【農業科(kē)技(jì )】解密太空育種

近日，神舟十三号載人飛船返回艙在京完成開艙，工(gōng)作(zuò)人員開艙取出包括作(zuò)物(wù)種子在内的搭載物(wù)品。（中(zhōng)國(guó)載人航天工(gōng)程辦(bàn)公(gōng)室供圖）

近日，神舟十三号載人飛船返回艙在北京開艙，雲南省政府、甯夏回族自治區(qū)政府、陝西榆林市政府、中(zhōng)國(guó)農業大學(xué)、北京林業大學(xué)、北京市農林科(kē)學(xué)院、中(zhōng)農發種業集團股份有(yǒu)限公(gōng)司、航天育種産(chǎn)業創新(xīn)聯盟等單位搭載的作(zuò)物(wù)種子順利出艙。

什麽樣的種子能(néng)拿(ná)到太空旅行的珍貴“船票”？當一粒種子進入浩瀚太空，會經曆怎樣的奇妙旅程？“天選之種”又(yòu)将如何改變我們的生活？記者采訪了相關單位和專家，解密太空育種。

約12000顆種子搭乘神舟十三号返回地球，遺傳穩定性高、綜合性狀好的種子才能(néng)脫穎而出“遊太空”。

神舟十三号返回艙大底朝下、艙門朝上，身穿白色工(gōng)作(zuò)服的工(gōng)作(zuò)人員小(xiǎo)心翼翼地爬上梯子，爬進艙内，将一個個用(yòng)白布包好的方形包裹依次遞給艙外的工(gōng)作(zuò)人員。做好登記等交接工(gōng)作(zuò)後，這些包裹便“物(wù)歸原主”。

包裹裏裝(zhuāng)着的是一粒粒種子。據悉，這次跟着3名(míng)航天員一起搭乘神舟十三号返回地球的有(yǒu)約12000顆種子。

“就藥用(yòng)植物(wù)來說，這次神舟十三号帶回了雲木(mù)香、鐵皮石斛、天麻、薏苡仁等10種雲南特色中(zhōng)藥材種子，重量是61.8克。”雲南省農業科(kē)學(xué)院藥用(yòng)植物(wù)研究所所長(cháng)李榮福告訴記者，雲南此次選送的太空搭載樣品主要是“十大雲藥”和雲南特色中(zhōng)藥材，下一步将對搭載返回的種子進行生活力測定，選留部分(fēn)種子保存在低溫庫中(zhōng)進行長(cháng)期貯藏，其餘種子按照相關技(jì )術規範進行育苗和大田栽培。

此前，神舟十二号飛船搭載了雲當歸、燈盞花(huā)、草(cǎo)果等5種中(zhōng)藥材種子，以及262份羊肚菌菌株和22株乳酸菌株。“目前科(kē)研人員正在開展育種研究工(gōng)作(zuò)，已培育出部分(fēn)中(zhōng)藥材種苗。搭載返回的羊肚菌菌株均存活，部分(fēn)已出菇菌株表現諸多(duō)優良性狀。乳酸菌菌株已複壯16株，其中(zhōng)11株已進行菌株登記專利保藏。”李榮福說。

據了解，雲南從2012年左右開始航天育種相關工(gōng)作(zuò)，在神舟九号、神舟十号、天宮二号、神舟十一号、實踐十号等多(duō)次發射任務(wù)中(zhōng)，選送了中(zhōng)藥材、花(huā)卉、核桃、咖啡、普洱茶等百餘個品種的種子、枝條、菌種“搭車(chē)”上太空，共計5400多(duō)克。

搭載神舟十三号返回的不僅有(yǒu)中(zhōng)藥材種子，還有(yǒu)水稻、食用(yòng)菌、生菜等各類植物(wù)種子。它們來自不同地區(qū)、單位，有(yǒu)些側重于基礎研究，有(yǒu)些則側重于品種培育，可(kě)謂“八仙過海、各顯神通”。

“依托航天育種産(chǎn)業創新(xīn)聯盟，我們搭載了紫花(huā)苜蓿、燕麥、中(zhōng)間偃麥草(cǎo)、紅三葉等牧草(cǎo)種子21份，共計158克。”中(zhōng)國(guó)農業科(kē)學(xué)院蘭州畜牧與獸藥研究所抗逆牧草(cǎo)育種與利用(yòng)團隊首席專家楊紅善介紹，在選定紫花(huā)苜蓿和燕麥等牧草(cǎo)後，他(tā)們根據育種目标确定要搭載的品種或新(xīn)品系，精(jīng)選飽滿、無損傷的高品質(zhì)種子，從而提高種子從太空返回地球之後可(kě)以正常發芽的幾率。

航天器載荷資源寶貴，每一克都要發揮最大價值。因此，種子進入太空的門檻不低，隻有(yǒu)那些遺傳穩定性高、綜合性狀好的才能(néng)脫穎而出，開啓“太空育種”之旅。

太空育種既要“上天”也要“入地”，最大優勢在于變異率高、育種周期短，可(kě)在相對較短時間内創制出性狀優良的種質(zhì)資源。

太空育種，也稱航天育種、航天誘變育種，是利用(yòng)太空的特殊環境誘使植物(wù)種子發生基因變異，進而選育植物(wù)新(xīn)品種、創造農業育種材料、豐富基因資源，是一種将輻射、宇航、育種和遺傳等學(xué)科(kē)綜合起來的高新(xīn)技(jì )術。簡單來說，讓種子先“上天”再“入地”，經過篩選、雜交、鑒定等，最終形成新(xīn)種質(zhì)資源的過程就是太空育種。

“太空具(jù)有(yǒu)微重力環境，還有(yǒu)帶電(diàn)的高能(néng)粒子，我們搭載上去的種子和生物(wù)材料在受到弱輻射時會産(chǎn)生變異。利用(yòng)太空搭載的這種變異，再回到地面上進行種植，選擇那些可(kě)遺傳且符合我們人類要求的變異，繼而把它育成新(xīn)品種。”國(guó)家植物(wù)航天育種工(gōng)程技(jì )術研究中(zhōng)心主任陳志(zhì)強解釋道。

與傳統育種技(jì )術相比，太空育種最大優勢在于空間誘變材料的變異率高、育種周期短，可(kě)在相對較短時間内創制出高産(chǎn)、早熟、抗病等性狀優良的種質(zhì)資源。

“以前想找到一個新(xīn)的育種材料，可(kě)能(néng)要曆時十年、二十年，甚至得翻山(shān)越嶺尋找自然突變植株，而航天任務(wù)能(néng)在相對短時間裏帶回大量突變材料。”航天育種産(chǎn)業創新(xīn)聯盟秘書長(cháng)、中(zhōng)國(guó)空間技(jì )術研究院原航天生物(wù)總工(gōng)程師趙輝說，航天誘變為(wèi)育種家們提供盡可(kě)能(néng)多(duō)的基因源材料，為(wèi)育種按下“快捷鍵”。從安(ān)全性上來說，沒有(yǒu)導入任何外源基因的太空育種與常規輻射誘變育種，二者都是植物(wù)自身的基因組序列發生改變，培育出的産(chǎn)品都一樣安(ān)全。

“我們做太空育種主要是考慮中(zhōng)藥材傳統選育耗時長(cháng)，成本也高。”李榮福說，中(zhōng)藥材是雲南的重要産(chǎn)業，但其品種選育技(jì )術較傳統農作(zuò)物(wù)而言相對滞後。在中(zhōng)藥材需求量不斷增加、野生藥材資源有(yǒu)限的背景下，太空育種技(jì )術能(néng)加快品種選育和人工(gōng)規模化種植進程，豐富中(zhōng)藥材種質(zhì)資源庫，推動中(zhōng)藥材産(chǎn)業發展。

不過，航天誘變和“開盲盒”有(yǒu)幾分(fēn)相似。“在誘變過程中(zhōng)，種子的遺傳物(wù)質(zhì)為(wèi)什麽變、什麽時候變、變成什麽樣，這其中(zhōng)存在着極大的随機性和不可(kě)控性。”趙輝說，在實際培育前，誰也不清楚種子存在怎樣的突變。但整體(tǐ)來看，在太空環境中(zhōng)種子可(kě)能(néng)出現的變異幅度大、突變點位多(duō)，變異穩定性更強。

誘變具(jù)有(yǒu)随機性，性狀可(kě)好可(kě)壞，因此地面選育很(hěn)關鍵。地面選育需要進行多(duō)代篩選培育、優中(zhōng)選優，曆時短則三五年、長(cháng)則十餘年，最終由農作(zuò)物(wù)品種審定委員會審定，“天選之種”才算得到認證。

“從種子搭載返回到地面種植，再到培育出新(xīn)品種，不同植物(wù)的育種年限不一樣。按照育種程序，培育出一個紫花(huā)苜蓿新(xīn)品種需要10多(duō)年時間。燕麥是一年生植物(wù)，時間會減少2到3年。”楊紅善說。

以中(zhōng)藥材滇龍膽為(wèi)例，“從2013年6月神舟十号飛船搭載滇龍膽籽種開始，組培、選育、擴繁、栽種實驗過程曆時7年，終于篩選出優質(zhì)、高産(chǎn)、高抗性的‘滇龍膽航天1号’、‘滇龍膽航天2号’、‘滇龍膽航天3号’品種，獲得了國(guó)家中(zhōng)藥材良種繁育基地認定。”雲南省農業科(kē)學(xué)院院長(cháng)李學(xué)林說。

我國(guó)太空育種始于1987年，目前已培育出260多(duō)個品種，年推廣面積4000多(duō)萬畝，産(chǎn)生直接經濟效益超過2000億元。

“載人航天工(gōng)程在自身發展的同時，又(yòu)可(kě)以帶動相關産(chǎn)業升級，推動經濟社會發展，與國(guó)計民(mín)生密切關聯。”神舟十三号返回後，中(zhōng)國(guó)載人航天工(gōng)程辦(bàn)公(gōng)室主任郝淳在空間站建造進展情況發布會上說。

航天服務(wù)于國(guó)計民(mín)生，育種便是其中(zhōng)的典型。1987年8月5日，我國(guó)第九顆返回式衛星搭載着精(jīng)挑細選的小(xiǎo)麥、水稻、青椒等百餘個品種的農作(zuò)物(wù)種子，順利完成了首次“太空之旅”。返回地球後，它們被分(fēn)發至各地科(kē)研機構。經過雜交選育，這批種子中(zhōng)培育出了大豆“鐵豐18”、棉花(huā)“魯棉1号”等一批獲得國(guó)家發明獎的優良新(xīn)品種。

此後，種子便成了航天器的“常客”，品類既包括農作(zuò)物(wù)、油料作(zuò)物(wù)等的種子，也包括不同地方主栽特色品種和稀缺物(wù)種的種子。去年9月17日，神舟十二号載人飛船返回艙在東風着陸場成功着陸，一同着陸的還有(yǒu)水稻、小(xiǎo)麥、玉米等作(zuò)物(wù)種子，石斛等中(zhōng)草(cǎo)藥種子，以及大豆、馬鈴薯、甜瓜、葡萄、蘭花(huā)、玫瑰花(huā)等水果花(huā)卉種子，甚至還有(yǒu)窖泥、酒曲等微生菌。

天上的育種試驗不斷，成果顯著。神舟八号為(wèi)了驗證高等植物(wù)在空間環境下的開花(huā)結實過程，設計搭載了《番茄試管苗空間開花(huā)結實》實驗裝(zhuāng)置，8個番茄蓓蕾5株開花(huā)結果，在國(guó)際首次實現了太空空間植物(wù)開花(huā)結果。天宮二号進行了高等植物(wù)培養實驗，首次在太空獲得了拟南芥開花(huā)基因啓動子控制的綠色熒光蛋白實時圖像，為(wèi)未來建立以植物(wù)為(wèi)基礎的空間生命生态系統和提高系統的生産(chǎn)效率提供依據。這也是我國(guó)首次成功進行植物(wù)“從種子到種子”的全生命周期培養。

地上的作(zuò)物(wù)茁壯成長(cháng)，收獲頗豐。利用(yòng)太空育種技(jì )術培育的農作(zuò)物(wù)新(xīn)品種在生産(chǎn)中(zhōng)推廣應用(yòng)，社會經濟效益日益顯現。山(shān)東省農業科(kē)學(xué)院原子能(néng)農業應用(yòng)研究所利用(yòng)返回式衛星搭載創新(xīn)小(xiǎo)麥種質(zhì)資源，已選出一大批具(jù)有(yǒu)特異性狀的突變體(tǐ)。其中(zhōng)，利用(yòng)航天突變系“9940168”和“濟麥19”進行常規雜交後系統選育出的高産(chǎn)小(xiǎo)麥新(xīn)品種“魯原502”，年推廣面積超過1500萬畝，累計推廣面積超1億畝，成為(wèi)我國(guó)三大主推小(xiǎo)麥品種之一。

上過太空的種子也在豐富着百姓的餐桌。不少太空育種的成熟品種不僅是試驗田裏的“樣本”，而且端上了普通人的餐桌。“北京市場約30%的草(cǎo)莓都是航天草(cǎo)莓、太空草(cǎo)莓，個頭普遍比較大。”海南航天工(gōng)程育種研發中(zhōng)心工(gōng)程師姚彤說。

經過30多(duō)年的實踐，中(zhōng)國(guó)通過航天育種已篩選新(xīn)材料1200多(duō)份，培育水稻、小(xiǎo)麥、大豆、蔬菜等新(xīn)品種260多(duō)個，年推廣面積4000多(duō)萬畝。據初步估算，航天搭載育種已産(chǎn)生直接經濟效益超過2000億元。目前，我國(guó)太空育種的育成品種數量和推廣應用(yòng)範圍處于世界第一位。空間誘變機理(lǐ)的研究水平和太空育種技(jì )術成果在農業上的推廣應用(yòng)水平，已經達到世界領先。

航天育種為(wèi)我國(guó)農業發展提供豐富的種質(zhì)資源，助力攥緊“中(zhōng)國(guó)種子”、端穩“中(zhōng)國(guó)飯碗”。

航黃櫻2号，無限生長(cháng)型櫻桃番茄，早中(zhōng)熟。果實橢圓形，成熟果黃色，果色亮，單果重20g左右，大小(xiǎo)均勻，口味甜，不裂果……走進航天育種産(chǎn)業創新(xīn)聯盟位于北京市通州區(qū)的大棚，西紅柿、甜瓜、辣椒等超過200個品種的作(zuò)物(wù)正在勃勃生長(cháng)。這些都是經曆過太空之旅的種子後代，結出的果實在産(chǎn)量、口感、形狀等方面普遍有(yǒu)“特長(cháng)”。

種子是農業的“芯片”。2021年中(zhōng)央一号文(wén)件提出，“打好種業翻身仗”；中(zhōng)央全面深化改革委員會第二十次會議審議通過《種業振興行動方案》；2022年中(zhōng)央一号文(wén)件提出，“大力推進種源等農業關鍵核心技(jì )術攻關”……實現育種核心技(jì )術攻關、解決“卡脖子”問題，太空育種是重要手段，也是我國(guó)打赢種業翻身仗的有(yǒu)力武器。

“我國(guó)的太空育種一開始就是以滿足市場需要為(wèi)目标，從促進國(guó)家農業發展、維護糧食安(ān)全、滿足農民(mín)需求出發開展科(kē)研工(gōng)作(zuò)的。”國(guó)家航天育種工(gōng)程首席科(kē)學(xué)家劉錄祥說，改善作(zuò)物(wù)品種是提高糧食産(chǎn)量的重要出路，航天育種為(wèi)我國(guó)農業發展提供豐富的種質(zhì)資源。

太空育種是新(xīn)種質(zhì)資源的有(yǒu)力補充。趙輝已在航天搭載領域耕耘了30餘年，見證了我國(guó)太空育種的起步和發展。“打好種業翻身仗，小(xiǎo)種子也可(kě)以迸發大能(néng)量。”在趙輝看來，太空育種能(néng)在較短的時間裏，創造出目前其他(tā)育種方法難以獲得的罕見突變基因資源，快速培育出突破性的優良品種，進一步保障國(guó)家糧食安(ān)全。

中(zhōng)國(guó)的牧草(cǎo)太空育種尚處于初始階段。通過太空育種，楊紅善的團隊已經先後培育出質(zhì)優穩定、豐産(chǎn)性狀突出的“中(zhōng)天1号紫花(huā)苜蓿”、“中(zhōng)天2号紫花(huā)苜蓿”和“中(zhōng)天3号雜花(huā)苜蓿”三個通過國(guó)家審定的新(xīn)品種。

紫花(huā)苜蓿有(yǒu)高蛋白、高産(chǎn)、抗逆等特點，對我國(guó)畜牧産(chǎn)業發展有(yǒu)重要意義。“苜蓿生産(chǎn)是我國(guó)農業産(chǎn)業的短闆，目前我國(guó)每年要從國(guó)外進口苜蓿幹草(cǎo)130萬噸到150萬噸。”苜蓿育種專家、中(zhōng)國(guó)農業大學(xué)生物(wù)學(xué)院教授王濤表示，與航天工(gōng)程合作(zuò)搭載苜蓿種子，對加快我國(guó)苜蓿育種進程大有(yǒu)益處。

今年，我國(guó)将完成空間站在軌建造，随後轉入為(wèi)期10年以上的應用(yòng)與發展階段。這意味着，未來會有(yǒu)更多(duō)種子“搭車(chē)進站”，在太空迎接“蛻變”。

“伴随我國(guó)航天事業的發展，太空育種事業也在不斷創新(xīn)突破。通過太空育種創制出具(jù)有(yǒu)自主知識産(chǎn)權的優質(zhì)種質(zhì)材料，選育出産(chǎn)業所需的優質(zhì)、高産(chǎn)、抗逆性強的品種，對促進相關領域種業快速發展、保障國(guó)家種業安(ān)全具(jù)有(yǒu)現實意義。”李學(xué)林說。