航天育种：上天入地，只为攥紧“中国种”
农民日报·中国农网 2022年9月2日 记者 白锋哲 李丽颖
随着我国空间站时代的到来，航天育种将开辟一个连接太空和地面、未来与现实的全新领域，定期的发射和返回、舱内外的空间诱变环境、更多的重要载荷，必将为育种研究提供更加丰富的航天资源和保障，必将创制出更多的新材料、新种质、新资源，从而为我国解决种源“卡脖子”问题，实现种业科技自立自强、种源自主可控，更好地发挥作用。
这不是科幻电影中的桥段，而是近几天备受关注、正在中国空间站问天实验舱上演的情景。拟南芥幼苗已长出多片叶子，高秆水稻幼苗已长至30厘米左右，矮秆水稻也长至五六厘米高。
这是“太空同款”拟南芥培养单元中拟南芥开的花。 新华社记者 张建松 摄
科学家们还无法判断，这次空间微重力条件下水稻“从种子到种子”全生命周期的培养实验能否成功。就像35年前，科学家们想不到我国农作物种子的首次太空之旅会带来什么一样。
时间自会给出答案。当天上和地下相连，当逐梦苍穹的航天与扎根大地的育种相遇，“航天育种”的奇妙轨迹就此开启。
偶然的发现，开启育种新空间
9月1日，神舟十四号航天员乘组进行首次出舱活动。“天上”的一举一动都牵引着国人的目光，中国人离飞天梦从未这么近。
与此同时，我们的“太空之家”里，还安静地躺着万余颗种子，等待被宇宙射线击中；在地面的实验室、试验田，有更多不同植物的种子上天后又钻入地下，接受着育种专家们细致入微的选育。
航天员蔡旭哲细心“呵护”在轨实验生物样品。（来源：中国载人航天工程办公室官方平台）
如今，科研领域对于航天育种的认知和应用已较为系统和成熟。然而，35年前，却是一次看似偶然的举动，开启了一个全新的领域。
1987年8月5日，我国第九颗返回式科学卫星首次搭载一批水稻、番茄、青椒等农作物种子成功发射。当时的科学家已经掌握了地面辐射育种技术，试图借助航天技术，通过航天搭载及其空间诱变获得更丰富的、有价值的变异材料，同时也进一步验证“空间环境对植物的遗传性状会有什么样的影响”。
返回地球的种子，进行一系列试验后，科学家们惊喜地发现，发生了一些意外的基因遗传变异。更关键的是，有些变异正是人们一直期盼的。由此，拉开了我国通过空间诱变进行植物航天育种的序幕。
1994年，刘录祥的同事将红小豆送上太空。返回地球种植后，红小豆的籽粒和豆荚都发生了神奇的变化。这让刘录祥深深感到了航天育种的威力，从此跟航天育种结下不解之缘，成为我国最早一批从事航天育种的科学家。
太空红小豆粒。（来源：中国农业科学院作物科学研究所）
“航天育种看上去很神奇，但其实并不神秘。”如今已是国家航天育种工程首席科学家、国家农作物航天诱变改良中心主任、中国农业科学院作物科学研究所党委书记的刘录祥说，航天育种又叫太空育种、航天诱变育种，是将种子置于太空特殊环境中，在微重力、弱地磁、强辐射、高真空、超低温、极洁净等极端条件作用下，种子内在基因可能会发生变异。“不管是航天育种，还是其他育种，归根结底都是发现变异，然后利用变异的过程。”
千百年来，人类从吃饭到生产生活都要依赖植物，一直在寻找更优良的作物品种。“育种家”们从自然界收集具有优异性状的种质资源，通过品种选育，让满足生产需求的性状固定下来、传播开去。但一代代的育种都只能在地面进行，直到现代航天科技发展起来，为诱发种子变异带来了可能，也为获得更丰富的种质资源提供了可能。
不过很少有人知道，“航天育种”是我们国家航天技术在种业科技创新领域独具特色的应用。中国的航天育种相比较美国、俄罗斯这样的航天大国，开展的研究范围、应用成果更加突出。
早在20世纪60年代，美国、苏联就认识到太空环境能够诱发植物种子基因发生变异，开始探索空间条件下植物生长发育规律，目的是建造“会飞的农场”，解决宇航员及未来地球星际移民在太空中长期生存和生活。美俄等国可耕土地多，农作物产量大，服务地面育种的紧迫感并不强烈；中国则完全不同，人口众多，耕地偏少，保障粮食安全的任务更加紧迫。端稳“中国饭碗”，实现种业科技自立自强、种源自主可控，尤其需要更多更优质的种质资源来解决现实问题。
“先天不足”更要“后天努力”。始于偶然的发现，便成为了特殊国情之下创新种质资源、保障粮食安全的必然。
“上天”只是第一步，关键是“下地”后
种子跟随航天器到太空遨游，回来就能变成优良的“太空种子”吗？这显然是不可能的，也是不现实的。
“太空种子并不是简单搭载出来的，而是在返回地球后，经科研人员多代筛选、培育出来的。”刘录祥解释道，根据多次试验的累计统计，送入太空停留数天的种子，基因突变虽然高于自然变异的水平，但平均也只有千分之几的概率。而在这些变异种子中，朝着抗倒伏、抗病虫害、早开花、早成熟和高产量等人们所期待的方向转化的，更是少数。更多的则是某些重要基因被宇宙高能射线破坏掉，反倒使植物的活力降低了。“这些都是随机发生的，不是人类所能主导的。”
上天只是走完“万里长征一小步”，最繁重和最重要的工作是后续在地面完成的。以小麦为例，搭载回来的种子叫作“第一代种子”，要全部种下去。第一代植株有时会表现出一些生理变异性状，但科研人员只是观察记录下来，不做任何筛选，因为第一代选择误差大。收获的种子再种下去，长出来的叫第二代，这才开始选长得“好”的种子，例如筛选变矮秆的，以增强抗倒伏性能；筛选穗子变大的，以提高产量；筛选变早熟的，以提早收获期等。变异是随机的，但可以根据育种目标进行定向选择。通过筛选，选择出第三代具有性状突变的植株，收获种子继续播种，目的是看这些突变性状能否真正稳定遗传。经过进一步筛选，再进行一定规模的群体比较试验，还要拿到多个试验点异地试种鉴定。经过反复培育、层层筛选和验证等科学研究，种子如果连续几年都表现很好，产量和品质超过对照品种，才可以申请国家或省级的品种审定。经过审定认可的品种才能叫“太空种子”，并推向市场。
在刘录祥看来，航天育种只是一种方法，回到地面后的选育方法与常规育种没有太大区别。“育种过程中最首要的工作是确定育种目标，要围绕育种目标进行筛选，建立自己的体系。变异是随机的，但选择必须是定向的。比如说，要选择抗旱节水的材料，就需要种植在限制灌水或干旱条件下筛选；要选择抗白粉病、抗赤霉病、抗叶锈病的突变材料，就需要在接种这些病菌的条件下鉴定筛选；而选择优质、营养多元的突变材料，则需要辅助品质营养成分测试等。”
刘录祥研究员田间调查太空小麦。（来源：中国农业科学院作物科学研究所）
“不管是做哪种育种方法，下地是最基本的核心要素。下地次数及下地质量与品种产出、品种成果质量高度正相关。”刘录祥说，“即便结合了分子标记辅助选择的方法，最终能否选出品种，还是要靠育种家的眼睛在田间‘面试’。突变筛选有时就像海选演员一样，海选几率虽然不是很高，但如果能筛选到一些具有重要育种价值的突变基因，就有可能带来育种工作的重大突破。”
为了观察诱变后代的性状变异，每天奔忙在试验田与实验室之间，是育种科研人员的工作常态。育种家往往要经历4到8年甚至更长时间，结合生物优选方式，经过多代筛选、淘汰、试种、审定，将诱变优良的基因在常规种植中稳定遗传，每一个环节都要过关，最终才能获得具有优质、高产、早熟、多抗性等优良性状的新品种。
寻求更多种质新材料，航天搭载从未中断
设立在华南农业大学的国家植物航天育种工程技术研究中心（以下简称“航天育种中心”）的试验基地，一株株跟随嫦娥五号“奔月”的水稻种子后代，这几天再次进入分蘖期，长出了细小的稻叶。
2020年11月24日，40克约2500粒“航聚香丝苗”水稻种子搭乘嫦娥五号探测器升空，历经22天21时29分的飞行后，随嫦娥五号返回器顺利返回地球。与以往不同的是，此次搭载实现了水稻种子深空环境诱变育种的首次突破。这些种子内含4万个基因，通过定向跟踪，发现可利用的优良基因。
“现在是第四个世代的种植了。”航天育种中心主任郭涛告诉记者，“目前已经发现了在产量、品质和抗病性上的一些特殊变异，共有近120个新材料。有一些重要的材料，我们正在进行比较试验，预期可以很快形成一些品系。”
2021年3月29日，华南农业大学国家植物航天育种工程技术研究中心王加峰博士为刚刚插秧太空稻的试验田插上写着“CE-5”的标识牌，这是嫦娥五号的拼音缩写。当日，嫦娥五号搭载的太空稻种离开研究中心温室，移栽到试验田基地。新华社记者 刘大伟 摄
航天育种产业创新联盟秘书长、中国空间技术研究院原航天生物总工程师赵辉介绍说，“自1987年以来，每一次返回式卫星发射都搭载了种子。载人航天工程实施以来，在神舟飞船、天宫实验室、天舟飞船、空间站天和核心舱、问天实验舱等每一次飞行任务中都安排了航天育种搭载实验项目，至今已经完成40多次航天育种搭载实验，是世界上唯一持续借助航天技术开展育种研发的国家，取得的科研成果和应用效果也是最为显著的。”
值得一提的是，2006年9月9日，中国首颗、也是全球第一颗专门用于航天育种研究的返回式卫星“实践八号”被发射上天。这颗“史无前例”的卫星，一次搭载了粮棉油菜果花等9大类2000余份、约208千克的种子，包括水稻、麦类、玉米、棉麻、油料、蔬菜、林果花卉和微生物菌种等152个物种，在太空飞行15天后顺利返回地面。由刘录祥领衔的这项工程，还在卫星上装载了多项空间环境探测装置，用于探测空间环境辐射、微重力和地磁场等环境要素，开展空间环境要素诱变育种的对比研究。
这次“专乘”堪称我国航天育种领域的里程碑式事件。除此之外，航天育种更多时候只能“搭乘”。“每次搭载利用的是载荷余量。”赵辉解释说，“发射航天器时，要求质心垂直，为解决这个问题，需要在航天器里加上配重。如果把配重替换，放入同样重量和比重、并且还有用途的东西，比如实验装置，就能实现空间资源的充分利用。”
刘录祥（右二）和工作人员在实践八号育种卫星发射前完成载荷安装。（来源：中国农业科学院作物科学研究所）
由于航天系统工程复杂程度高、技术跨度大，每一点荷载容量都弥足珍贵。“资源有限”的情况下，可以跟随航天器进行“太空旅行”的种子需要经过“千挑万选”，把具有明确研究目的和育种方向、具有重要研究和应用价值，真正能够代表同类植物“最先进、最优秀、最强大”性能的种子找出来。这就好比要组织运动员去参赛，总得把体能最好、体质最强、训练最多的运动员选出来。因此，带上太空的种子，必须是遗传性稳定、活性好、综合性状优异的种子。
也有人质疑，性能优异的种子就算不上天，选育出的后代也不会差，而且与太空诱变相比，在地面人工诱变环境下，辐射、气压、磁场等可以做得更可控，航天搭载有必要吗？
上世纪八九十年代开始，各种地面诱变试验相继开展。通过“微重力实验室”“零磁空间实验室”“伽马射线”“高空气球”等手段，加强各种“非正常因素”对种子细胞和基因的影响，促发更频繁、更深刻的变异。刘录祥说，航天搭载的实验机会毕竟有限，为实现一年多次实验，育种家会选择在地面利用高能加速器模拟宇宙粒子等辐射技术开展种子诱变工作。“这样我们做实验的机会更多，处理的种子量可以更大，有机会不断改进。”
“空间诱变和地面人工诱变互为补充，各有优势。”赵辉说，太空环境是地面无法模拟的，也是难以长久保持的。研究表明，航天诱变的成活率比地面辐射诱变高很多，一般能达到90％以上。“与传统地面诱变育种相比，航天诱变具有变异率高、变异幅度大、有益变异多、稳定性能强等特点，能够极大丰富育种材料。”
航天育种逐步多元化，农产品早已走上餐桌
提起“航天育种”，许多人的印象是果实个头超大，茄子像南瓜、南瓜磨盘大、豆角几尺长、甜椒大如梨。
“航天育种走过35年，一大批新品种早已走进市场、走上餐桌，服务着人们的生活。”赵辉笑说，“但同时，多数航天品种在外观上并没有那么夸张。”
自1987年以来，我国先后利用各类航天器，搭载植物种子、菌种、试管苗等4000余种，培育的小麦、水稻、玉米、大豆、棉花和番茄、辣椒等园艺作物新品种，经过国审和省审的航天育种新品种超过200个，累计种植面积1.5亿亩，产业化推广创造经济效益2000亿元以上。在牧草、林木、花卉等领域也有一定规模推广应用，还获得了一些对产量、品质有突破性影响的材料。
从粮食作物、到蔬菜水果、再到花卉牧草等，航天育种方向越来越多元化，在关键技术开发、重要种质创新、品种选育及成果产业化方面取得诸多成果，为攥紧“中国种子”、端稳“中国饭碗”贡献着力量。
福建省农业科学院谢华安院士团队利用航天诱变育种技术创制出航1号、福恢673等一系列强优恢复系，进一步与杂种优势利用技术相结合，培育出特优航1号、Ⅱ优航1号、宜优673等十几个高产优质超级稻和再生稻品种。再生稻最高亩产超过1400公斤，累计推广应用3000多万亩，获福建省科学技术进步一等奖2项。
Ⅱ优航1号。（来源：中国农业科学院作物科学研究所）
目前我国航天育种单个品种推广面积最大的小麦品种，是刘录祥团队和山东农科院李新华团队合作育出的鲁原502。它是利用航天突变系“9940168”和“济麦19”进行常规杂交后，系统选育出的高产小麦新品种。由于具备优秀的高产性、稳产性和广适性，2018年当年推广应用面积超过2000万亩，成为我国第二大主推小麦品种，增产效果显著，也因此获得2019年国家科技进步二等奖。截至目前，“鲁原502”累计推广面积超1亿亩。
鲁原502太空小麦。（来源：中国农业科学院作物科学研究所）
此外，利用航天诱变育种技术培育的牧草、花卉、林木、微生物等不同领域，都有成功的品种问世。
“中天1号”紫花苜蓿是以2002年“神舟3号飞船”搭载的紫花苜蓿种子为基础材料选育而成，2018年通过国审，登记为牧草育成品种。“‘中天1号’营养物质和产草量都很高，叶片以5叶为主，品种多叶率达35.9％，而国外引进的主要多叶品种的平均值仅为6.31％。干草产量平均为每亩1035.33公斤，比对照组平均高产12.8％，国家区域试验最高干草产量达每亩1789.9公斤。”谈到“中天”系列，中国农科院兰州畜牧与兽药研究所抗逆牧草育种与利用团队首席科学家杨红善很是自豪，“‘中天2号’‘中天3号’苜蓿和‘中天4号’燕麦，都相继通过了国家或地方品种审定登记，在牧草的品质、产量以及抗性等方面各有侧重，都有不俗表现。如‘中天2号’在多叶率、干草产量和粗蛋白质含量等指标上，相对‘中天1号’又进一步提高了，在形成苜蓿产业化方面具有品种资源优势，推广应用前景广阔。”
杨红善介绍说，团队牧草航天育种研究，至目前已经先后通过不同太空飞行器10次搭载了10类80份主要的草类植物种子进行航天诱变，其中神舟11号飞船上搭载的紫花苜蓿试管苗实验获得成功。
航天育种搭载试验仍在继续，对于新材料、新种质的探索也在持续进行中……
今年5月份，神舟十二、十三号航天育种实验项目清单公布。88家单位的上千件（份）作物种子、微生物菌种等航天育种实验材料可谓丰富多样。其中有不少搭载实验材料在轨驻留六个月以上，时间最长达326天，是我国航天器搭载实验在轨时间最长的一个批次，相关搭载单位和专家期待后续能有新的发现。
6月5日，搭载神舟十四上天的种子，除了主粮作物种子外，还有新疆的苏丹草、骆驼刺、伊犁绢蒿和驼绒藜等牧草种子，福建的福鼎白茶、福州龙岩的杉木和米老排种子，湖南的辣椒种子，黑龙江的甜菜、蔓越莓种子等，这些实验材料涵盖诸多学科和领域的基础研究、种质资源创制、新品种选育。
“就药用植物来说，神舟十三号带回了云木香、铁皮石斛、天麻、薏苡仁等10种云南特色中药材种子，重量是61.8克。”云南省农业科学院药用植物研究所所长李荣福告诉记者，下一步将对搭载返回的种子进行生活力测定，选留部分种子保存在低温库中进行长期贮藏，其余种子按照相关技术规范进行育苗和大田栽培。
中国空间站时代，为航天育种开辟新领域
就在一个月前，问天实验舱成功与天和核心舱交会对接。这次，问天实验舱装载了生命生态实验柜，开展拟南芥和水稻在太空“从种子到种子”（在太空发芽、开花、结实）全生命周期实验。目前拟南芥和水稻种子均已长出幼苗。
这是“太空同款”水稻培养单元中水稻生长的稻穗。 新华社记者 张建松 摄
实际上，此前我国已开始着手研究地面高等植物在空间环境下的生长发育。在“天宫二号”实验室中，航天员成功种出了绿油油的生菜；10株番茄苗随神舟八号上天，17天后返回地面，科研人员惊奇地发现，番茄苗都是活的，有8棵已经开花结果，而且有的已经转红接近成熟。
据了解，过去60余年中，国外科学家对于在空间种植和栽培植物进行了大量研究，研究重点逐渐从植物幼苗阶段扩展至种子生产研究。然而截至目前，只有油菜、小麦、豌豆等少数几种作物在空间完成了“从种子到种子”的实验。
中油5628太空油菜。（来源：中国农业科学院作物科学研究所）
刘录祥表示，“会飞的农场”“在火星种土豆”与航天育种是两个不同的目标和方向。航天育种致力于服务地面人类，培养产量更高、质量更优、抗逆性更强的作物品种；而“在火星种土豆”则是为人类逐梦深空提供空间生命支持系统，抢占未来太空长期居留和科技生活制高点。
当航天员需要在太空长期工作生活时，甚至进行奔向月球、火星等深空探索时，生活问题将如何解决？当人类最终需要向外星球移民，或者在月球、火星上建立用于科学研究等永久基地时，如何解决植物生长和农作物自给问题？这些指向人类未来的问题，都对农业育种研究提出了新课题和挑战。
但现阶段，航天育种的主要任务仍然是着眼国家粮食安全，打破育种瓶颈。种子是农业的“芯片”，种质资源已经成为重要的战略资源，航天育种是发掘优异种质资源的新途径，一旦成功，不仅可以为粮食安全再加一层保障，也能极大程度创造出社会效益。
随着我国空间站时代的到来，航天育种将开辟一个连接太空和地面、未来与现实的全新领域，定期的发射和返回、舱内外的空间诱变环境、更多的重要载荷，必将为育种研究提供更加丰富的航天资源和保障，必将创制出更多的新材料、新种质、新资源，从而为我国解决种源“卡脖子”问题，实现种业科技自立自强、种源自主可控，更好地发挥作用。
作者：农民日报·中国农网记者 白锋哲 李丽颖
