科學時報：“神八”誘變育種猜想

　　航天育種也稱空間誘變育種、太空育種，是指利用返回式航天器和地面模擬空間環境裝置，通過空間環境對植物發生誘變作用，致使種子產生變異，再通過嚴格的地面選育過程，獲得優良的農作物品種。

　　今年，中國航天育種正迎來一個高潮。隨著天宮一號升空，神舟八號攜帶的育種誘變裝置將與其交會對接，由此開啟我國空間誘變育種實驗平臺建設的序幕。

　　上海世博會上小朋友在太空家園館太空育種廳內觀看太空“花”開。背景為太空育種培育出來的“鮮花”。

　　11月1日黎明，執行我國首次空間交會對接任務的神舟八號飛船順利升空。“神八”此次對接的，是我國首個太空育種平臺——天宮一號。

　　農作物種子，作為我國探索太空的神秘訪客之一，均出現在歷次神舟系列飛船的搭載任務中。

　　在傳統育種遺傳資源尚顯不足且育種方法相對單一的情況下，航天育種已然成為保障國家糧食安全的一項重要戰略選擇。

　　航天育種的誘變機理是什么？地面模擬因何無法取代？現代分子生物學手段在哪些方面無法企及？迄今為止，科學家對空間誘變機理尚不完全清楚。

　　“神八”發射升空后，將搭載誘變裝置對接天宮一號，驗證科學家們的種種猜想。

　　一種楊樹樹種經搭載誘變，返回后又經地面培育，顯現出優良的抗鹽堿性能。由此科學家們猜想，其誘變機理有可能是太空環境對該樹種的細胞膜蛋白通道產生了影響，致其不再吸收鈉離子。

　　這是空間誘變育種的一個典型例子——“意外”獲得某種需要的性狀，也不排除相反性狀的出現。然而令科學家感到困惑的是，無論結果好與壞，這種誘變機理依然充滿神秘。

　　以往，通過航天器搭載升空的作物種子，經地面培育后，會顯現出不同的性狀：有的變大，有的變小，有的甚至變化為“零”。

　　在中國空間技術研究院航天育種專家龐欣博士看來，“誘變率一般為百分之幾甚至千分之幾，其中有益的基因變異僅為千分之三左右”。

　　在空間誘變機理研究方面，我國科學家進行了大量的研究工作。有專家認為，空間環境可引起生物基因組DNA堿基變異，造成DNA斷裂和重組，因此誘發變異。

　　在前不久舉行的“2011年航天工程育種論壇”上，中俄航天搭載項目中方首席科學家劉敏則強調，導致種子誘變的原因可能與植物基因組中的轉座子有關。轉座子是一種可移動的遺傳因子。

　　“空間環境中什么因素可激活轉座子，哪些部位的轉座子易被激活，這些問題還有待探索。”劉敏在接受本報記者采訪時說。

　　雖然空間誘變存在諸多未解之謎，但其在育種方面的獨特優勢仍無法被取代。

　　空間搭載實驗表明，其對種子基因的誘變率5倍于地面變異。這也意味著，地面模擬只能滿足空間誘變條件的一部分而已。

　　“高度500千米以下的近地空間區域，是航天育種的重要活動區域。”中國農業大學資源與環境學院植物營養系主任于福同對本報記者表示。

　　中國空間技術研究院研究員蔡震波在前述會議上指出，此區域存在與地球環境具有較大差異的環境要素，其中，真空、地球磁場、粒子輻射、微重力是航天育種可利用的關鍵的空間環境資源。

　　在接受本報記者采訪時，蔡震波強調，充分了解近地空間環境組成、分布、強度等基本特征，有助于掌握空間環境誘發生物種子變異的機理與規律，建立生物種子變異與空間環境之間的關聯性。

　　有別于返回式衛星和宇宙飛船搭載——由于空間環境千變萬化，因而每一次太空旅行都帶有“隨機性”，這使得重復實驗受到局限。

　　此次“神八”與“天宮”交會對接并建立空間實驗室，將為我國航天育種提供長期的空間環境與穩定的實驗平臺，從而獲得空間誘變的精確數據。

　　在國家航天育種工程項目首席專家劉錄祥向本報記者描述的航天育種“路線圖”中，航天育種被分為搭載、進宮、外掛“三部曲”。

　　“無論是放置在艙內還是置于空間實驗站的種子，畢竟（被）屏蔽了很多宇宙粒子，但可以期待在不遠的將來，把種子掛在空間站外面充分接受宇宙線照射將會成為現實。”劉錄祥說。

　　據介紹，早在1987年8月5日，中國航天科技集團公司空間技術研究院利用第9顆返回式衛星，首次成功地進行了農作物種子的太空搭載試驗。

　　2006年9月9日至24日，我國首顆專門用于航天育種研究的返回式科學技術試驗衛星實踐八號，搭載我國與國際原子能機構以及澳大利亞、韓國的種子，成功地進行了太空遨游。

　　實踐八號農業育種衛星的發射，凝聚了我國科學家十幾年的科學論證與研究積累，也是國家正式立項的重大科技項目。“這標志著中國育種衛星科學實驗的正式開始，也預示著我國航天育種研究進入一個飛速發展的時代。”追憶中國航天育種歷史，劉錄祥無限感慨。

　　迄今，我國已先后利用15顆返回式衛星和７艘神舟飛船，搭載了上千種作物種子、試管苗、生物菌種與材料，獲得了大量產生變異的新性狀品種。

　　目前，我國擁有經過太空搭載的農作物共計9大類393個品系，育成并通過國家或省級鑒定的新品種達70多個。

　　40年前的1971年1月31日，美國宇宙飛船阿波羅14號飛往月球。曾為森林護林人的宇航員斯圖爾特·羅塞，在這次太空旅行時隨身帶去許多樹種。

　　阿波羅14號返回地球后，環繞月球接受高能粒子輻射的樹種，被陸續分發到美國60多個地方種植。后來，人們稱這些由太空種子長成的樹木為“月亮樹”。

　　今天，在世界范圍內，太空育種甚至成為一種超出科技比拼的時尚。

　　據介紹，一直以來，發達國家基于雄厚的農業基礎和較為先進的育種技術，其太空育種的主要搭載對象為香料與能源經濟作物種子，而非糧食作物種子。同時，這些國家還為空間站選育出適合太空生長的蔬菜、花卉等。

　　既往，美國、蘇聯和芬蘭等國家曾先后開展航天育種實驗。其中，美國搭載的是玫瑰，旨在選育玫瑰高油新品種；蘇聯曾搭載過棉花和樅樹，如今這些作物與植物已在哈薩克斯坦大面積種植；芬蘭搭載的木薯今已成為高產能源植物。

　　如今，俄羅斯培育的太空棉花新品種，不僅棉絨長、斷裂強度大，而且產絨率高，極大地促進了其棉花生產；加拿大科學家獲該國航空局支持，已將其主要木材品種白云杉納入航天工程育種項目……

　　這一幅幅神奇的圖景，在航天搭載項目科學家劉敏眼中，恰恰標志著“一個航天育種實驗方興未艾的時代的來臨” 。

　　我國是世界上繼蘇聯和美國之后第三個掌握衛星回收技術的國家，衛星回收成功率達到國際先進水平，這為我國航天工程育種奠定了基礎。

　　中國工程院院士、中國空間技術研究院技術顧問、神舟五號載人飛船總設計師戚發軔日前在接受本報記者采訪時表示，隨著我國空間站逐步建成，航天工程育種將擁有更多搭載機會，這為我國航天工程育種機理研究與應用開發平臺建設創造了條件。

　　戚發軔呼吁，應將航天工程育種納入載人航天及空間站計劃，利用空間搭載實驗之機，搭建一個長期的科學試驗平臺，并形成長效機制。

　　2010年，戚發軔與十幾位航天和農業領域的知名院士、專家聯名上書國務院，建議大力發展航天工程育種技術和產業，中央領導為此專門作出批示。

　　今年年初，航天工程育種技術及產業被納入我國“十二五”戰略性新興產業規劃。國家相關支持政策紛紛出臺，核心內容為加強航天工程育種技術研發并推進其產業化進程；形成空間搭載長效機制；推進航天育種服務現代農作物種業體系。

　　1987年，在“863”計劃航天項目支持下，我國利用兩顆返回式衛星搭載了30多種植物種子、無性繁殖材料等生物樣品。

　　1988年，經“863”計劃航天領域空間科學有關專家提議，我國設立了“空間條件下植物突變類型研究”的專門課題，組織有關專家探討空間環境誘導突變的可能性及應用前景，并在空間搭載多種種子，且返回地面后進行種植、選擇，從此開始了我國航天育種的研究歷程。

　　2008年，科技部將航天工程育種列為國家“十一五”科技支撐計劃——空間環境農業應用關鍵技術研究與示范。

　　目前，我國航天育種選育的作物品種涉及糧食作物、蔬菜、花卉、林木、經濟作物、油料作物等。這些品種多數均通過國家品種審定，已取得良好的社會效益和經濟效益。其中，搭載水稻DH-7較對照組提前抽穗，成熟期早于常規對照組20～25天。

　　記者了解到，“十二五”期間，中國航天科技集團公司將承擔百顆衛星（飛船、探測器）的發射任務。這也意味著，未來我國在航天育種方面擁有得天獨厚的搭載條件，在航天工程育種研究及開發應用方面將取得新的突破。

　　外國

　　20世紀60年代初期，蘇聯學者就研究和報道了空間飛行對植物種子的影響。此后，美國和德國等許多實驗室對植物在空間條件下生長發育及其遺傳特性的變化進行了研究。

　　1984年，美國將番茄種子送上太空，逗留時間達6年之久，返回地面后經科研人員試驗，獲得了變異的番茄，其種子后代對人體無毒，可以食用。

　　1995年，美國航天局又在北卡羅來納州立大學建立引力生物學研究中心，重點研究植物對引力的感受和反應，以最終開發出適于太空旅行的植物。

　　1996年，俄美合作首次成功在和平號空間站培育和收獲了150個麥穗的墨西哥小麥。俄羅斯在太空種植小麥于1999年獲得成功。

　　1996年，美國布魯斯·巴格比研究出太空矮稈小麥，株高只有40厘米，生育期只有60天，這種小麥產量高出普通小麥的3倍，有可能適合太空生長。

　　美、日、西歐制定的21世紀太空計劃中，將植物在密封太空艙內的生長發育引為重點，試種和培育豌豆、小麥、玉米、水稻、洋蔥、蘭花、郁金香等100多種植物。

　　中國

　　1987年，在“863”計劃航天項目支持下，我國利用兩顆返回式衛星搭載了30多種植物種子、無性繁殖材料等生物樣品，開啟航空育種試驗之門。

　　2006年，實踐八號育種衛星成功發射。實踐八號搭載了215公斤蔬菜、水果、谷物和棉花種子上天，航天育種的機理研究由此系統開展。

　　1987年至2011年，中國通過返回式衛星、神舟號宇宙飛船、高空氣球等工具進行了共20多次、1200多個品種的航天工程育種搭載試驗。

　　2011年9月，天宮一號成功升空。天宮一號搭載了普陀鵝耳櫪、大樹杜鵑、珙桐、望天樹四種瀕臨滅絕的植物種子進入太空，進行航天育種。