航天育種

李子吉

2020年12月17日，一批40克的“航聚香絲苗”水稻種子“搭乘”嫦娥五號完成了歷時23天的地月往返征程，在深空環(huán)境下經(jīng)歷空間誘變后，返回地球。經(jīng)過幾個月的播種、育苗、移栽，2021年7月9日，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗基地的試驗田內(nèi)，和嫦娥五號一同“奔月”的這批水稻終于收獲了。

發(fā)展至今，“太空種子”早已不僅僅是試驗田里的“觀賞品”了，我國航天育種產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了30多年的發(fā)展，已經(jīng)取得了豐碩的成果。

創(chuàng)造2000億元經(jīng)濟效益

所謂航天育種，準(zhǔn)確地講叫航天誘變育種，就是利用太空的特殊環(huán)境誘使植物種子發(fā)生基因變異，進而選育植物新品種、創(chuàng)造農(nóng)業(yè)育種材料、豐富基因資源，是一種將輻射、宇航、育種和遺傳等學(xué)科綜合起來的高新技術(shù)。

但是，航天系統(tǒng)工程復(fù)雜程度高、技術(shù)跨度大，每一點荷載容量都彌足珍貴。在這種“名額有限”的情況下，可以跟隨航天器進行“太空旅行”的種子也需要通過“千挑萬選”才能脫穎而出。

帶上太空的種子，必須是遺傳性穩(wěn)定、綜合性狀好的種子，這樣才能保證航天育種的意義。拿這一批最近收獲的“航聚香絲苗”來說，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)國家植物航天育種工程技術(shù)研究中心副主任郭濤介紹道，科研人員對約10000個種質(zhì)進行了廣泛評價，從中挑出若干性狀優(yōu)良的候選搭載材料，而后進一步調(diào)研市場需求，最終才確定了“航聚香絲苗”作為嫦娥五號的搭載材料。

“奔月”水稻什么時候才能真正端上老百姓的餐桌呢？郭濤表示，從2020年11月搭載嫦娥五號“奔月”到真正成為流通于市場中的農(nóng)產(chǎn)品，這批水稻種子要經(jīng)歷種植、鑒定、比較、示范、推廣等一系列流程，預(yù)期花費3～4年的時間。

畢竟到太空經(jīng)歷誘變還只是品種選育的第一步，“太空種子”既要“上得了天”也要“入得了地”。航天育種是一個完整的育種研究過程，整個研究最繁重和最重要的工作是在后續(xù)的地面上完成的。

搭載嫦娥五號的這批水稻種子目前已經(jīng)完成了第一個世代的種植，很快就要進入下一步的鑒定階段。據(jù)介紹，目前收獲的第一批種子來源于2000個植株、1萬個單穗，每個植株收獲的種子會被分為三類，第一類是用來繼續(xù)種植，第二類用來進行廣泛的基因及性狀鑒定，第三類將作為種子備份進行長期保存。同時，每株水稻都會有一個ID，方便科研人員對每一個樣本進行連續(xù)的跟蹤和鑒定，溯源追查。

中國航天育種事業(yè)經(jīng)過30余年發(fā)展，1987年8月，我國通過第九顆返回式科學(xué)試驗衛(wèi)星成功將第一批農(nóng)作物種子等生物材料送入太空，開啟了我國航天育種研究與發(fā)展的新時代。

自1999年神舟一號飛行任務(wù)開始至今，中國載人航天工程辦公室在工程歷次飛行試驗中，利用神舟飛船、空間實驗室及新一代載人飛船試驗船等飛行器的資源余量，組織開展了累計百余種、5000多份作物種子和植物材料的空間搭載誘變實驗。2021年6月，神舟十二號出征，除了3名航天員，一同出征的還有29.9克的南靖蘭花種子、15克浙江江山黃精種子。

2002年，農(nóng)作物航天育種技術(shù)創(chuàng)新與新品種選育課題被首次列入國家“十五”863計劃，隨后國家和地方政府也加大了對農(nóng)作物航天誘變育種研究的支持?！笆濉逼陂g，我國利用航天育種技術(shù)在水稻、小麥、棉花、茄果類蔬菜等作物上育成并審定了30多個新品種，航天育成的新品種開始在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用。

博羅航天育種基地。

2006年，我國發(fā)射了首顆航天育種專業(yè)衛(wèi)星——“實踐八號”，搭載了糧、棉、油、蔬菜、林果、花卉等九大類、152個品種、2020份不同種類的生物材料共計208.8千克，推動了我國航天育種研究跨越式發(fā)展。

2011年，國家發(fā)展改革委正式將航天工程育種納入《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，要求突破航天育種關(guān)鍵技術(shù)，加快開發(fā)和研制農(nóng)業(yè)生物新品種，加快建設(shè)育種基地，推進育種新品種產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

據(jù)航天育種產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟理事長梁小虹介紹，截至2020年，我國先后進行了30多次返回式衛(wèi)星或載人航天的搭載，在千余種植物中培育出700余個航天育種新品系、新品種，其中通過國家或省級審定的新品種或新組合超過200個，累計種植面積1.5億畝，產(chǎn)業(yè)化推廣創(chuàng)造經(jīng)濟效益2000億元以上。除糧食、蔬菜、水果、油料等農(nóng)作物品種外，還創(chuàng)制出林草花卉、中草藥新品種和制藥、釀酒等微生物新菌種，獲得了廣泛應(yīng)用和良好的社會效益。

解決種業(yè)“卡脖子”難題

那么既然同樣是誘變，航天系統(tǒng)工程成本又高，在地球上不能模擬太空環(huán)境進行物理誘變嗎？為什么一定要進行航天育種呢？

首先，種子是農(nóng)業(yè)的“芯片”，是中國農(nóng)業(yè)發(fā)展的命脈、是確保國家糧食安全的基石，對于改善農(nóng)作物品質(zhì)、提高農(nóng)作物產(chǎn)量有著不可代替的作用。我國是人口大國，也是農(nóng)業(yè)大國，國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2020年我國農(nóng)作物播種面積高達16748.7萬公頃;智研咨詢統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2020年我國種子需求量高達2063.33萬噸。

然而，雖然在我國主要農(nóng)作物中大部分種子為“國產(chǎn)”，但玉米、馬鈴薯、大豆等農(nóng)作物種子部分仍然依賴進口，高端品種的蔬菜種子也以進口為主。種質(zhì)資源是種業(yè)發(fā)展的命脈，豐富的種質(zhì)資源是突破種業(yè)發(fā)展“卡脖子”問題的基礎(chǔ)。

航天誘變育種在變異的概率等方面有著獨特的優(yōu)勢，以水稻為例，它的自然變異率在二十萬分之一左右，化學(xué)誘變的變異率也只有千分之幾，而經(jīng)空間誘變的水稻變異率可達百分之幾。

八一農(nóng)大航天育種試驗基地。圖片|黑龍江日報

我國對新種質(zhì)資源的需求十分迫切，自主知識產(chǎn)權(quán)的優(yōu)良基因和種質(zhì)資源是提升我國農(nóng)作物品種選育能力的重要環(huán)節(jié)。

另外，數(shù)據(jù)積累分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段在地面上模擬失重等太空環(huán)境下的育種效果都沒有實際太空搭載的效果好。航天育種可以在相對較短的時間內(nèi)培育出優(yōu)質(zhì)種源，在豐富優(yōu)質(zhì)基因資源方面有著不可替代的作用，成為緩解我國農(nóng)作物優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源貧乏的有效途徑之一。

目前，利用航天育種技術(shù)培育的農(nóng)作物新品種在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用，已經(jīng)取得了明顯的社會經(jīng)濟效益。山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院原子能農(nóng)業(yè)應(yīng)用研究所從1994年開始，利用返回式衛(wèi)星搭載創(chuàng)新小麥種質(zhì)資源已選出一大批具有特異性狀的突變體。其中，利用航天突變體9940168和“濟麥19”進行常規(guī)雜交后系統(tǒng)選育出的高產(chǎn)小麥新品種“魯原502”，年推廣面積超過1500萬畝，累計推廣面積超1億畝，成為我國三大主推小麥品種之一。

福建培育的3個航天育種水稻品種，百畝畝產(chǎn)達到800公斤，其中“II優(yōu)航1號”是全國首個百畝畝產(chǎn)突破900公斤的超級稻。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)選育的“華航1號”水稻穗大、粒多、發(fā)育期短、結(jié)實率高，比原種增產(chǎn)15%，畝產(chǎn)達500公斤以上，已推廣300多萬畝。利用空間誘變技術(shù)培育的部分水稻和小麥新材料已分別進入常規(guī)育種及雜交稻育種計劃，并為全國多家育種單位所引進和利用，對促進稻麥育種起到了重要作用。

除了水稻和小麥外，我國先后用過航天育種獲得辣椒、大豆、番茄、蓮子等多種高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)突變體，并由此培育出許多新品種。例如，“紅龍13 號”辣椒是經(jīng)過航天育種后培育出的色素椒，其色價是普通辣椒2倍左右;“航椒65F1”是國內(nèi)首個三系航椒新品種，較國外同類品種產(chǎn)量高出33.6%;“宇番1號”相比同期市場其他番茄品種增產(chǎn) 50%，維生素含量增加26%;黑龍江選育出的“克山1號”大豆良種，當(dāng)年測產(chǎn)比對照品種高出8.9%，第二年比對照品種高出11%，并有較強的綜合抗病性;江西廣昌縣白蓮研究所利用航天育種培植出了特大粒白蓮種“衛(wèi)星3號”，生育期長、抗性強、花多、蓬大、結(jié)實率高、顆粒大、品質(zhì)優(yōu)等特點，每粒蓮子2.4克以上，比常規(guī)品種可增產(chǎn)60%。

推廣和應(yīng)用仍步履維艱

“把種子帶上天再帶回來，作物就能豐產(chǎn)，果實就能變大。”

“經(jīng)過太空輻射的種子種出來的糧食能吃嗎？”

“航空育種也是轉(zhuǎn)基因吧？”

“美國和俄羅斯怎么不做航天育種？是不是航天育種其實用處不大？”

即使航天育種的福利可能已經(jīng)在不知不覺中滲透進千家萬戶，但時至今日，提到“太空種子”，還是有很多人會提出這些樸素的疑問。實際上，航天誘變育種后得到的種子還要經(jīng)過繁重的鑒定、篩選、培育工作，優(yōu)中選優(yōu)，才會推廣到市場。早在1996年，國家航天育種工程首席科學(xué)家、國家農(nóng)作物航天誘變技術(shù)改良中心主任劉錄祥團隊就通過檢測實驗證明了航空育種產(chǎn)物的安全性。

航天誘變育種在變異的概率等方面有著獨特的優(yōu)勢，以水稻為例，它的自然變異率在二十萬分之一左右，化學(xué)誘變的變異率也只有千分之幾，而經(jīng)空間誘變的水稻變異率可達百分之幾。

航天育種在本質(zhì)上和自然界的變異相同，只不過通過空間誘變加速了變異的進程，提高了變異的頻率;轉(zhuǎn)基因則是外源基因?qū)氲阶魑镏惺怪a(chǎn)生變異，二者完全不同。至于美國和俄羅斯，在20世紀(jì)60年代初，蘇聯(lián)及美國的科學(xué)家就已經(jīng)開始將植物種子搭載衛(wèi)星送上太空。只不過美國由于對種質(zhì)資源的需求不強烈，主要聚焦探索空間條件下植物生長發(fā)育的規(guī)律，改善空間人類生存的小環(huán)境;至于俄羅斯，2014年航天工程育種就被列為中俄雙邊科技合作項目了。

航天育種的中國兜蘭和航天育苗的月季花。圖片|中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)雜志

答案其實并不復(fù)雜，但這些問題至今仍然存在?？梢?，品種選育只是航天育種項目的關(guān)鍵一步，但“太空種子”要想得到企業(yè)歡迎、農(nóng)民認(rèn)可、老百姓認(rèn)可，還有很長的路要走。

我國航天育種起步早、成果多、發(fā)展迅速，但推廣和應(yīng)用卻步履維艱，許多優(yōu)良的太空種子在各地推廣中遇到了不少困難，市場問題也日漸突出。

一方面，國內(nèi)航天育種知識普及力度小，人們對航天育種仍存在一定的認(rèn)識誤區(qū);另一方面，無證生產(chǎn)經(jīng)營“太空種子”時有出現(xiàn)，非法購買種子包裝、冒名頂替、以次充好等現(xiàn)象嚴(yán)重，致使“太空種子”市場亂象紛呈。

近年來，依托國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，國家植物航天育種工程技術(shù)研究中心、航天育種產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟等眾多科研單位在航天育種研究方面上取得豐碩成果，卻普遍在產(chǎn)權(quán)保護、應(yīng)用推廣等方面力度不夠。同時，我國航天育種產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系還不完善，在生物材料種質(zhì)搭載、地面選育、品種審定、新品種銷售推廣、示范園建設(shè)等全過程和各環(huán)節(jié)均缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求。這些都是我國“太空種子”市場競爭力不足的原因。

我國的航天育種雖然開始于偶然，如今卻已經(jīng)成為豐富種質(zhì)資源、守護糧食安全的必然。誠然，我國在育成品種的數(shù)量和推廣應(yīng)用范圍處于世界第一位，空間誘變機理研究水平和航天育種技術(shù)成果在農(nóng)業(yè)的推廣應(yīng)用水平世界領(lǐng)先，但“行百里者半九十”，想要實現(xiàn)市場化，讓航天育種的豐碩成果真正走進千家萬戶，還要注重“品牌化”這“臨門一腳”。

◎ 來源|中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)雜志