是我國(guó)首顆專(zhuān)門(mén)用于空間誘變育種研究的返回式科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星，有效地帶動(dòng)了我國(guó)空間誘變育種技術(shù)的新品種選育與示范工作。

先進(jìn)的太空航天技術(shù)為快速培育優(yōu)良品種及特異種質(zhì)資源開(kāi)辟了一條新途徑，為人類(lèi)進(jìn)入太空農(nóng)業(yè)時(shí)代展示了美好的前景。近年來(lái)，空間誘變育種技術(shù)已經(jīng)從科研階段轉(zhuǎn)移到產(chǎn)業(yè)化階段，空間誘變育種成果逐漸成熟、經(jīng)濟(jì)價(jià)值逐漸顯現(xiàn)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展初具規(guī)模，新品種的選育、示范基地的建設(shè)、產(chǎn)業(yè)的融合推廣等方面均取得了顯著成效，有效地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平，增加了農(nóng)民收入。在未來(lái)的育種工作中，空間誘變育種技術(shù)將持續(xù)在創(chuàng)新種質(zhì)資源、培育優(yōu)良品種、保障糧食安全、促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展、提升我國(guó)在國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力等方面發(fā)揮巨大的作用。