郭锐：从航天育种技术研究到中国种业革命

航天育种专家解读诱变的不可控性

我国是人口大国、农业大国

也是种子的需求大国

年种子需求量高达125亿公斤左右

然而，国内种业企业占有的份额

仅仅只有20%左右

其余80%的种子份额全部被国外种子机构瓜分

拓宽育种途径

创制新的种质资源

是我国农业种业的头等⼤事

“种瓜得瓜，种豆得豆”

“一胎生九仔，连母十个样”

这两句俗语充分诠释了⽣物遗传和变异之间的关系。⽣物遗传⼀⽅⾯具有稳定的遗传性，另⼀⽅⾯在世代更替的过程中存在⼀定的变异性。遗传的稳定性使⽣物保持相对稳定的⽣物学特征，变异性使⽣物群体内不断的产⽣新的变异个体，从⽽综合性状更好的品种不断涌现，间接的推动⼈类社会的进步。

农作物品种的好坏于取决于种质材料的好坏，种质材料⼀⽅⾯来源于⾃然界收集，另⼀⽅⾯来源于⼈为创造。⽬前⼈类对⾃然资源的开发已经到了很⾼的程度，尤其农作物资源，已经很难从⾃然界中寻找到利⽤价值⾼的种质材料。未来的新品种的培育更多的要依靠⼈类不断的开拓创新，培育、创造出更多更好的新材料。

于是，机智的科学家们把“育种”从地面搬上了太空。

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什么是航天工程育种？

航天工程育种（也称空间诱变育种、太空育种）利⽤返回式卫星搭载农作物种⼦进⼊太空环境（微重⼒、弱地磁、强辐射等），在与地⾯完全不同的环境中促使农作物种⼦产⽣⽐地⾯正常环境下更多的变异，然后在这些变异中寻找符合育种⽬标的优良的种质材料，从⽽培育新的品种。

种⼦被送到太空环境中，在低量和中量的太空辐射影响下，DNA分⼦会发⽣损伤，损伤形成是⼀个复杂的过程，射线的能量沉积在物质上，引起物质的原⼦核分子的激发和电离，这个过程为 10.13~10.14秒。局部能量沉积可以造成⼀些新的化学物质的⽣成，电离过程随后形成自由基，以及自由基和物质的相互作⽤可以改变分⼦结构。辐射可以引起 DNA 多种类型的损伤，包括碱基变化（如脱氨基）、碱基脱落、两键间氢键的断裂、单键断裂、双键断裂、螺旋内的交联与其他 DNA 分⼦的交联和与蛋⽩质的交联，辐射对 DNA 链断裂可以造成染⾊体结构的变化，如果染⾊体不能修复这些损伤，或者修复过程中出现“错误”（错位、重复、缺失等）那就是新的变异（这些变异有的可以稳定的遗传⻄区，有的不能稳定遗传）。

正是基于这样的原因，空间诱变可以获得地⾯常规⽅法较难获得的罕⻅变异，优良变异就是新材料新品种的前提和基础。⼀般认为空间辐射是引发诱变的主要因素。当然航天诱变是诸多因素的综合作⽤效果，如微重⼒、弱地磁、超真空、⽓压和温度等因素的变化都会对搭载材料造成不同程度的影响。

搭载种子进入太空

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我国航天工程育种的发展历程

在国家“863”计划等项⽬的⽀持下，我国航天⼯程育种诱变取得了显著的成绩，⼀批产量和质量双⾼的新品种脱颖⽽出。截⽌2018年我国已经进⾏了近30次航天⼯程育种搭载试验，试验材料超过6000余份，已经有200多个品种通过国家和省级审定。

其中“华航1号”⽔稻成是我国第⼀个通过国家品种审定的空间诱变⽔稻新品种。穗⼤、粒多、结实率⾼、耐肥抗倒，对稻瘟病有很好的抗性。

“华航1号”⽔稻

“太空5号”小麦是第⼀个审定的弱筋优质⾼产⼩⻨。1996年利⽤卫星搭载玉米种子，获得了隐性单基因核不育新材料。“航椒3号”与当地的主栽品种相⽐产量提⾼10.5%成熟期提早了12天，果实维C含量⾼，适应性抗逆性较好。

“西航一号”鸡冠花，头冠硕⼤、紧实、矮杆、花期⻓。北京“东⽅红”航天⽣物产业化基地将产他汀成分的红曲霉菌随“神州⼀号”进⾏了太空遨游。红曲霉菌⾥⾯提取的他汀类药物成分在太空这样⼀个特殊的环境下，出现了罕⻅的遗传突变，⼤⼤的提⾼了他汀类成分的含量，最⼤的⽐传统含量提⾼了7.8倍。

曲菌搭载前后对比图

许多农作物种⼦经过空间诱变处理获得了高产、优质、早熟、抗病性和抗逆性的新品种（系），很多变异材料虽然没有直接培育成新品种，但是作为有益的新材料，通过与其他材料配合也为新品种的培育增砖添瓦。航天⼯程育种育成的粮⻝作物⼤⾯积推⼴以后每年可增产30-40亿kg。⽬前我国航天⼯程育种在粮食作物、蔬菜作物、花卉、林木、牧草、微生物等不同的领域内都有成功的品种问世。除了我们最迫切的要求的产量、品质、抗病、抗逆性状要求外，航天⼯程育种⼿段激发作物新变异的能⼒也被寄予改造传统⽣产模式的使命。如花椒，⽬前收集到的材料都是带刺的，⼈⼯采收费时费事，要降低种植成本就需要有⽆刺的或者⻓梗的或者能够机械化采收的品种。⾃然界找不到符合要求的品种，⽬前已有单位在做花椒的航天⼯程育种⼯作，希望通过航天⼯程育种的⼿段培育出少刺、⽆刺或者⻓梗的品种来，提⾼采摘效率，解放更多的劳动⼒。

航天育种成果

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航天工程育种的现实问题——诱变的不可控性

航天⼯程育种过程中，种⼦被送到太空中，滞留时间的⻓短，⽬前取决于返回式卫星的⼯作任务时间；接受到辐射的强弱，也取决于不稳定的太空环境，具有很⼤随机性；变异的多少好坏取决于染⾊体受到伤害的深浅和多少，修复过程中产“错误”的多少，众多的不可控因素使得航天⼯程育种（诱变）处于一个不可控的状态，不同的搭载试验可能得到完全不同的结果。虽然认为有些规律可循，但从⼤量的研究来看，没有明显的规律，应该深⼊探讨空间诱变的诱因及其作⽤的⽣化和分⼦⽣物学机理，包括空间微重⼒效应研究；空间辐射⽣物学效应研究；空间综合条件的⽣物学效应研究；以提⾼空间诱变育种的的预⻅性和效率。

在轨飞行

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加大基础理论研究推动航天工程育种快速发展

航天⼯程育种是创造育种新材料的有效途径，如何最⼤程度的利⽤这⼀有效途径，使得航天诱变更加⾼效、更加可控是未来航天⼯程育种需要深⼊研究的课题。国外的种业企业通过杂交种、雄性不育杂交种占领了我国⾼端种⼦市场的⼤部分份额，引进的杂交种使我们消化利⽤的步伐⼀直滞后，雄性不育杂交种更是切断我们消化利⽤的可能性。我国在现代种业的道路上起步迟，加上由过去的全部国有制模式转向现在市场经济下的多种所有制模式，众多的种业公司为了短期利润变成了批发零售商，只有少量有实⼒的公司在坚持自主研发⽣产。我们在坚持改⾰发展的同时应该加⼤新种质材料的开发⼒度。充分利用我国的航天技术优势，做好基础理论研究，加⼤航天⼯程育种的研究投⼊，解决航天工程育种中存在的问题，深⼊航天⼯程育种的机理研究，加快完善航天⼯程育种理论和技术体系；尽快组建拥有⾃主知识产权的航天⼯程育种种质资源库，为我国航天⼯程育种的快速发展铺平道路，从⽽推动我国种业的快速发展，将“饭碗”牢牢控制在⾃⼰⼿中。

作者/郭 锐

来源/空间生物实验

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