“天上”怎样育种

     伴随着“神六”即将升空的热潮，与航天相关的知识成为人们讨论的焦点话题。“航天育种”这个不算新但科技含量极高、关系到农业和人们生活质量的话题再次成为读者关注的热点。种子是怎样上天的？在太空是怎样变异的？种子是不是从天上一下来，就变大变好了？“航天育种”长出来的作物与普通的品种作物到底有什么不同？这样的作物人类食用后安全吗？会不会像转基因食品那样引起争议？……

    带着这些疑惑，本报记者采访了中国农科院作物科学所航天育种中心主任刘录祥研究员，为您一一揭开“航天育种”背后深藏的科技之谜。

    ———太空育种缘何起———

    与刘录祥刚刚见面，他便开门见山地说：“我并没有天天吃太空蔬菜和米面。”

    “我吃过的太空食品主要是太空青椒等蔬菜类。太空椒看上去外型不好看，皱巴巴的，但吃起来脆甜。”刘录祥说，航天育种的灵感来自偶然。1987年，随着“轰隆”一声，带着农垦58号水稻和青椒等种子的我国第九颗返回式卫星飞向了遥遥天际。这是我国作物种子第一次的太空之旅。当时一个参与此项研究的专家事后告诉刘录祥，“那时下来的仍将是小麦种子，还是合成面粉，谁都不知道。”当时，搭载种子的目的并不是想育种，只是想看看对植物遗传是否有影响。但是，专家们无意间发现，上天的种子发生了一些意外变异。这时，专家开始考虑能否通过这种方式育种。

    ———太空种子咋培育———

    阶段一：种子筛选

    刘录祥研究员说，良种在农业增产中举足轻重，其作用达30％左右，航天育种就是航天技术与农业育种技术、生物技术相结合的产物，是综合了宇航、遗传、辐射、育种等跨学科的高新技术。“种子筛选是航天育种的第一步，这一程序非常严格，需要专业技术。带上太空的种子必须是遗传性稳定、综合性状好的种子，这样才能保证太空育种的意义。”刘录祥研究员告诉记者，“在把筛选出的种子带上太空之前，研究人员还要在地面留下相关对照，之后，与从太空带回来的种子同时种植，平行进行，这样才能进行外观、抗病等不同性状的对比。”

    阶段二：天上诱变

    利用卫星和飞船等太空飞行器将植物种子带上太空，再利用其特有的太空环境条件，如宇宙射线、微重力、高真空、弱地磁场等因素对植物的诱变作用产生各种基因变异，再返回地面选育出植物的新种质、新材料、新品种。

    但是刘录祥研究员指出：“诱变表现得十分随机，在一定程度上是不可预见的。航天育种不是每颗种子都会发生基因诱变，其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。即便是同一种作物，不同的品种，搭载同一颗卫星或不同卫星，其结果也可能有所不同，这在一定程度上说明太空环境的复杂性和太空育种的局限性。航天育种是一个育种研究过程，种子搭载只是走完万里长征一小步，不是一上去就‘变大’，整个研究最繁重和最重要的工作是在后续的地面上完成的。”

    阶段三：地下攻坚

    刘录祥研究员解释到，由于这些种子的变化是分子层面的，想分清哪些是我们需要的，必须先将它们统统播种下去，一般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。这样，每拨太空遨游过的种子都要经过连续几年的筛选鉴定，其中的优系再经过考验和农作物品种审定委员会的审定才能称其为真正的“太空种子”。这项工作是一项长期、艰辛而严肃的科学研究工作；它不像农民种地那么简单，而是涉及细胞学、遗传学、分子生物学等多学科领域；不仅是应用基础研究，也是探寻航天育种机理的基础研究所必须的。

    ———太空种子怎么样———

    太空食品很安全

    “大家担忧太空食品的安全性，主要是受20世纪90年代以来人们对转基因食品过度关心引起的，其实这个担心是多余的。”刘录祥告诉记者，太空食品的安全性不存在问题。因为航天育种并没有经过人为方法将外源基因导入作物中使之产生变异，作为一种诱变技术，它使作物本身染色体产生缺失、重复、易位、倒置等基因突变。这种变异本质上与自然界普遍存在的自然变异没有区别，只是加速了生物界需要几十年甚至上百年的自然变异过程，不存在安全问题。而且国际原子能机构、国际卫生组织、国际粮农组织已联合认定，利用物理的、化学的等人工诱变技术培育的作物品种的安全性是毫无疑问的，完全达到规定指标要求，是可以让人放心的安全种子。

    航天种子好处多

    刘录祥说，太空育种与传统的地面诱变育种种相比具有突变多、变异大、稳定快等特点，是培育高产、质优、早熟、抗病农作物新品种、新种质资源的新途径，是综合了宇航、遗传、辐射、育种等跨学科的高新技术。

    通过大量的试验表明，经过太空物理环境的综合作用，植物发生的主要变异性状主要有株高变异、株形变异、穗形变异、粒形变异、营养成分变异、分蘖变异、生育期变异、抗性变异等。

    ■链接

    种子进太空仅仅是为了接受辐照？

    刘录祥说，用传统的原子核辐射处理种子，一般能够获得3‰—5‰的有益突变频率，也即1000颗被处理的种子中只有3到5颗发生的变化会使它们对农业生产有益；而航天育种获得的数字能够达到3%—5%。

    航天育种研究也在进行地面试验，为的是探知空间环境主要因素对种子突变的机理，并且取得了进展。那么，如果种子进太空仅仅是为了接受辐照，这个领域的研究是不是可以完全在地面上进行了？刘录祥说，空间环境是复杂的，既有宇宙辐射，也有微重力、弱地磁场等因素，它们共同对植物种子的诱变产生作用。目前国际范围内尚难以做到对空间环境因素的真实模拟。我国正开展各方面地面模拟试验研究。

    怎么知道空间环境对种子起作用？

    由于空间科学实验投资大，技术要求很高，实验机会有限，探索地面模拟空间环境因素的试验研究对空间诱变机理的揭示、空间育种研究及其产业化持续发展意义重大。近年来，在国家自然科学基金委员会、科技部和农业部等重点项目资助下，刘录祥领导的课题组已开展了宇宙粒子、物理场、微重力等3个方面的生物学效应模拟试验。

    方法一：宇宙粒子

    利用地面加速器产生的高能单粒子(如质子和重离子等)和高能混合粒子(主要包括派介子、谬子、高能光子和质子以及正、负电子等)处理植物种子试验，发现高能粒子对于种子具有比传统γ射线较高的相对生物学效应。研究确定了质子和锂离子等粒子以及混合粒子诱变处理水稻、小麦、大麦等作物种子的适宜能量和剂量。刘录祥研究员告诉记者，这一技术已经申报了专利。

    方法二：物理场

    利用屏蔽地球磁场效应的零磁空间模拟空间环境的弱地磁效应试验发现，一定周期的零磁空间处理小麦、大麦、串红、小丽花等植物种子可明显抑制种子萌发和幼苗生长，抑制效应不随处理时间增长而增强；水稻表现一定的刺激生长作用；而玉米、油菜等种子反应迟钝。科学家还发现，在小麦花药培养过程中附加一定周期的零磁处理，有助于促进高质量愈伤组织及其幼苗的获得率，并可有效提高小麦花培后代的变异类型和频率。这一技术已经获得专利。

    方法三：微重力

    利用微重力三维旋转仪及回转器模拟微重力生物效应初步试验表明，处理过的小麦、苜蓿、绿豆等的种子萌发显著，特别是在幼苗生长的最初一周内，效果更为显著。专家认为，种子处理后，幼苗活力的提高可部分归因于生理酶活性增强以及胚根和侧根生长加速。相关分子机理研究正在进行中。

    目前，专家研究发现，粒子辐射和微重力作用可能是种子基因空间诱变的主要原因。

    ■五大特点

    日前从中国农业科学院获悉，我国的农作物航天育种研究取得重大进展！“十五”期间，由中国农业科学院航天育种中心牵头的课题组利用航天技术先后育成并审定水稻、小麦新品种十二个，其中“华航一号”、“特优航1号”、“Ⅱ优航1号”和“培杂泰丰”等四个水稻新品种通过国家审定，已完成或正在参加省级以上区域试验的稻麦新品系、新组合十六个。航天新品种、新组合在过去四年里累计种植面积八百五十万亩，增产粮食三点四亿公斤，创社会经济效益五亿元。