方锦清：谈太空育种的相关问题 成果明显(1)

谈谈太空育种的相关问题
　　近日我的博客《太空育种的大白菜盛开的黄花如此鲜艳》 :


　　引起了部分网友的兴趣,于是自然提出 :什么是太空育种等令人感兴趣的一些问题.

　　我这里把调研的情况作一简单介绍。

　　1.什么是航天（太空）育种？

　　它是将作物种子或诱变材料搭乘返回式卫星或高空气球送到太空，利用太空特殊的环境诱变作用，使种子产生变异，再返回地面培育作物新品种的育种新技术。

　　太空育种也称空间诱变育种，就是将农作物种子或试管种苗送到太空，利用太空特殊的、地面无法模拟的环境 (高真空，宇宙高能离子辐射，宇宙磁场、高洁净) 的诱变作用，使种子产生变异，再返回地面选育新种子、新材料，培育新品种的作物育种新技术。即主要通过强辐射，微重力和高真空等太空综合环境因素诱发植物种子的基因变异。由于亿万年来地球植物的形态、生理和进化始终深受地球重力的影响，一旦进入失重状态，同时受到其他物理辐射的作用，将更有可能产生在地面上难以获得的基因变异。综合太空辐射、微重力和高真空等因素的太空环境对植物种子的生理和遗传性状具有强烈影响， 太空育种具有有益的变异多、变幅大、稳定快，以及高产、优质、早熟、抗病力强等特点。其变异率较普通诱变育种高 3-4倍，育种周期较杂交育种缩短约1 倍，由8年左右缩短至4 年左右。但是究竟主要是哪些因素产生影响，以及如何产生影响，至今不清楚。

　　确实，经历过太空遨游的农作物种子，返回地面种植后，不仅植株明显增高增粗，果型增大，产量比原来普遍增长而且品质也大为提高。到目前为止太空育种取得了不错的成效，

　　近月来，我第一次看到和欣赏到太空育种大白菜开出鲜艳的黄花,就 是太空育种结下的神奇的硕果的突出例证，她不仅身态优美，花朵黄得鲜艳可爱，而且可口甜美，还有淡淡的清香。

　　各国科学家已经证实了太空环境对植物基因产生影响, 当今世界的科学挑战性问题是，太空育种仍无法控制种子的变异方向，只能是任其发展 ，因此对太空育种原理的机制仍有待科学家们去做进一步的探索。目前，世界上只有 只有美国、俄罗斯、中国三个国家拥有返回式卫星技术。在这方面，中国走在世界前列。

　　2.总体概况

　　2002年6月，美国威斯康星大学 空间实验室开始开展空间诱变工作。把玫瑰带上天，目的是获得玫瑰油含量高的玫瑰突变体；同时还有大豆，主要是为了获得优良的大豆性状。俄罗斯 曾把做圣诞树的青杆或白杆(松科冷杉亚科云杉属植物 )带上天，现在西伯利亚和哈萨克斯坦地区大面积种植，从太空回来的圣诞树长得 非常高大。美国曾放弃空间诱变工作，现在正在加紧研究。

　　利用太空环境研究植物生长发育和遗传变异的工作始于20 世纪60年代。我国的太空育种始于1987 年，最初只是想了解种子经过太空搭载会发生什么变化。我国自1987 年8月5 日第1次利用返回式卫星搭载植物种子 以来，已成功进行了10余次太空育种试验。先后共有 70多种植物的l 000多个品种的种子进行了太空育种试验，共吸引全国23 个省(市) 的70多个单位参与种子搭载试验。通过太空育种，水稻出现了大穗、大粒、优质、高产新品系，如经太空诱变育种培育出的航育 1号水稻新品种株高降低14 em，生长期缩短13 d，增产5%～ 10%；水稻新品种华航一号穗大、粒多、结实率高，可增产10% ，产量达7 500 kg/hm2。此外，通过太空育种还获得了许多矮秆、丰产、早熟的小麦新品系，其产量较一般品种高 10%～15%；在青椒育种方面，通过太空育种培育出 l批高产、优质、抗病的新品系，如8-2 青椒的单果重>250g，产量 751300kg/hm2，维生素C 含量增加20%。

　　据不完全统计，迄今为止，中国已经有22个省 (市)参与了航天育种工作，通过国家审定的品种已经有 38个，80多个品种在大面积推广。以前太空育种多集中于水稻、小麦及蔬菜，而现今已经延伸至林业 中的用材林木、城市森林景观的园林植物、还有当今被称为能源植物的油料植物，其中部分品种已经大面积推广，特别是在广西 、福建、甘肃都有大面积种植。1994 年和1996年四川农业大学玉米研究所 率先在国内开展玉米空间诱变育种研究，从中获得1份具有矮化作用的由隐性单基因控制的细胞核 雄性不育新材料，为遗传学研究和育种利用提供了宝贵资源。该不育材料的雄穗不发达，分枝少，分枝顶端有退化迹象，不育株无任何花药外露。不育花药瘦瘪、细小，只有可育花药的 1/3大小。挤压不育花药使其破裂，没有花粉散出，败育彻底，育性表现稳定，不受光照和温度等环境条件影响，是 1个“无花粉型 ”的雄性不育。生物在太空环境中性状发生改变的主要原因是，太空环境因素引起染色体损伤，导致生物体对受损部位进行修复，在大量修复过程中造成修复出错，使染色体 DNA结构发生改变而造成表达性状的变异。

　　3.研究领域

　　早在20世纪80 年代，林木遗传育种界就接到航天部门的征询，是否有林木种子送上天。出于试验周期长和辐射难 以改变数量性质等认识，此事并没有得到响应。如今，专家逐渐开始关注林木种子上天一事，是因为种种原因发生这样 2个变化：林木遗传育种目标改变。由过去单一的追求林木生长量 转变为追求多种经济效益和适应性；对太空的认识也发生了变化。

　　学术界意识到太空有许多辐射是人类试验难以模拟的。因此，专家们越来越期待通过林木种子上天，来改变林木种子的质量性状，如色彩和粒性等由单基因控制的性状，以期在林木遗传育种领域寻求新的突破。这是时代发展的结果，也是林木遗传科学发展的结果。

　　早在20世纪50 年代，林业界就开始了人工诱变的研究。对毛白杨进行人lT辐射诱变后，叶子出现了缺刻现象，叶面无毛，但生长没有变化。林木生长周期长，十几年甚至几十年才半个轮伐期，辐射后产生的影响很难在短期内得到证实。但在从事其他科研的同时，应选择适当的林木种子和植物材料送上天，经过太空辐射后对其效果进行研究应该是有理论价值 和实践意义的。小粒的种子及花粉送上天是现实举措。为了试验方便，最好是不同树种的花粉、不同大小的种子一起上天，以便进行对比研究。尽管目前难以说清林木种子上天的问题，但对其前景充满信心和期待。

　　4.太空育种的安全性

　　太空食品和普通食品没有什么区别，是很安全的食品。关于太空食品安全性的问题，专家普遍 认为，太空育种并没有将外源基因导入作物中使之产生变异。作为诱变育种技术，太空育种可使作物本身的染色体产生缺失、重复、易位、倒置等基因突变。这种变异和自然界植物 的自然变异一样，只是时间和频率有所改变。太空育种本质上只是加速了生物界需要几百年甚至上千年才能产生的自然变异。太空中宇宙射线的辐射较强，这是植物发生基因变异的重要条件。目前，人工辐射育种中的辐射剂量只是国际食品安全辐射量的几十分之一，而太空中的辐射剂量还不到辐射育种辐射剂量的百分之一。宇宙射线引起的基因变异经常会让人想到转基因食品。转基因作物是将外源基因导入 植物体内而培育出的新品种，如转基因大豆是将非大豆植物甚至动物、微生物的基因导入而产生的变异。而太空育种则是让作物的种子自身发生变异，没有外源基因的导入。我国颁布的有关转基因安全管理规定中特别排除了对自身通过突变产生的新物种的管理，这也说明太空育种是非常安全的，不用担心其产品的安全性 。太空食品是按照人类需要选择出来的，不是转基因食品。至于污染，则是栽培方法和使用农药、化肥的问题。

　　太空育种已得到一定程度的应用。太空椒的果实比在陆地上培育的果实要大得多，口味、重量和外形发生了变化。太空黄瓜航遗一号早已通过了国家品种审定，最大单果重 1 800 g，长52 cm，Vc含量提高了 30%，可溶性固形物含量提高了20% 左右，铁含量提高了40%。说明太空诱变可以获得高营养成分、口感好的突变体。太空菜葫芦长达 75 CITI，平均单果重4 kg左右，最大单果重8 kg，含有可治糖尿病苦瓜素。太空番茄平均单果重在350 g左右，最大单果重375 g，产量75 000 kg/hm2左右。此外，太空搭载的长形茄子，单果重达350 g，口感非常鲜嫩。太空甜椒872可溶性固形物含量提高了 20%，在太空甜椒中获得了1个黄色后代和 1个红色后代，可以获得太空五彩椒系列，而不同于以往五彩椒通过太空诱变获得的黄色甜椒和红色甜椒。虽然太空育种前景诱人，但目前这项事业的产业化还不尽如人意，许多成果还停留在中试阶段和小规模生产阶段。据统计，以应用太空育种最多的水稻为例，最好的品种也只推广了 20万hm2，这和杂交水稻推广上千万 hme的规模有天壤之别。

　　应当看到，太空育种是1 个全新的交叉学科，涉及诸多领域，如航天技术、辐射技术、生物技术等，其本身还不是十分成熟和完善。太空搭载毕竟很少，主要是水稻和小麦。因为我国是 1个农业大国，太空育种技术受到重视，我国在太空技术方面虽然不是第1 位的，但是在太空农业育种方面应该是第1位的。常规育种中的杂交技术一般需要 8 a才可以获得新品种，太空育种可以缩短一半时间，太空搭载回来以后，在地面上必须要进行不少于 4代的培养。太空育种是1个很好的能够缩短育种周期的方法。

　　5.若干影响因素

　　5.1种子纯度

　　目前在国内外，种子搭载之前首先要进行种子的纯度检测，保证种子的纯度。搭载回来以后要进行地面第 1次试种，出苗时形态性状，如株高、长势等肯定会表现很多性状分离，要对每 1株进行检测。选择有良好变异的单株进行第2 代种植，仍然出现非常大的性状分离，把性状不好的全部淘汰掉，把好的突变体后代再进行第3 代种植。第3代种植后，把最好性状的种子搜集起来种植 第4代，一般第4 代很稳定，即获得了1个稳定的新品种。

　　5.2 生长环境

　　要特别注意种子生长过程中的生长环境问题，很多品种表现型上的退化不是真正的品种退化，而是因为周围授粉环境不好。比如太空椒，旁边种的不是太空椒的花粉传过来，其后代又有可能返回原始性状。因此，要保持太空椒 的优良性状，关键是要为其创造良好的繁殖环境。

　　5.3 太空停留时间

　　对于在太空停留时间对太空育种结果的影响这一课题，华南农业大学做过以下试验：把种子按照顺序排在核激板上，等种子回来之后，从核激板上可以探测出种子经过高能离子辐射的次数。由于太空育种的精确度上难以控制，带有一定的盲目性，因而种子被高能离子击中的次数并不是越多越好，在太空中停留时间并不是越长越好。只要高能离子能够准确击中种子的DNA 链条，并且是向着人类需要的方向组合就可以。太空育种结果与在太空停留时间没有太大关系。俄罗斯将在和平号空间站 搭载6 a的番茄种子赠送给我国，其后代表现并不优于我国航天器搭载20 多天的结果。这正是由于太空有许多辐射条件是人类试验难以模拟的，人为控制太空受辐射的强度或剂量目前是不可能的。毕竟高能离子的辐射是随机的。太空育种必须要配合田问观察和选择等常规育种手段，这是不可分割的，同时还要采用分子检测手段。

　　6.研究主要进展

　　据统计，一般种子太空中突变率仅在0.05%0.5% 之间，一点变化都没有的种子有很多。

　　原中国科学院遗传所研究员，被称为“ 中国空间育种第一人”的蒋兴村告诉记者，太空育种主要是通过强辐射，微重力和真空 等太空综合环境因素诱发植物种子的基因变异。由于亿万年来植物的形态、生理 和进化始终受地球环境的影响，因此一旦进入太空将有可能产生地面上难以获得的基因变异。从卫星搭载回的物品中精选出优质的品种，植物的果实大小、营养物质的含量以及抗病虫害 等方面均有显著改善。

　　植物的种子只要送上太空就能产生突变？种出的蔬菜瓜果就能增产吗？现在对于太空育种的宣传，往往让人对太空育种的神奇充满向往。大连海事大学环境系统 生物研究所所长孙野青教授说，不是说只要种子上过太空，就一定会发生突变。并且不同品种其突变率也有很大差别。经过统计，一般种子突变率是在 0.05%0.5%之间，一点变化都没有的种子有很多。在所发生的突变中，也并非全都是抗病能力增强、高产和早熟等有益变异，甚至从总体上来看，减产、抗病能力减弱，不利于生产的劣性突变表现得更多，因为太空毕竟是一种特殊的极端环境。

　　实际上，种子所谓“好 ”与“坏 ”的突变都是人为选择的，突变本身是无所谓优劣，做基础研究时，很多“ 劣性突变”更有利于进行研究种子对宇宙空间环境 的敏感性，以及种子在基因修复机制上的研究。

　　7.太空育种成果明显

　　自1987年以来，我国利用返回式卫星和神舟飞船 ，先后进行了10多次搭载，有1000 多个品种的种子和生物材料上天。

　　由于植物种子体积小，携带方便，在选育新品种方面具有较大的选择空间。已进行搭载的有粮食作物类：小麦、水稻、大豆、玉米、绿豆、豌豆、高粱等；蔬菜类：西红柿、辣椒、黄瓜、甜菜、茄子、萝卜等；经济作物有棉花、烟草等；花卉有万寿菊、鸡冠花、三色槿、龙葵、荷花、百合等；中草药材有黄芪、甘草；树木种子有油松、白皮松及石刁柏，还有草坪种子。

　　通过太空育种，培育出了一批新的突变类型和具有优良性状的新品种。例如水稻种子经卫星搭载，获得了植株高、分孽力强、穗型大籽粒饱满和生育期短的性状变异。增产 20%，单季亩产400600千克，最高达 750千克。蛋白质含量增加8%20% ，氨基酸总含量提高53%。太空小麦培育出矮杆、早熟、抗倒伏、抗病害、蛋白质含量高的丰产类型。

　　太空青椒枝叶粗壮，果大肉厚，免疫力强。单果重350600 克，单季亩产35004000千克，最高可达 5000千克，比普通青椒增产20%30% ，经中科院遗传研究所检测分析，太空青椒所含维生素C提高 20%，可溶性固形物提高25%，病情指数减轻 55%。太空黄瓜，藤壮瓜多，瓜体奇大，单果重 850-1100克，抗病力强。特别是雌花开得多，是地面瓜秧的1.5 倍。虽然它的皮厚了点，但瓜肉非常清凉爽口、汁多肉嫩。

　　太空番茄长势尤为喜人，株高茎粗，果穗增多，比常规番茄增产15% 以上，最高可增产23.3%。黑龙江 农科院园艺所选育的“宇番一号” ，在全国推广种植面积已超过100万亩。

　　“太空樱桃番茄” ，含糖量高达13%，与柑桔含糖量相当，口感鲜甜，可当水果食用。

　　太空西瓜的显著特点是含糖量达13%以上，可溶性固形物增多，纤维少，个头大，吃起来沙甜可口。

　　太空玉米能结出6-7个 “棒子”，可长出 5种颜色，而且味道也比普通玉米好。

　　太空搭载的鸡冠花、麦秆菊、蜀葵、矮牵牛等，都表现出开花多、花色变异、花期长等特点。尤其是粉色的矮牵牛，花朵中出现了红白相间的条纹。更令人惊奇的是万寿菊的花期竟延长到 6个月以上。

　　游过太空的大蒜能长到近半斤重，太空萝卜的幼苗让害虫敬而远之，本来无法杂交的籼稻和粳稻自从周游过太空后也能杂交了。

　　太空育种的效益和成果吸引了美国、俄罗斯，保加利亚、菲律宾等国家，都希望与我国合作。上天 “修炼”回到 “尘世”的太空种子，具有十分广阔的市场，必将洒播广袤的大地，生产出更多更好的太空食品，给人类带来无限的福音！

　　8.太空植物敢吃吗?

　　地面上普通的青椒、番茄、黄瓜，上天转一遭回来，就摇身一变换了模样。很多人都有些不放心，这些东西敢吃吗？经科学家检测分析，可以非常负责地告诉大家：经过太空育种的水稻依然是水稻，青椒依然是青椒，并无外来生物 基因导入与整合，物种没有发生本质的变化。这就比如DNA的基因排列是 “1、2、 3、4”，经太空育种后的基因排列是 “1、3、 4、2”，只是排序发生变化。而转基因植物里则有 “5”进来，所以就出现了"土豆吃出牛肉味 "，"猪肉吃出菠菜味 "之说。可见，太空育种与转基因有着根本的区别。

　　明白了这个道理，当你看到经太空遨游后的黄瓜像胳膊一样粗，茄子如篮球一般大时，大可不必过于担心，完全可以放心食用。

　　美国曾对哥伦比亚号航天飞机搭载的番茄种子及果实进行化验分析，结论是： “无毒，可以食用。”联合国的国际粮农组织、国际卫生组织 、国际原子能机构已经联合认定：太空种子是安全种子，太空种子培育出的农作物是健康食品。

　　9.太空育种的意义

　　人类的生存、生产活动随着科学技术和国民经济的发展从最初的陆地、海洋、大气层进入地球轨道 空间和外层空间，并且开始适应、研究、认识、利用和开发太空环境，这是人类文明史上的一次伟大飞跃。

　　太空环境蕴藏着极其丰富和多种多样的资源。太空育种这一选育良种新手段，具有不可低估的经济效益和社会效益。太空育种也是利用太空资源的一次成功的尝试。

　　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。太空蔬菜培育的二代、三代已经表现出高产、抗病、维生素含量很高等特性；太空花卉普遍在花期、花型、株型、颜色等方面发生了变化。有的花期变长，有的缩短，原来紫色的花，能成为白色、红色。

　　人类是要利用这些新品种带来的特殊价值。一般来讲，各地搭载的种子都是选择当地增值效益高、有当地特色，并可以大面积种植的品种。获得优良品种后，达到产业化就会对当地的农业经济有直接而显著的促进作用。

　　比如中科院遗传与发育生物学研究所在北京培育的紫花苜蓿、沙米、红豆草、冰草匍匐，四种草有这样的特点 ：特能抗寒抗旱。尤其是紫花苜蓿还有较高的蛋白质含量，能像韭菜一样，一茬一茬地割，与未经搭载的对照株相比，它的存活期变长了，而且不易枯萎。据介绍，专家们将继续对呈现变异特征的太空 "草民"进行筛选和接种，一旦它们的变异特征稳定下来，将被大面积种植在我 国西部地区及北京周边，用来防止草地荒漠化，堵截沙尘暴。

　　优质的品种就有可观的市场价格，据悉美国的太空番茄比优质苹果还贵。

　　太空育种可以缩短育种周期。据专家介绍，正常的农业育种一般需要8 年时间，太空育种可以缩短一半的时间。但从太空搭载回来以后，在地面必须要种植四代，才可以选育出性能稳定的品种。

　　10.发展前景

　　对于太空育种未来发展前景，应重点选择用于西部开发的生态恢复的植物。因为支援西北地区 ，要有大量饲草、固沙的草本植物和灌木、抗寒和抗旱的树种，同时还要搭载能源植物和中草药。蔬菜要选择精品蔬菜种子搭载。花卉主要是搭载试管苗和高附加值的花卉。林木方面，神舟 4号飞船搭载了美国红栌、杨树和红豆杉 3种经济树种，今后我国还应继续搭载林木树种，同时还应从俄罗斯引进经过和平号空间站搭载的树种。

　　种子产生突变后的效果主要和在太空中接受辐射的剂量多少、时间长短和所处的位置有关，和本身是什么种子没有关系。

　　从太空回来的种子经过培育，挑选出的优良品种要经过不少于4 代的种植，其中的每一代遗传性状都有所分离。如果4代后有幸筛选出一个新品种，还需要国家有关部门的品种 审定，这一过程至少需要3年，之后专家审定合格后才能拿到证书。

　　客观地说，对于是否搭载木本花木种子的问题，林木遗传育种界的反响并不很迫切。原因是多方面的，其中最重要的是木本植物自身的特性。许多林木遗传育种专家认为，由于 1、2 a生植物的种子对外界刺激比多年生木本植物更敏感。林木生长周期长并凝聚着很高的生物 量，使林木遗传育种的研究与农作物相比要困难得多。

　　诱变育种在草本花卉育种中也有很大价值，诱变后可使花卉变得奇形怪状，提高花卉的观赏价值。而林木育种则不同，人们对林木的期待，更多的是对数量性状的要求，特别是生长量的要求，而这是由数量 基因控制的。根据微效多基因假说，林木的数量基因是众多的，其中某个或某几个基因的改变对提高林木数量性状的效益并不显著。专家所做的大量试验已证明了这一点，这可能正是长期以来，林木遗传育种专家并不看好搭载林木种子的原因之一。


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