-一场太空种子的“变形计”
作者:张晴丹
发布时间:2021-01-26
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-一场太空种子的“变形计”

▲科研人员调查嫦娥五号搭载种子长成幼苗的发育情况。郭涛供图

▲紫花苜蓿种子出苗。杨红善供图

■本报记者 张晴丹

这几天,经历“奔月之旅”归来的一部分水稻、苜蓿和燕麦种子已经在实验室里出苗,并且长势喜人,它们承载着解决种源“卡脖子”问题的重大任务。

种子遨游太空并不是什么新鲜事,神舟八号、神舟十号、天宫一号、实践十号等都曾搭载不同的种子上天。然而,这次与嫦娥五号同行的种子,经历了与以往完全不同的“太空之旅”,这场“远行”完成了深空空间诱变实验,带来了更大变化的可能。

30多年的航天育种事业,一批又一批优良品种的“诞生”,都在献力于中国种业翻身仗,为实现“种业强国梦”的目标而不懈努力。

搭载机会难得,种子肩负重任

种子被视为农业的“芯片”,但是我国种业底子薄、资源家底不清,自主创新水平不及发达国家,一些农作物种子被国外垄断,要下决心把民族种业搞上去,就要加紧培育具有自主知识产权的优良品种。

“要想培育优良新品种,必须有优异的种质资源,这就需要用不同方法来创新种质获得育种材料。目前已有的方法和手段有野生种收集、杂交、基因编辑、分子设计和空间诱变等,其中的空间诱变更具‘潜力’。”中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所(以下简称兰州牧药所)抗逆牧草育种与利用团队首席专家杨红善在接受《中国科学报》采访时表示。

杨红善介绍,空间诱变有三大“宝”,分别是高真空、微重力、空间射线,这三个因素共同作用可以使得种子内部的遗传基因发生变化,种子回到地面后就有可能会“变异”出符合育种家需要的育种材料。

每一次的载荷非常有限,此次嫦娥五号搭载了以航天育种产业创新联盟(以下简称联盟)牵头的多家单位提供的水稻、苜蓿、燕麦、兰花、竹子等各类农作物、林草花卉种子共30余种。“联盟发挥组织成员单位协作科研攻关的作用,用好搭载材料,从中取得更多科学发现和研究试验成果。”联盟理事长梁小虹表示。

能上天的种子都是“天选之子”,要通过层层选拔。“在搭载之前,我们要测定发芽率,选择发芽率在95%以上的种子,并逐粒进行人工‘精选’,要保证每粒种子饱满。”杨红善说,这次搭载的牧草种子分两类,一个是被誉为“牧草之王”的紫花苜蓿种子8.3克,一个是高海拔地区优质牧草燕麦种子10克,它们的主要用途是解决牛羊口粮问题。

与以往神舟飞船、返回式卫星等搭载不同的是,嫦娥五号地月往返共23天,整个空间飞行距离接近80万公里,与近地轨道的整个环境因素差异巨大。

“深空环境对于生命的影响是一个非常重要的研究课题。我们搭载的近2500粒‘航聚香丝苗’水稻品系种子经历了范艾伦辐射带和太阳黑子爆发,这些空间环境因素可能会对水稻实验材料的变异率和变异幅度产生重大影响,理解这种变化,对下一步探讨物种进化和生命起源具有理论价值。”国家植物航天育种工程技术研究中心副主任郭涛在接受《中国科学报》采访时说。

对于科研人员来说,这是一次“无比难得的机会”。

找寻变异性状,获得优良种质

搭载只是第一步,结束“太空之旅”回到地面后,种子会被分为三部分,一小部分用于早期室内实验,大部分用于大田种植实验,剩下的会作为种质资源保存起来。要做的第一件事就是取少量的材料,全方位地观察其萌发变化。

“从宏观到微观都有一系列的变化。宏观体现在水稻的农艺性状,比如株高情况、分蘖多与少等,微观则体现在细胞学染色体上,再具体一点,比如DNA分子的遗传物质、碱基的序列等,都可能发生‘变异’。”郭涛介绍。

然后,科研人员要把这些变化与没有上天的种子进行对比,寻找差异以及原因。种子出苗后,种到大田里尤为关键,可以观察生长发育总体变化。不过,郭涛表示,这一过程很艰辛,需要经过多个遗传世代才能最终把更好的优良性状“固定”下来,用分子生物手段把相关基因克隆,再针对这个基因开展更多育种工作。

在郭涛看来,航天育种是一个“长跑”的过程,覆盖种子多个生命周期。就水稻而言,要完整地做完整个实验需要4到5年,或者更久的时间。

而中国十大名花之一的兰花,其育种时间比水稻还要长,国兰杂交育种过程长达8年,缩短育种时间是此次兰花种子搭载的一个主要目的。“我们选择的是国兰、杓兰、兜兰等3属7种兰花种子,都是中国兰花,没有洋兰。”北京林大林业科技股份有限公司总经理杨明琪在接受《中国科学报》采访时说。

他们对这3个属寄予了不同的厚望。“希望能选育出花期更长、花色更丰富、叶形更多样、抗逆性更强的国兰和兜兰;并且,让杓兰实现种子繁殖,以此提高产量,改变濒危现状。”杨明琪表示。

搭载回来的种子许多都已开展研究。根据目前水稻种子的发芽和出苗情况,郭涛满怀期待,因为这些种子发芽速率更快,“深空环境因素的持续作用,似乎使得它们的遗传物质更加‘活跃’”。

这或许也与这些水稻种子来源于“太空世家”息息相关。这个“航聚香丝苗”种子的父亲“华航31号”和母亲“航恢1508”都是经过空间诱变选育出的新品种,其性状本身就比较优良。

最近,一小部分紫花苜蓿和燕麦种子也相继发芽出苗。“由于不是种植季节,我们的主要工作会放到3月份,育苗后种植到大田里,完成整个生育期。”杨红善介绍。

相比之下,兰花种子的发芽进程缓慢很多。杨明琪透露,此次搭载后部分果荚出现开裂,兰花种子的发芽正在努力中。

产品走进市场,产业蓬勃发展

从1987年我国先后利用返回式卫星、神舟飞船开展航天育种搭载实验以来,经过30多年的发展,创制了许多种质资源,通过审定的新品种超过200个,产生的经济效益达2000亿元左右,这些新品种都是“优等生”,有着各自的“闪光点”。

作为我国排在第一位的粮食作物,水稻的研究意义非凡。“我们中心就是以水稻为最主要的优势和特色,目前已经选育了57个水稻新品种在生产上大量推广和应用,推广面积超过6000万亩。”郭涛介绍。其中,“华航31号”经过空间诱变后的产量提升10%,成为了广东省农业主导品种。华航聚香系列品系具有特优质、多抗等特性,在市场上备受青睐。

兰州牧药所通过航天诱变育种培育出的国家新品种“中天1号紫花苜蓿”,直观表型性状为多叶,以5叶为主(常规苜蓿为3片小叶),叶片越多,产量越高,比对照品种产量高10%以上,粗蛋白质含量也更高。杨红善介绍,这个品种目前正在北方地区大面积推广种植。

一提到太空农作物,就避不开一个食品安全的话题。

“航天育种新品种的安全性是毋庸置疑的。”郭涛表示,空间诱变改变的是水稻的性状,不会导致大米成分的变化,对人的遗传物质也不会产生任何不利影响。

杨红善认为,自然界本就存在突变,空间诱变只是提高了突变的概率,很安全。据统计,全世界突变品种的数量达3280多个,62%属于诱导突变,其中25%是水稻品种,大麦约占10%,都已经在全世界广泛使用。

2015年,国际空间站的宇航员就在太空中收获了他们种植的生菜,并且直接食用,更生动地证明了航天育种的安全性。

实际上,航天育种的产品已经广泛深入各个产业链,产品已经延伸到市场上,进入了我们的“米袋子”和“菜篮子”,只是很多人并不知晓。

郭涛指出,我国有完善的规章制度保障食品安全。一个品种要想“端上”百姓的餐桌犹如“西天取经”般不易,会经历一系列“把关”,比如品比试验、区域试验、生产示范等,还要通过省级以上农作物品种审定委员会审定,才可以大面积推广。

“凡是能在市面上合法流通的水稻产品都符合国家的食品安全要求,大家完全可以放心食用。”郭涛强调。

《中国科学报》 (2021-01-26 第3版 农业科技)



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