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航天育种: 一粒种子“上天入地”的奇妙旅程
2021-08-25 16:08
  中国战略新兴产业融媒体见习记者    李子吉
 
  去年12月17日,一批40克的“航聚香丝苗”水稻种子“搭乘”嫦娥五号完成了历时23天的地月往返征程,在深空环境下经历空间诱变后,返回地球。经过几个月的播种、育苗、移栽,今年7月9日,华南农业大学试验基地的试验田内,和嫦娥五号一同“奔月”的这批水稻终于收获了。
  发展至今,“太空种子”早已不仅仅是试验田里的“观赏品”了,我国航天育种产业经历了30多年的发展,已经取得了丰硕的成果。我们餐桌上的一碗米饭、一盘青椒,都有可能是航空育种的成果。
  但即使“太空种子”已经悄无声息地进入了千家万户,还是会有人有疑问。上过天就是“太空种子”了?这些种子又是怎样从试验田端上老百姓的餐桌的?能吃得放心吗?
  航天育种的中国兜兰和航天育苗的月季花。
 
  “上天入地”才能端上餐桌
  所谓航天育种,准确地讲叫航天诱变育种,就是利用太空的特殊环境诱使植物种子发生基因变异,进而选育植物新品种、创造农业育种材料、丰富基因资源,是一种将辐射、宇航、育种和遗传等学科综合起来的高新技术。
  但是,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。在这种“名额有限”的情况下,可以跟随航天器进行“太空旅行”的种子也需要通过“千挑万选”才能脱颖而出。
  带上太空的种子,必须是遗传性稳定、综合性状好的种子,这样才能保证航天育种的意义。拿这一批最近收获的“航聚香丝苗”来说,华南农业大学国家植物航天育种工程技术研究中心副主任郭涛介绍道,科研人员对约10000个种质进行了广泛评价,从中挑出若干性状优良的候选搭载材料,而后进一步调研市场需求,最终才确定了“航聚香丝苗”作为嫦娥五号的搭载材料。
  “奔月”水稻什么时候才能真正端上老百姓的餐桌呢?郭涛表示,从2020年11月搭载嫦娥五号“奔月”到真正成为流通于市场中的农产品,这批水稻种子要经历种植、鉴定、比较、示范、推广等一系列流程,预期花费3-4年的时间。
  毕竟到太空经历诱变还只是品种选育的第一步,“太空种子”既要“上得了天”也要“入得了地”。航天育种是一个完整的育种研究过程,整个研究最繁重和最重要的工作是在后续的地面上完成的。
  搭载嫦娥五号的这批水稻种子目前已经完成了第一个世代的种植,很快就要进入下一步的鉴定阶段。据介绍,目前收获的第一批种子来源于2000个植株、1万个单穗,每个植株收获的种子会被分为三类,第一类是用来继续种植,第二类用来进行广泛的基因及性状鉴定,第三类将作为种子备份进行长期保存。同时,每株水稻都会有一个ID,方便科研人员对每一个样本进行连续的跟踪和鉴定,溯源追查。
  接下来,专门负责各项性状研究的人员将对者1万穗水稻进行分析鉴定,从中找出在产量、品质、抗性等方面优于对照组的性状表现良好的个体,进行下一步的研究。
  郭涛表示,“航聚香丝苗”的“奔月”后代,预期可产生一批优良的基因源,不但可为新品种选育提供更多物质基础,而且可培育出新品种,提升优质水稻产业效益。
 
  30多年探索,2000亿元市场
  中国航天育种事业经过30余年发展,1987年8月,我国通过第九颗返回式科学试验卫星成功将第—批农作物种子等生物材料送入太空,开启了我国航天育种研究与发展的新时代。
  自1999年神舟一号飞行任务开始至今,中国载人航天工程办公室在工程历次飞行试验中,利用神舟飞船、空间实验室及新一代载人飞船试验船等飞行器的资源余量,组织开展了累计百余种、5000多份作物种子和植物材料的空间搭载诱变实验。今年6月,神舟十二号出征,而除了3名航天员,此次一同出征的也有29.9克的南靖兰花种子、15克浙江江山黄精种子。
  2002年,农作物航天育种技术创新与新品种选育课题被首次列入国家“十五”863计划,随后国家和地方政府也加大了对农作物航天诱变育种研究的支持。“十五”期间,我国利用航天育种技术在水稻、小麦、棉花、茄果类蔬菜等作物上育成并审定了30多个新品种,航天育成的新品种开始在农业生产中应用。
  2006年,我国发射了首颗航天育种专业卫星——"实践八号",搭载了粮、棉、油、蔬菜、林果、花卉等9大类、152个品种、2020份不同种类的生物材料共计208.8千克,推动了我国航天育种研究跨越式发展。
  2011年,国家发展改革委正式将航天工程育种纳入《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》,要求突破航天育种关键技术,加快开发和研制农业生物新品种,加快建设育种基地,推进育种新品种产业化发展。
  据航天育种产业创新联盟理事长梁小虹介绍,截至2020年,我国先后进行了30多次返回式卫星或载人航天的搭载,在千余种植物中培育出700余个航天育种新品系、新品种,其中通过国家或省级审定的新品种或新组合超过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。除粮食、蔬菜、水果、油料等农作物品种外,还创制出林草花卉、中草药新品种和制药、酿酒等微生物新菌种,获得了广泛应用和良好的社会效益。
 
  丰富种质资源,解决种业“卡脖子”难题
  那么既然同样是诱变,航天系统工程成本又高,在地球上不能模拟太空环境进行物理诱变吗?为什么一定要进行航天育种呢?
  首先,种子是农业的“芯片”,是中国农业发展的命脉、是确保国家粮食安全的基石,对于改善农作物品质、提高农作物产量有着不可代替的作用。我国是人口大国,也是农业大国,国家统计局数据显示,2020年我国农作物播种面积高达16748.7万公顷;智研咨询统计数据显示,2020年我国种子需求量高达2063.33万吨。
  然而,虽然在我国主要农作物中大部分种子为“国产”,但玉米、马铃薯、大豆等农作物种子部分仍然依赖进口,高端品种的蔬菜种子也以进口为主。种质资源是种业发展的命脉,丰富的种质资源是突破种业发展“卡脖子”问题的基础。
  航天诱变育种在变异的几率等方面有着独特的优势,以水稻为例,它的自然变异率在二十万分之一左右,化学诱变的变异率也只有千分之几,而经空间诱变的水稻变异率可达百分之几。
  我国对新种质资源的需求十分迫切,自主知识产权的优良基因和种质资源是提升我国农作物品种选育能力的重要环节。
  另外,数据积累分析发现,现阶段在地面上模拟失重等太空环境下的育种效果都没有实际太空搭载的效果好。航天育种可以在相对较短的时间内培育出优质种源,在丰富优质基因资源方面有着不可替代的作用,成为缓解我国农作物优质种质资源贫乏的有效途径之一。
  目前,利用航天育种技术培育的农作物新品种在生产中推广应用,已经取得了明显的社会经济效益。
  山东省农业科学院原子能农业应用研究所从1994年开始,利用返回式卫星搭载创新小麦种质资源已选出一大批具有特异性状的突变体。其中,利用航天突变体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“鲁原502”,年推广面积超过1500万亩,累计推广面积超1亿亩,成为我国三大主推小麦品种之一。
  福建培育的3个航天育种水稻品种,百亩亩产达到800公斤,其中“II优航1号”是全国首个百亩亩产突破900公斤的超级稻。华南农业大学选育的“华航1号”水稻穗大、粒多、发育期短、结实率高,比原种增产15%,亩产达500公斤以上,已推广300多万亩。利用空间诱变技术培育的部分水稻和小麦新材料已分别进入常规育种及杂交稻育种计划,并为全国多家育种单位所引进和利用,对促进稻麦育种起到了重要作用。
  除了水稻和小麦外,我国先后用过航天育种获得辣椒、大豆、番茄、莲子等多种高产优质突变体,并由此培育出许多新品种。例如,“红龙13 号”辣椒是经过航天育种后培育出的色素椒,其色价是普通辣椒2倍左右;“航椒65F1”是国内首个三系航椒新品种, 较国外同类品种产量高出33.6%;“宇番1号”相比同期市场其他番茄品种增产 50%,维生素含量增加26%;黑龙江选育出的“克山1号”大豆良种,当年测产比对照品种高出8.9%,第2年比对照品种高出11%,并有较强的综合抗病性;江西广昌县白莲研究所利用航天育种培植出了特大粒白莲种“卫星3号”,生育期长、抗性强、花多、蓬大、结实率高、颗粒大、品质优等特点,每粒莲子2.4克以上,比常规品种可增产60%。
 
  借力“中国航天”品牌,提升市场竞争力
  “把种子带上天再带回来,作物就能丰产,果实就能变大。”
  “经过太空辐射的种子种出来的粮食能吃吗?”
  “航空育种也是转基因吧?”
  “美国和俄罗斯怎么不做航天育种?是不是航天育种其实用处不大?”
  即使航天育种的福利可能已经在不知不觉中渗透进千家万户,但时至今日,提到“太空种子”,还是有很多人会提出这些朴素的疑问。
  实际上,航天诱变育种后得到的种子还要经过繁重的鉴定、筛选、培育的工作,优中选优,才会推广到市场。早在1996年,国家航天育种工程首席科学家、国家农作物航天诱变技术改良中心主任刘录祥团队就通过检测实验证明了航空育种产物的安全性。
  航天育种在本质上和自然界的变异相同,只不过通过空间诱变加速了变异的进程,提高了变异的频率;转基因则是外源基因导入到作物之中使之产生变异,二者完全不同。
  至于美国和俄罗斯,在20世纪60年代初,苏联及美国的科学家就已经开始将植物种子搭载卫星送上太空。只不过美国由于对于种质资源的需求不强烈,主要聚焦探索空间条件下植
  物生长发育的规律,改善空间人类生存的小环境;至于俄罗斯,2014年航天工程育种就被列为中俄双边科技合作项目了。
  答案其实并不复杂,但这些问题至今仍然存在。可见,品种选育只是航天育种项目的关键一步,但“太空种子”要想得到企业欢迎、农民认可、老百姓认可,还有很长的路要走。
  我国航天育种起步早、成果多、发展迅速,但推广和应用却步履维艰,许多优良的太空种子在各地推广中遇到了不少困难,市场问题也日渐突出。
  一方面,国内航天育种知识普及力度小,人们对航天育种仍存在一定的认识误区;另一方面,无证生产经营“太空种子”时有出现,非法购买种子包装、冒名顶替、以次充好等现象严重,致使“太空种子”市场乱象纷呈。
  近年来,依托国家创新驱动发展战略,国家植物航天育种工程技术研究中心、航天育种产业联盟等众多科研单位在航天育种研究方面上取得丰硕成果,却普遍在产权保护、应用推广等方面力度不够。同时,我国航天育种产业标准体系还不完善,在生物材料种质搭载、地面选育、品种审定、新品种销售推广、示范园建设等全过程和各环节均缺乏统一的标准和规范要求。这些都是我国“太空种子”市场竞争力不足的原因。
  我国现有耕地的三分之二为中低产田,粮食平均亩产不到400公斤,哪怕在10%的耕地推广航天新品种,水稻的年产量就可以增加25亿公斤,小麦年产量可以增加14.4亿公斤,推广、应用环节的重要性可见一斑。
  虽说“太空种子”还并没有打消所有人的疑虑,但是“中国航天”的品牌早已深入人心,若可以借力航天科技扩大“太空种子”品牌影响力,以现代科技带动育种产业发展,想必可以早日解决“育繁推脱节”的困境。
  一方面,可以依托中国航天育种研究中心在全国设立集良种繁育、产品研发、科普教育、示 范推广为一体的示范基地。强化航天育种品牌的培育管理和宣传保护工作,加强航天育种技术、产品的科普工作,逐步提升“太空种子”在老百姓心目当中的认可程度。甚至可以实施“航天+农业+旅游”三态融合,打造更新的产业模式。
  另一方面,要加强品牌监管与保护,切实肩负起维护“中国航天”育种品牌的具体责任。要严格把控航天育种品种的质量关,建设质量安全检测监管体系,建立从育种、繁种、种植、销售到推广全过程的质量追溯体系。
  我国的航天育种虽然开始于偶然,如今却已经成为丰富种质资源、守护粮食安全的必然。诚然,我国在育成品种的数量和推广应用范围处于世界第一位,空间诱变机理研究水平和航天育种技术成果在农业的推广应用水平世界领先,但“行百里者半九十”,想要实现市场化,让航天育种的丰硕成果真正走进千家万户,还要注重“品牌化”这“临门一脚”。
  END
  来源:本刊原创文章
  编辑:艾丽
  审核:赵涵
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