揭秘航天育種：當(dāng)一粒種子被宇宙粒子幸運(yùn)擊中……

上過(guò)太空的種子有啥不一樣？航天育種農(nóng)產(chǎn)品可以放心吃嗎？終極目標(biāo)是去火星種土豆？國(guó)家航天育種工程首席科學(xué)家劉錄詳揭秘>>

撰文/記者 呂冰心 編輯/吉菁菁

新媒體編輯/李云鳳

供圖/劉錄祥（除署名外）

采訪(fǎng)專(zhuān)家

劉錄祥（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所副所長(zhǎng)、國(guó)家小麥產(chǎn)業(yè)技術(shù)休系首席科學(xué)家、國(guó)家航天育種工程首席科學(xué)家、國(guó)家農(nóng)作物航天誘變技術(shù)改良中心主任）

日前，在太空出差183天的神舟十三號(hào)乘組順利返回地球。和三位航天員一起回家的，還有12000顆種子。

為什么要帶這么多種子去太空走一趟？從一粒種子被宇宙粒子幸運(yùn)擊中，到一路“過(guò)關(guān)斬將”育成新品種；從創(chuàng)新種質(zhì)資源服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，到豐富百姓餐桌，航天育種究竟發(fā)揮了怎樣的作用？

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被宇宙粒子幸運(yùn)擊中的種子

民以食為天，常被用來(lái)形容糧食在人民生活中的重要性，如今，“天”被航天育種賦予了新的內(nèi)涵。

航天育種即太空育種，也稱(chēng)空間誘變育種，是將農(nóng)作物種子或試管種苗通過(guò)搭載返回式航天器或太空艙，利用太空的宇宙射線(xiàn)、微重力、高真空等特殊環(huán)境的綜合誘變作用，使生物自身產(chǎn)生基因變異，再回到陸地上，經(jīng)過(guò)科研人員多代篩選、培育，形成特性穩(wěn)定的新品種。

和航天員一樣，種子上天也是經(jīng)過(guò)千挑萬(wàn)選，滿(mǎn)足條件才能獲得“入場(chǎng)券”。劉錄祥介紹，能上天的種子必須具備綜合性狀優(yōu)良、遺傳穩(wěn)定性一致、活力強(qiáng)發(fā)芽率高等特點(diǎn)。

此外，由于上天后種子突變隨機(jī)發(fā)生，因此育種家需要提前明確篩選目標(biāo)。例如，現(xiàn)有種子品種綜合性能良好，但缺點(diǎn)是植株太高，容易倒伏造成減產(chǎn)，因此將這批現(xiàn)有種子進(jìn)行空間誘變后，便可以從中定向選擇變矮的植株進(jìn)行培育。

▲空間誘變育種技術(shù)流程。（圖源：農(nóng)民日?qǐng)?bào)）

那么，種子上天后會(huì)發(fā)生什么變化？如何知道哪粒種子發(fā)生變化了呢？

劉錄祥表示，種子經(jīng)過(guò)空間旅行以后，會(huì)發(fā)生一系列的變化。比如小麥種子經(jīng)過(guò)空間飛行后幼苗生長(zhǎng)明顯加快，而空間返回的高粱種子則幼苗生長(zhǎng)受到明顯抑制。“但并不一定每一粒種子都會(huì)發(fā)生變化。能夠改變的可能只有千分甚至于萬(wàn)分之幾。”劉錄祥說(shuō)。

2006年，在我國(guó)首顆航天育種衛(wèi)星“實(shí)踐八號(hào)”上，除了裝載大量種子之外，還搭載了一系列探知空間環(huán)境的特殊裝置，其中有一組特殊的設(shè)備——核徑跡板，可以用來(lái)檢測(cè)種子是否被宇宙粒子擊中。劉錄祥介紹，核徑跡板是一個(gè)“三明治”式的結(jié)構(gòu)，位于中間部分的是種子，兩邊是核乳膠的材料，當(dāng)經(jīng)過(guò)空間搭載返回到地面后，把核徑跡板取出來(lái)檢測(cè)就能夠分辨出。

“顯微鏡下檢測(cè)它的感光片，有些種子上會(huì)出現(xiàn)“魚(yú)雷”樣的一個(gè)亮點(diǎn)?！眲浵檎f(shuō)，這就可以肯定，這顆種子被宇宙粒子幸運(yùn)地?fù)糁辛恕?/p>

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歷經(jīng)“九九八十一難”

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所大廳，展示著一排排裝在透明罐子里的太空種子。魯原502、航麥247、航麥501等系列小麥品種，中綠12號(hào)、中綠13號(hào)等“中綠”綠豆品種……各式農(nóng)產(chǎn)品應(yīng)有盡有。

▲航麥247穗部特寫(xiě)

“這些都是經(jīng)過(guò)航天誘變或者與常規(guī)育種結(jié)合育出的新品種。”劉錄祥介紹。同時(shí)他澄清，不少人有一種誤解，認(rèn)為只要上過(guò)天的就是太空種子，其實(shí)并不然。“上太空只是第一步，還要觀(guān)察種子基因有沒(méi)有改變，改變了基因的優(yōu)良突變植株能否被篩選“幸運(yùn)”出來(lái)，再經(jīng)過(guò)繁殖、多點(diǎn)測(cè)試等，最后能夠通過(guò)農(nóng)作物品種審定委員會(huì)審定的才叫做太空種子?！?/p>

而要培育出比較成熟的品種，劉錄祥表示，至少要8—10年時(shí)間。首先，育種家要進(jìn)行4到5年的變異篩選、穩(wěn)定以及進(jìn)行比較的過(guò)程。之后，還有4—5年的規(guī)定動(dòng)作，即連續(xù)2年的品種比較試驗(yàn)、合格再升級(jí)為2年的品種區(qū)域試驗(yàn)和1年的生產(chǎn)試驗(yàn)。

漫長(zhǎng)的選育過(guò)程中，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出了問(wèn)題，就可能導(dǎo)致前功盡棄。劉錄祥說(shuō)，可能某年發(fā)生一個(gè)特殊病害，之前所有的工作就白做了?！坝N工作很艱辛，每一項(xiàng)都要過(guò)關(guān)，產(chǎn)量、抗性、品質(zhì)、市場(chǎng)價(jià)值，大量的品系可能在試驗(yàn)的過(guò)程中被淘汰，留下來(lái)通過(guò)品種審定的，我們才叫太空種子，那就是非常小的比例了?！?/p>

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航天育種農(nóng)產(chǎn)品放心吃

經(jīng)歷一路“過(guò)關(guān)斬將”，太空種子才能最終到達(dá)普通百姓的餐桌上。磨盤(pán)大的南瓜、比拳頭大的彩椒、抗倒伏的太空小麥、又大又甜的太空草莓、維生素含量更高的辣椒……極大地豐富了國(guó)人的味蕾。“培育太空種子，不僅追求產(chǎn)量，育種家同時(shí)看重品質(zhì)提高，營(yíng)養(yǎng)改善等這些優(yōu)良性狀。”劉錄祥說(shuō)。

▲中國(guó)第一個(gè)航天誘變育種方法培育的甜椒新品種

有人擔(dān)心，經(jīng)過(guò)太空育種的農(nóng)產(chǎn)品，安全性能保證嗎？會(huì)不會(huì)有殘留的太空輻射？

對(duì)此，劉錄祥表示，他1996年曾針對(duì)此問(wèn)題專(zhuān)門(mén)做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)經(jīng)過(guò)我國(guó)第17顆返回式衛(wèi)星搭載過(guò)的小麥種子，通過(guò)專(zhuān)業(yè)的儀器設(shè)備進(jìn)行了連續(xù)48個(gè)小時(shí)檢測(cè)，結(jié)果顯示，與地面對(duì)照組比較，太空飛行的種子并沒(méi)有增加任何放射性成分。也就是說(shuō)，空間誘變與自然界億萬(wàn)年自然進(jìn)化的變異過(guò)程本質(zhì)上一樣的，可以安全食用。

▲宇番1號(hào)番茄是中國(guó)第一個(gè)航天誘變育種方法培育的番茄新品種

同理，地面模擬航天誘變、核輻射誘變技術(shù)育出的農(nóng)產(chǎn)品也可放心食用。由于搭載空間實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)有限，為了補(bǔ)充航天育種的局限性，實(shí)現(xiàn)一年多次實(shí)驗(yàn)培育新品種，育種家在地面利用高能加速器、核輻射技術(shù)開(kāi)展種子的誘變工作。

劉錄祥說(shuō)，“這樣我們做實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)更多，處理的種子量可以更大，有機(jī)會(huì)不斷改進(jìn)?！弊罱@幾年，劉錄祥帶領(lǐng)全國(guó)協(xié)作攻關(guān)團(tuán)隊(duì)利用這些新技術(shù)培育出一系列糧食作物、油料作物、蔬菜、棉花等新品種，“都可以安全放心享用?！?/p>

（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

另外，也有人對(duì)太空育種和轉(zhuǎn)基因的關(guān)系分不清，劉錄祥解釋?zhuān)D(zhuǎn)基因是人為定向給植物導(dǎo)入某些優(yōu)良性狀的基因，使其綜合性狀發(fā)生改變，目前已經(jīng)成為國(guó)際上最前沿的生物育種技術(shù)之一。而太空育種則利用的是太空環(huán)境，使種子自身基因變異加速，范圍擴(kuò)大，頻率提高。

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創(chuàng)造豐富種質(zhì)資源，服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

事實(shí)上，航天育種不僅連接著百姓的餐桌，另一端還連接著國(guó)家的糧食安全。農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化種子是基礎(chǔ)，種子是農(nóng)業(yè)的“芯片”，目前我國(guó)農(nóng)業(yè)育種面臨著擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的種質(zhì)資源匱乏的難題，嚴(yán)重制約了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。而航天育種作為是航天技術(shù)，生物技術(shù)與農(nóng)業(yè)育種技術(shù)相結(jié)合的高科技育種新途徑，在種質(zhì)資源創(chuàng)新和“攥緊中國(guó)種子”方面發(fā)揮著重要作用。

大空育種與地面常規(guī)誘變育種相比具有突變多，變異大，穩(wěn)定快的優(yōu)點(diǎn)，是培育高產(chǎn)、質(zhì)優(yōu)、早熟、抗病農(nóng)作物新品種、新種質(zhì)資源的新途徑。通過(guò)空間誘變手段，既加快了農(nóng)作物種子的變異過(guò)程，縮短了選育周期，又豐富了育種材料。

1987年我國(guó)第九顆返回式科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星首次將一批農(nóng)作物種子送向遙遠(yuǎn)太空，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中意外發(fā)現(xiàn)極個(gè)別上過(guò)天的種子發(fā)生了一些遺傳變異，由此揭開(kāi)了航天育種的序幕。中國(guó)空間技術(shù)研究院航天生物集團(tuán)原總工程師董事長(zhǎng)趙輝曾介紹，在發(fā)射衛(wèi)星的時(shí)候，要求對(duì)衛(wèi)星的質(zhì)心垂直，為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要在衛(wèi)星里加上配重。如果把衛(wèi)星的配重替換了，放入同樣重量和體積、并且還有用途的東西，比如實(shí)驗(yàn)裝置，就能實(shí)現(xiàn)空間資源的利用。實(shí)際上就是出于這樣一種想法，才有了太空搭載。

2006年，劉錄祥作為國(guó)家航天育種工程項(xiàng)目首席科學(xué)家，曾負(fù)責(zé)我國(guó)甚至世界上唯一一個(gè)育種專(zhuān)用衛(wèi)星——“實(shí)踐八號(hào)”的主要育種工作?！皩?shí)踐八號(hào)”搭載了水稻、小麥、玉米、棉麻纖維、油料作物、蔬菜作物、林果花卉、微生物菌種和小雜糧等2000多種類(lèi)，約208千克的種子材料，為我國(guó)育種研究工作貢獻(xiàn)了豐富資源。

從1987年開(kāi)始至今，利用返回式衛(wèi)星、神舟飛船等航天器，我國(guó)經(jīng)過(guò)了30多年的探索以及系統(tǒng)的布局研究，航天育種已在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位，并且已經(jīng)取得了非常重要的成果，育出將近300個(gè)新品種，產(chǎn)生了巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

“在推廣應(yīng)用方面，通過(guò)航天誘變技術(shù)或者是航天誘變與其他育種技術(shù)相結(jié)合培育出來(lái)的新品種，大約在3000—5000萬(wàn)畝，按照平均每畝增產(chǎn)20千克計(jì)算，增產(chǎn)糧食所產(chǎn)生的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。”劉錄祥自豪地向記者介紹。

在航天育種的產(chǎn)業(yè)化方面，劉錄祥認(rèn)為，這與其他育種方法培育新品種的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)該沒(méi)有太大區(qū)別，最重要的工作是梳理品種特點(diǎn)，在其適應(yīng)區(qū)域里進(jìn)行良種良法的配套，從而實(shí)現(xiàn)面積推廣與收益的最大化。

▲魯原502單株

目前我國(guó)航天育種單個(gè)品種推廣面積最大的小麥品種，是劉錄祥團(tuán)隊(duì)和山東農(nóng)科院李新華團(tuán)隊(duì)合作育出的魯原502，由于具備優(yōu)秀的高產(chǎn)性、穩(wěn)產(chǎn)性和廣適性，2018年當(dāng)年推廣應(yīng)用面積超過(guò)2000萬(wàn)畝，成為全國(guó)第二大品種，增產(chǎn)效果十分顯著，也因此獲得了2019年國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

“農(nóng)民如果選擇魯原502小麥種植，在同樣的面積、同樣的投入下，產(chǎn)量和效益都獲得了有效提高?！眲浵檎f(shuō)。

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終極目標(biāo)：去火星種土豆？

有說(shuō)法稱(chēng)，航天育種的終極目標(biāo)并不在地球之上，而是為了實(shí)現(xiàn)“在火星種土豆”的愿望。

針對(duì)這點(diǎn)，劉錄祥表示，“在火星種土豆”其實(shí)與航天育種是兩個(gè)不同的目標(biāo)和方向。航天育種是利用空間環(huán)境誘變種子，致力于服務(wù)地面人類(lèi)，培養(yǎng)產(chǎn)量更高、質(zhì)量更優(yōu)、抗逆性更強(qiáng)的農(nóng)作物品種；而“在火星種土豆”則是為人類(lèi)逐夢(mèng)深空提供空間生命支持系統(tǒng)，搶占未來(lái)太空長(zhǎng)期居留和科技生活制高點(diǎn)。

其實(shí)早在上世紀(jì)50年代末60年代初，蘇聯(lián)和美國(guó)科學(xué)家就開(kāi)始利用各類(lèi)航天器進(jìn)行了上百種的植物搭載實(shí)驗(yàn)，有些還完成了在空間的全生命周期，產(chǎn)生了一些新鮮的食物供給。就在2021年10月29日，國(guó)際空間站航天員品嘗了種植周期4個(gè)月的太空辣椒，并親手制做了太空玉米餅，剩下的一部分辣椒被帶回地球進(jìn)行研究。據(jù)悉這是國(guó)際空間站迄今最復(fù)雜的植物實(shí)驗(yàn)之一，而克服在微重力環(huán)境下種植蔬果的挑戰(zhàn)對(duì)長(zhǎng)期太空任務(wù)非常重要。

趙輝曾表示，我國(guó)在實(shí)施載人航天工程和深空探測(cè)計(jì)劃的同時(shí)，就開(kāi)始著手研究地面高等植物在空間環(huán)境下的生長(zhǎng)發(fā)育，以營(yíng)造受控的空間生態(tài)系統(tǒng)，讓人在太空環(huán)境下獲得氧氣、水分和食物來(lái)源。其中，在“天宮二號(hào)”實(shí)驗(yàn)室中，航天員就已經(jīng)成功種出了綠油油的生菜。

2022年是我國(guó)空間站建造決戰(zhàn)決勝之年，據(jù)中國(guó)載人航天工程辦公室消息，中國(guó)空間站將于今年完成在軌建造，目前，執(zhí)行空間站建造階段2次載人飛行任務(wù)的航天員乘組已經(jīng)選定，未來(lái)，中國(guó)空間站將長(zhǎng)期有人駐留生活、工作，進(jìn)行更多的科學(xué)研究。

無(wú)論是“火星土豆”，還是“太空種子”，航天育種技術(shù)都正向更高質(zhì)量、更高水平邁進(jìn)，和其他育種技術(shù)一起，為做強(qiáng)我國(guó)的“農(nóng)業(yè)芯”，做好“中國(guó)種”，創(chuàng)下“中國(guó)糧”的新奇跡。

出品：科普中央廚房

監(jiān)制：北京科技報(bào) | 北科傳媒

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