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【深度科普】经历太空之旅,“天选之种”何去何从

来源:中国数字科技馆
  日常生活中,人们总戏称“种菜”是刻在中国人基因里的习惯。虽是戏言,但拥有着几千年农耕历史和文化的我们,确实对“耕种”有着一种难以割舍的情怀。中国人的一年是在春种秋收、夏耘冬藏中度过,四季寒暑的交织与作物的生长休戚相关,因而我们对种子也有了更多的期待,好的收成从一颗好的种子开始。在追求好种子的路上,有许多尝试,改良选种、引进良种,选育新种……,伴随我国航天事业的蓬勃发展,载人飞船频频从太空遨游归来,航天科技也为我们找到“好种子”提供了机会。
什么样的种子可以被送上天?
  每一颗拥有“太空船票”的种子都不简单,首先要确认种子的合法性、可行性、效益性,然后是种子本身的质量,只有种子中遗传稳定性高、综合性状好的优胜者才是优选。有人将种子前往太空的过程形容为“优等生”的超前班进修,这个比喻很是恰当。被选中上天的种子从本身质量和整体特点上,都是优中选优,每一粒都经过精心挑选并通过搭载样本的地面试验、检验(测)、封装、装舱、发射和回收、开舱等一系列工作。2022年5月19日,中国载人航天工程办公室公布了神舟十二号和神舟十三号载人飞船航天育种实验项目清单,只有88家单位上千件(份)作物种子、微生物菌种等种质材料得到了飞天的机会。
航天搭载后经过公证的种子,什么样的种子可以被送上天
航天搭载后经过公证的种子
  据统计,我国已经完成太空遨游的种子数量和类别都极为丰富。水稻、玉米、小麦等粮食作物种子,红景天、铁皮石斛、五味子、防风、甘草、红花等中草药种子,紫花苜蓿、新麦草、胡枝子、红豆草、柳枝稷、杂交狼尾草、白三叶等牧草种子,茄子、南瓜、辣椒、豇豆、白菜等蔬菜种子,串串红、红莲、牵牛等花卉种子,红豆杉等树木种子。它们都曾搭载各种航天器上天,除了常见品种,不同地方的主栽特色品种和稀缺物种也会“上天”。神舟十二号就曾搭载中草药种子,比如石斛,甚至还有窖泥、酒曲这样的微生物。
种子的太空之旅
  人们费心费力地将种子送上天,到底是为什么呢?频频见诸各个新闻报道的航天育种又有怎样的目的呢?归根结底那是为了依靠特殊的太空环境,实现种子“基因突变”。其实这一愿景并不是航天育种的专属,早在人类农耕之时,就已经出现。人类早期,一些基因的自然突变,导致表现优异的植株被发现,它们展示出的高产量、高存活率等优越性,令人们欣喜若狂,并开始定向培育这些“优秀选手”。只是那时的人们并不知道这些种子突然变化的原因,而现在随着科学技术的发展,影响种子性状变异的秘密被揭开,其内部的DNA序列和结构是根因。同时,人们也掌握了多种改良种子的方法,通过技术手段制造各种极端的环境,比如激光照射、电离辐射、化学物质浸泡等,就可以主动出击,促进种子基因突变,获得大量性状变异的种子,再筛选出表型更优秀的种子。但是这些方式需要花费漫长的时间,参与其中的科研工作者也将面临长期枯燥的观察与记录。而在空间环境中的高能粒子辐射、微重力、高真空等综合因素协同作用下,植物种子的DNA被双链击穿,产生断裂并重新排序,而人造的诱变技术只能让DNA被单链击穿,相比之下空间诱变育种变异率更高。
  因此人们将目光转向太空,将种子送上太空,改变其环境。在太空中,存在着丰富的宇宙射线,可能会对人体造成损伤,人类需要穿着宇航服来保护自己,但也正是这些多样的宇宙射线,营造出一个在地球上无论用怎样的技术手段都模拟不来的“新环境”。送上太空,只是诱发种子进行基因突变的一个环节,让种子去这种充满不确定的环境里逛上一圈,使其内部DNA序列或结构发生变异。在种子们上天之后,需要依靠电脑控制或宇航员操作,对种子的生存状况随时监测。另外,还要计算航天器角度、地球位置等,为的就是确保在有限的时间里,种子能尽可能多地和宇宙射线发生交集,受到更强烈的射线轰击。
  将“种子送上太空”就是将植物种子或枝芽搭载于返回式航天器,利用太空微重加重离子、多种宇宙射线、大交变磁场和短期过载等因素,使种子基因发生突变。
  北京长箭科技有限公司总工程师、原中国航天育种研究中心总工程师杨凯说:“航天育种是航天技术、生物技术与农业遗传育种相结合的交叉学科,是综合了宇航、辐射、遗传和育种等学科的高新技术,是传统诱变育种方法在航天领域的延伸,30多年的航天育种科研工作,充分验证了航天育种变异频率高、变异稳定快、有益变异多、变异遗传性好等特点。空间诱变具有诸多优势,其中最重要就是能够大幅提高材料的突变频率,能够在较短的时间内创造出地面诱变育种方法难以获得的罕见有益基因突变,可以创造兼具多种有益性状的新种质、新材料,可广泛应用于选择育种、杂交优势育种和分子育种等多种育种实践中,能够缩短育种周期,在较短时间内培育出突破性的优良品种。
“太空历练”的种子会发生啥变化?
  在绝大部分情况下,航天器都有着首要飞行任务,航天育种则需要“搭车”。当种子进入太空,航天器内部的温度通常维持在50摄氏度至零下15摄氏度之间,平均温度可以保持在25摄氏度,这对种子来说是个安全的温度区间。在航天器的庇护下,种子们不用额外提供生存保障,也能平安地完成太空旅行。
  那么,这些种子们会发生什么变化呢?西瓜种子结出的西瓜会更甜?水稻会更高产?西红柿会变大?答案不是肯定的,科学家们发现,经过太空历练的种子的发芽率、作物产量、抗病性、抗虫性、养分含量以及植物花朵的颜色、高矮等性状都会发生改变。但其变化并没有什么规律,大都是随机性的,且航天育种并不能使每一颗种子都发生突变,据统计,对人类有益的突变也大约只占3‰左右。
  具体来说,就种子发芽率而言,小麦、玉米、棉花、向日葵、大豆、黄瓜和番茄的种子经过太空辐射后,它们的种子活力和发芽率都有所提高;而水稻、谷子、豌豆、青椒、烟草等植物种子的发芽率则与未上过太空的种子相比并无显著差异。除此之外,高粱、西瓜、茄子和萝卜的种子在经过太空历练后,发芽率甚至会降低,高粱种子萌发和幼苗生长受到强烈抑制,生育期推迟。
  这也表明了,并不是所有植物都适合航天育种,航天育种也不是万能的。不过值得惊喜的是,我国对水稻、小麦、棉花、青椒和芝麻等作物利用航天育种的方式获得了一系列的新品种,其中已通过国家或省级审批的新品种超过200多个。目前,在山东、河北、江苏等地都有航天育种蔬菜销售市场,航天育种蔬菜比普通蔬菜价格会贵一些。但航天育种蔬菜味道好、营养丰富,经国家相关机构对比,航天育种蔬菜比普通蔬菜的营养含量高约30%左右。
航天育种,航天育种优势
航天育种优势
  所以专家这样解释这种诱变:“航天诱变和‘开盲盒’有几分相似。在诱变过程中,种子的遗传物质哪一部分会变、什么时候变、变成什么样,这其中存在着极大的随机性和不可控性。在实际培育前,谁也不清楚种子存在怎样突变。但整体来看,在太空环境中种子可能出现的变异幅度大、突变位点多,变异稳定性更强。”
当种子回到地面
  有人觉得种子上了天就可以一劳永逸,种下后就可以“就地躺平”,等待收获。这种想法太过主观了,因为上过天的种子有变好的也有变坏的,诱变具有随机性,性状可好可坏。这也是为什么种子落地后还要经历严谨的地面选育。这是育种时非常关键的一步,地面选育需要进行多代筛选培育、优中选优,历时短则三五年、长则十余年,最终由农作物品种审定委员会审定,“天选之种”才算得到认证。因此,还需要几年的培育进行定向筛选。
  以小麦的育种为例,需要以下4个步骤:
  (1)观察一代种子。上过天的种子是一代种子,将一代种子种下去,科研人员任其生长不做筛选,只记录其一些变异性状。
  (2)优选二代植株。将一代植株所结的种子继续播种,培养第二代植株,接着继续对二代植株进行观察,由于第二代植株的突变率增加,变异更明显,根据育种需求进行定向选择。如想要获得抗倒伏特性的小麦,则筛选变矮的植株;想要提高小麦产量,就筛选穗子变大的植株;想要一年多次收获,则筛选早熟的植株。
  (3)确定植株稳定性。将上面筛选出的种子继续播种,让其自交繁殖,如此繁育3-4代后,观察这些变异的性状是否能够稳定遗传。
  (4)群体比较和异地试种。对具有遗传稳定性的种子进行群体比较试验以及在不同地理位置的试种试验,从而确定其在不同环境下是否都能稳定地表现出优良的变异后性状。
“太空四号”小麦,航天育种培育的“太空四号”小麦
航天育种培育的“太空四号”小麦
  因此,每次上过太空的种子并不是在太空“转一转”,种到地里就可以。太空良种的培育是一个精细的过程,普通种子经过太空处理之后,还需要在地面进行选育、试种,经过几代的选育和淘汰,好的性状才能稳定下来,最终培育而成高产、优质的农作物新品种。许多经太空旅行的蔬菜的味道就比普通方式培育的蔬菜口感更好。“太空胡萝卜”的口感清爽;“太空紫薯”还有水果一般的口味;“太空土豆”外皮呈黑色,内里是紫色,富含花青素,有美容保健的作用。综合来说,选育出的太空良种的特点是有益变异多、变幅大、稳定性好以及高产、优质、早熟、抗病力强等。
航天育种安全吗?
  一方面,人们希望看到送上太空的种子产生质一般的飞跃,但同时也有人会对航天育种所培育出的新种子有安全方面的担忧,地面上普通的青椒、番茄、黄瓜,上天转一遭回来,就摇身一变换了模样,很多人担忧起它们的食品安全。
  北京长箭科技有限公司副总工程师、原中国航天育种研究中心工程师王涛说:“首先航天育种并非我国首创,早在上个世纪60年代初,前苏联和美国的科学家就已经开展过将植物种子搭载卫星上天的相关实验研究,并将这项技术用于解决空间站里航天员的食品自给问题。其次在上个世纪80年代,世界卫生组织、世界原子能机构、世界粮农组织共同认定航天育种产品是安全的。
  科学家们为此也做了检测分析,经过航天育种的水稻依然是水稻,青椒依然是青椒,并无外源基因介入,物种没有发生本质的变化。这就比如DNA的基因排列是“1、2、3、4”,经航天育种后的基因排列是“1、3、4、2”,只是排序发生变化。
航天育种,航天育种流程示意图,航天育种安全吗
航天育种流程示意图
  北京长箭科技有限公司董事长、原中国航天育种研究中心集团事业部主任骆斌介绍:“从地球上有生命以来,生物多样性不断进化,并产生了众多的物种,从而达到了我们所见的复杂世界,导致这些巨多变化的根本原因是生物体均暴露在来自宇宙、太阳、甚至地球本身的电离辐射中,这些辐照导致生物体产生了突变,大多数突变体不能存活,但在极少数情况下,有益突变体变成了新品种,这使得它们在广阔的自然环境中生存和成长。几千年以来,人类通过选择和培育那些最好的自然变异品种并从中受益,而现在的我们不需要再等待大自然的恩赐。早在上个世纪20年代,科研人员已经发现通过人工电离辐射能够诱发有益突变,作物育种家可以提高自然突变的频率,自此开启了人工辐射诱变育种1.0时代,而如今随着航天科技的发展,人工辐射诱变育种2.0时代已经到来。
  从航天育种的过程来看,这种变异本质上和自然界植物的自然变异一样,只是太空中的特殊环境加速了生物界需要几百年甚至上千年才能产生的自然变异。换言之,这种培育方式并没有将外源基因导入作物基因组中使之产生变异。虽然作为诱变育种技术,航天育种会令作物本身的染色体产生缺失、重复易位、倒置等结构变异。而且我国有关转基因安全管理规定中也特别排除了对自身通过突变产生的新物种的管理,也说明航天育种的安全性是有保障的。
  面对担忧,专家们也给出了解释:“我国是诱变育种大国,传统的物理化学诱变研究和应用比较成熟,是相对安全高效率的育种技术,航天诱变是以宇宙重离子辐射诱变为主的诱变,是现代的诱变源,结合成熟的选育技术,有利于创制新种质资源,选育新品种。”
中国的航天育种之路
  航天育种的关键词是航天,在航天器设计时,工程师往往会根据科学研究需要保留一定的载荷工程余量,这些弥足珍贵的空间资源,就是种子们上天的“座位”,也能更好地发挥航天器的效益。中国的航天育种之路起源于航天科技人员“我们自己也要送点东西上天!”的决心,也是中国航天服务于国民经济的体现。
  在“国家高科技研究发展计划(863计划)”的支持下,1987年8月5日,我国第九颗返回式卫星搭载着精挑细选的小麦、水稻、青椒等百余个品种的农作物种子,顺利完成了首次航天育种“太空之旅”。返回地球后,它们随即被分发至各地的科研机构,再次被栽入土地。果然,种子的基因突变率和突变类型都有显著增加。经过杂交选育,科研人员陆续从这批种子中培育出了大豆“铁丰18”、棉花“鲁棉1号”等一批获得了国家发明奖的优秀新品种,这些珍贵的基因资源,在自然界中是极难获得的。
  这样的尝试一直没有停止,从1999年神舟一号发射任务开始,历次载人航天工程发射都会从珍贵的载荷资源中拿出一部分余量,用于作物种子和植物材料的空间搭载诱变实验。难得的机会下,种子们要想成为航空器的“乘客”,须经过层层选拔,科研单位的项目要通过创新性、技术可行性评审,等待飞天的种子也必须通过纯度、净度、发芽率等标准的筛选。基因型纯合、遗传稳定、综合性状优异的种子,才可以拥有太空旅行的机会。
  到2006年9月,我国的农作物种子第一次拥有了太空专属“座驾”——实践八号返回式卫星成为我国首颗专门服务于农业科技、应用于航天育种的科学试验卫星。一开始,农业部办公厅、国防科工委办公厅联合发文面向全国各地征集了大量主栽作物和特色品种,在直径约1米、高约1.5米的小巧卫星返回舱内,满满地搭载了粮、棉、蔬菜、林果、花卉等共九大类、152个品种、2020份种子,其中包括16种微生物、3种动物,总重量约215千克。
  30多年间,我国已经对几乎所有的农作物种子、大部分的林木花卉种子开展了航天器搭载。以我们最为熟悉的神舟系列飞船为例,它们的每一趟太空之旅,都带着种子一起上天,神舟五号带了1公斤植物种子,神舟六号带了秋海棠、苦苣苔和灯盏花等植物种子,神舟七号带了87个品种的蔬菜种子,神舟八号带了红豆杉、橄榄种子,神舟九号带了云南普洱茶种子,神舟十号带了人参种子……数量和种类的增加都见证着航天育种事业的发展。
  几十年下来,致力于航天育种的中国科技工作者培育出了一些新的突变类型和具有优良农艺性状的新品系。
  例如,在水稻方面,水稻种子经卫星搭载育种试验获得了株高、分蘖力、穗型、粒型和生育期等性状变异。经选育试种已获得增产20%的丰产优质品系,亩产可达400~600千克,有的达750千克。
  在小麦方面,已获得矮杆、早熟和丰产材料,培育出了矮杆抗倒伏、抗病害的类型,可有效减少倒伏和病害造成的损失,生育期可缩短10天左右。在谷子方面,经太空处理的种子诱发多种变异,如穗粗长、穗型奇特(鸡爪形、球形)、不育型等,为进一步培育谷子新品种提供了可行性。
  在蔬菜方面,经多年培育,太空处理的青椒已获得单果重350~500克的早熟抗病新品系,亩产可提高一倍;采用集团选育法,经多代集团选择与培育的太空番茄已经获得增产15%以上的抗病新品系。很多航天育种蔬菜都已经走入寻常百姓家,成为盘中餐了。
航天育种,航天育种蔬菜,中国的航天育种之路
航天育种蔬菜
  经过30多年的发展,我们航天育种产业已经取得丰硕成果。我们已经通过航天育种培育的作物累计推广种植面积超过240万公顷,增产粮食约13亿公斤,创造直接经济效益2000多亿元。
  随着我国空间站的建成,一定会有更多、更丰富的种子频繁“出差”太空,也会有更多优良新品种的出现。种子在没有萌发之前,人们并不会直接感知到其中蕴含的旺盛生命力。每一颗送上太空的种子都寄托着人类的美好愿景,即使最终的变异成果有好有坏,但人类追求生物与宇宙奥秘的脚步永不停歇。当中国人的航天梦与丰收梦相结合,种子既可以上天,也可以落地。
  作者:程方洁
  文字审核:陈洋
  科学性审核:骆斌 北京长箭科技有限公司董事长、原中国航天育种研究中心集团事业部主任
  杨凯 北京长箭科技有限公司总工程师、原中国航天育种研究中心总工程师
  王涛 北京长箭科技有限公司副总工程师、原中国航天育种研究中心工程师
  权明洋 北京林业大学博士、讲师
  熊银 华中农业大学博士 武汉轻工大学讲师 
  参考来源:《问鼎苍穹的航天之旅》、《中国少年儿童科学阅读》、《中国少年儿童百科全书 神奇科学》、中国载人航天官方网站、中国航天科技集团有限公司官方网站、国家航天局官方网站、中华人民共和国农业农村部官方网站、中央纪委国家监委网站、人民资讯百家号
本文来自:中国数字科技馆
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