把种族天赋带到太空农作物种子上了天之后

出品：科学大院作者：黄宛宁（中国科学院光电研究院）监制：中国科学院计算机网络信息中心前段时间，知乎上有个热门话题是讨论中国人的种族天赋是什么。最终，高票答案是种菜。从汉代西域屯田到现代尼罗河畔种菜，从青藏高原哨所种到潜艇，连刘皇叔韬光养晦后园种地都被调侃一番。网友纷纷表示：难怪偷菜游戏这么火！如今，随着我国航空航天技术的蓬勃发展，空间站建成指日可待，种族天赋有望继续在太空发扬光大。那么问题来了，要在太空种菜就要有合适的种子。如何知道哪些种子合适呢？那就先把农作物的种子弄上天去，研究研究太空环境对种子生长发育会产生什么样的影响。这时却有了意外收获，有的种子发生了变异，在地面上繁育之后获得了有益的特性，比如抗病虫啊，增产啦，改善口感啦，于是科学家们就来劲了，不断的把不同农作物的种子弄上天去，希望获得有益的变异……这就是空间诱变育种技术。空间诱变育种技术按照农作物种子搭载的平台飞行高度不同，可分为高空诱变育种和太空诱变育种。高空诱变育种，一般搭载高空科学气球平台飞行在30-40km的临近空间高度。临近空间环境具有高真空、高紫外线强度、地球磁场和高能带电粒子辐射等特点。农作物种子搭载高空科学气球进入临近空间飞行，众多复杂的空间环境因素对农作物种子的生长发育会产生极大的影响，使农作物的染色体产生缺失、重复、移位、倒置等基因突变，回到陆地上，经过多代筛选、培育，形成特性稳定的新品种。太空诱变育种的原理与之类似，只是搭载平台为卫星、飞船等航天器，飞行在地球大气层以外的宇宙空间。因此，空间诱变育种技术是航空航天技术、生物技术、农业育种技术交叉结合的产物。空间诱变育种后的农作物果实（图片来源于网络）遗传性变异成为培育新品种的有效方法临近空间或太空，大气结构、气温、空气密度、压力、地磁刚度、宇宙射线、紫外线照射与地面有明显差异，这些都是农作物种子发生变异的主要因素。这种变异可以是遗传性的，也可以是生理性的，遗传性的变异可以作为作物诱变培育新品种的一种有效方法。经过大量实验证明，诱变育种处理过后的农作物种子都可以获得抗逆性强、抗病性强、优质、早熟、高产等优良特性。由于太空诱变育种是高空诱变育种的延伸，咱们就先来说说高空诱变育种吧。1.高空诱变育种高空诱变育种必须经历的三个阶段为：（1）种子筛选选取遗传性稳定、综合性状好的种子。（2）高空诱变高空诱变育种的诱变表现得十分随机，诱变率一般为百分之几甚至千分之几，而有益的基因变异仅是千分之三左右。（3）地面攻坚变化是分子层面的，必须统一播种下去，从第二代开始筛选突变单株，然后将选出的种子再播种、筛选，让它们自交繁殖，如此繁育三四代后，才有可能获得遗传性状稳定的优良突变系，期间还要进行品系鉴定、区域化试验等。所以高空诱变育种是一个漫长而繁琐的过程。高空诱变育种一般通过高空科学气球来搭载。高空科学气球飞行高度在海拔30km-40km，搭载农作物种子，在-60℃°、0.01个标准大气压环境下持续飞行2-10小时，且受到强烈的紫外线辐射和宇宙线辐射。高空气球飞行高度示意图这个搭载方式的诱变，相较于航天器搭载诱变成本低很多，且实验效果不差，实验周期更短。高空气球飞行系统配置美国的德保罗大学大学甚至已经把高空气球作为学生STEM课实验的平台，搭载微生物和农作物种子进行高空诱变育种试验。下面笔者就来介绍一下该试验的要点：左图是高空科学气球系统组成，从上到下分别是气球、降落伞、GPS跟踪器、学生实验用的载荷容器、备份GPS追踪器。右图是飞行过程中捕捉到的宇宙射线计数与飞行高度的关系，X是上升阶段捕捉到的，菱形是下降阶段捕捉到的。种子在载荷舱内外的布局搭载种子在容器内外的布局，同时还装有一个RM-60计数器和数据记录仪，用来统计测量到的宇宙线次数。对比试验设计示意图上图是对比试验设计的示意图，在A位置的农作物种子既能够接受紫外线照射，又能够接受宇宙线辐射，在B位置的农作物种子仅能够接受宇宙线辐射（载荷舱的外部涂层对紫外线有屏蔽作用），经过飞行试验后进行育种观察两者的不同。高空诱变育种后的萝卜和芜菁种子培育对比测试国内高空诱变育种进展说完了国外的实验，咱们再来看看咱们国家的研究进展如何。中国的高空诱变育种始于年，搭载的高空科学气球主要是由中国科学院高能物理研究所研制，搭载的农作物种子包括：藻类、水稻、小麦、芦笋、玉米、大麦、棉花、谷子、大豆、绿豆、豌豆、红小豆、辣椒等数十种作物及幼苗，并取得了较好的试验效果，为发展太空诱变育种打下了良好的基础。中科院高能物理研究所的高空科学气球国内高空诱变育种第一人是中科院遗传所的蒋兴村教授，年，他和广西农学院合作利用高空气球搭载诱变粳稻：中作59、海香二，年进行种植。在第二代形态产生分离，从中分离出一些优质米类型，性状能在后代中稳定遗传，因此这种变异是遗传性变异。在第四代中有一些株系能恢复籼稻不育系的植株，将为水稻亚种间杂交稻找到良好的恢复系材料。这个结果说明，高空气球搭载处理可以动摇小麦产量、品质的基因连锁和结构，并在后代中稳定遗传，这对加快育种进程是有利的。之后在年，高空气球搭载的空间第二代的谷子-2，其叶面积比之前品种提高约25%，第三代优选出了特大穗品种，平均长度33-35cm，最长有38cm，在接下来的培育实验中，一代比一代的产量要高。结果表明，高空气球搭载诱变过的谷子，一些植物学形状和品质会发生变异，可选育出优良品种。高空气球搭载水稻种子，产生株型上的变异，产生矮插抗倒伏的品系高空诱变育种技术的延伸——太空育种高空诱变育种具有成本低廉，过程快捷的优点，但是年代，前苏联及美国的科学家将植物种子搭载卫星上天，在返回地面的种子中，发现其染色体畸变频率有较大幅度的增加，比高空诱变幅度更大，范围更广，更易出现特异性变异。于是，太空诱变育种技术便开始发展起来。年，美国将番茄种子送上太空，逗留时间达6年之久，返回地面后经科研人员试验，获得了变异的番茄，且它的种子后代对人体无毒，可以食用。年，美国的布鲁斯·巴格比研究出太空矮杆小麦，小麦株高40cm，生育期也只有60天，这种小麦产量高出普通小麦3倍，很有可能适合太空生长。除此之外，俄罗斯和美国成功地在“和平号”空间站培植出小麦、白菜和油菜等植物品种。年，俄罗斯的太空小麦也终获成功。进入21世纪，美、日、西欧已将太空植物的培育作为重点发展项目，先后培育出百余种太空植物。年美国培育的CALROSE76矮杆水稻（伽马射线诱变）J.Neil博士展示水稻高度在他预期范围内我国的太空育种，主要搭载返回式卫星或者神舟载人飞船进行，涉及的品种非常广泛：包括水稻、小麦、谷子、大豆、玉米、高粱、马铃薯等粮食农作物；青椒、番茄、绿菜花、石刁柏、黄瓜、茄子、豇豆、树莓等蔬菜水果作物；油菜、大豆、绿豆、芝麻、核桃等油料作物；大枣、桂花、棉花、红麻、孜然、牧草、甜菜等其他农作物共多份种子材料。搭载神舟八号的南瓜种子从返回舱卸下的载荷——生物辐射盒以实践十号返回式卫星为例，它的生物辐射盒里面就装有经过太空之旅的植物种子和线虫。实践十号返回式卫星一共搭载了三个生物培养箱，分别是胚胎培养箱，家蚕培养箱，高等植物箱。返回式卫星搭载生物辐射盒的目标就是做空间诱变的试验，进行空间环境诱变的辐射分子生物学分析，空间辐射对基因组的作用和遗传效应研究，空间环境对家蚕胚胎发育的影响与变异机理研究。实践十号科学载荷“高等植物箱”中的拟南芥，在太空成功开花，科研人员在处理花枝空间诱变育种培育的农作物安全吗？有些人可能会质疑空间诱变育种的安全性，怀疑其与地面辐射育种有无区别。实际上，种子空间诱变属于种子常规培育中的物理性辐射诱变。小科普：辐射诱变是在地面用钴-60射线对种子进行照射，种子本身并不会沾染到放射性物质，生产的果实可以安全食用。与空间诱变具有“亲缘关系”的辐射诱变已有年的历史，我们吃到的很多新品种都是辐射诱变育种的结果。它是在微重力条件下，将太空中的宇宙射线、微重力、高真空、弱地磁场等高能粒子作为辐射源，通过诱变作用使植物产生各种基因变异，种子本身也不会沾染到放射性物质。而受核辐射污染的食品之所以不能食用，是因为其中含有放射性物质。种子诱变后基因会发生变化，这种变化对食品安全到底有没有影响？“假如一个基因序列原来是‘’，上太空后变成‘’，也就是说，空间诱变并没有导入任何外源基因，仅仅是植物自身基因组序列发生了改变。”中国空间技术研究院航天育种专家庞欣博士庞欣表示，航天诱变的果实与常规辐射诱变育种获得的果实是一样的。况且，专家强调，上过太空的种子返回地面后需要很多代的培育，转化为成果实之后还需要在鉴定之前提供成分分析报告，其中包括毒理、营养成分等检测。这种安全性检测很严格，最终通过审定的品种是安全可靠的，可以放心食用。为什么一定要去太空做诱变育种？有人会问，我们在地面上模拟太空环境进行这种诱变育种实验，是不是会安全一点？其实，在地面上虽然可以通过高能加速器模拟空间射线环境，却难以模拟太空综合环境对植物产生的效果。因为太空环境中并不只有辐射，“既有微重力，又有辐射、宇宙线，紫外线、弱地磁场等多种因素共同存在，其中最主要的是模拟不了失重”，引发种子发生遗传变异的是各种太空综合条件。太空中的高能粒子辐射可以引起DNA双链断裂，既可能造成细胞凋亡，也可能引起细胞染色体变异，而空间诱变育种就是希望双链断裂以后引起细胞染色体变异。20余年来，我国利用高空科学气球、返回式卫星及神舟飞船等搭载方式完成了多项空间搭载试验，获得了大量有益变异体，选育出了一大批综合性状良好同时具有市场竞争力的农作物新品种。例如：航丰1号”棉花平均亩产皮棉公斤，比常规棉花多出70公斤；“航椒1号”辣椒，维生素C含量为毫克，比一般辣椒高出近两倍；“太空5号”小麦口感好，产量超过传统品种10%以上；“太空万寿菊”花期长达9个月等等，这些都是航天育种技术的成果。先进的航天技术为快速培育优良品种及特异种质资源开辟了一条新途径，为人类进入太空农业时代展示了美好前景。因此，空间诱变育种的研究不但在育种上和应用上具有重要意义，而且在探索空间条件对生物体影响机理等方面也具有重要的理论意义，同时为人类开拓空间资源创造了条件，具有十分广阔的发展前景。