把種族天賦帶到太空！農作物種子上了天之後……

前段時間，知乎上有個熱門話題是討論人的種族天賦是什麼。

最終，高票答案是種菜。

從漢代西域屯田到現代尼羅河畔種菜，從青藏高原哨所種到潛艇，連劉皇叔韜光養晦後園種地都被調侃一番。網友紛紛表示：難怪偷菜遊戲這麼火！

如今，隨著航空航天技術的蓬勃發展，空間站建成指日可待，種族天賦有望繼續在太空發揚光大。

那麼問題來了，要在太空種菜就要有合適的種子。如何知道哪些種子合適呢？那就先把農作物的種子弄上天去，研究研究太空環境對種子生長發育會產生什麼樣的影響。

這時卻有了意外收穫，有的種子發生了變異，在地面上繁育之後獲得了有益的特性，比如抗病蟲啊，增產啦，改善口感啦，於是科學家們就來勁了，不斷的把不同農作物的種子弄上天去，希望獲得有益的變異……這就是空間誘變育種技術。

空間誘變育種技術按照農作物種子搭載的平台飛行高度不同，可分為高空誘變育種和太空誘變育種。

高空誘變育種，一般搭載高空科學氣球平台飛行在30-40km的臨近空間高度。臨近空間環境具有高真空、高紫外線強度、地球磁場和高能帶電粒子輻射等特點。農作物種子搭載高空科學氣球進入臨近空間飛行，眾多複雜的空間環境因素對農作物種子的生長發育會產生極大的影響，使農作物的染色體產生缺失、重複、移位、倒置等基因突變，回到陸地上，經過多代篩選、培育，形成特性穩定的新品種。

太空誘變育種的原理與之類似，只是搭載平台為衛星、飛船等航天器，飛行在地球大氣層以外的宇宙空間。因此，空間誘變育種技術是航空航天技術、生物技術、農業育種技術交叉結合的產物。

空間誘變育種后的農作物果實（圖片來源於網路）

遺傳性變異成為培育新品種的有效方法

臨近空間或太空，大氣結構、氣溫、空氣密度、壓力、地磁剛度、宇宙射線、紫外線照射與地面有明顯差異，這些都是農作物種子發生變異的主要因素。

這種變異可以是遺傳性的，也可以是生理性的，遺傳性的變異可以作為作物誘變培育新品種的一種有效方法。

經過大量實驗證明，誘變育種處理過後的農作物種子都可以獲得抗逆性強、抗病性強、優質、早熟、高產等優良特性。

由於太空誘變育種是高空誘變育種的延伸，咱們就先來說說高空誘變育種吧。

1. 高空誘變育種

高空誘變育種必須經歷的三個階段為：

（1）種子篩選

選取遺傳性穩定、綜合性狀好的種子。

（2）高空誘變

高空誘變育種的誘變表現得十分隨機，誘變率一般為百分之幾甚至千分之幾，而有益的基因變異僅是千分之三左右。

（3）地面攻堅

變化是分子層面的，必須統一播種下去，從第二代開始篩選突變單株，然後將選出的種子再播種、篩選，讓它們自交繁殖，如此繁育三四代后，才有可能獲得遺傳性狀穩定的優良突變系，期間還要進行品系鑒定、區域化試驗等。

所以高空誘變育種是一個漫長而繁瑣的過程。

高空誘變育種一般通過高空科學氣球來搭載。高空科學氣球飛行高度在海拔30km-40km，搭載農作物種子，在-60℃°、0.01個標準大氣壓環境下持續飛行2-10小時，且受到強烈的紫外線輻射和宇宙線輻射。

高空氣球飛行高度示意圖

這個搭載方式的誘變，相較於航天器搭載誘變成本低很多，且實驗效果不差，實驗周期更短。

高空氣球飛行系統配置

美國的德保羅大學大學甚至已經把高空氣球作為學生STEM課實驗的平台，搭載微生物和農作物種子進行高空誘變育種試驗。

下面筆者就來介紹一下該試驗的要點：

左圖是高空科學氣球系統組成，從上到下分別是氣球、降落傘、GPS跟蹤器、學生實驗用的載荷容器、備份GPS追蹤器。右圖是飛行過程中捕捉到的宇宙射線計數與飛行高度的關係，X是上升階段捕捉到的，菱形是下降階段捕捉到的。

種子在載荷艙內外的布局

搭載種子在容器內外的布局，同時還裝有一個RM-60計數器和數據記錄儀，用來統計測量到的宇宙線次數。

對比試驗設計示意圖

上圖是對比試驗設計的示意圖，在A位置的農作物種子既能夠接受紫外線照射，又能夠接受宇宙線輻射，在B位置的農作物種子僅能夠接受宇宙線輻射（載荷艙的外部塗層對紫外線有屏蔽作用），經過飛行試驗後進行育種觀察兩者的不同。

高空誘變育種后的蘿蔔和蕪菁種子培育對比測試

國內高空誘變育種進展

說完了國外的實驗，咱們再來看看咱們國家的研究進展如何。

的高空誘變育種始於1987年，搭載的高空科學氣球主要是由科學院高能物理研究所研製，搭載的農作物種子包括：藻類、水稻、小麥、蘆筍、玉米、大麥、棉花、穀子、大豆、綠豆、豌豆、紅小豆、辣椒等數十種作物及幼苗，並取得了較好的試驗效果，為發展太空誘變育種打下了良好的基礎。

中科院高能物理研究所的高空科學氣球

國內高空誘變育種第一人是中科院遺傳所的蔣興村教授，1987年，他和廣西農學院合作利用高空氣球搭載誘變粳稻：中作59、海香二，1988年進行種植。在第二代形態產生分離，從中分離出一些優質米類型，性狀能在後代中穩定遺傳，因此這種變異是遺傳性變異。在第四代中有一些株系能恢復秈稻不育系的植株，將為水稻亞種間雜交稻找到良好的恢復系材料。

這個結果說明，高空氣球搭載處理可以動搖小麥產量、品質的基因連鎖和結構，並在後代中穩定遺傳，這對加快育種進程是有利的。

之後在1991年，高空氣球搭載的空間第二代的穀子862-2，其葉面積比之前品種提高約25%，第三代優選出了特大穗品種，平均長度33-35cm，最長有38cm，在接下來的培育實驗中，一代比一代的產量要高。

結果表明，高空氣球搭載誘變過的穀子，一些植物學形狀和品質會發生變異，可選育出優良品種。

高空氣球搭載水稻種子，產生株型上的變異，產生矮插抗倒伏的品系

高空誘變育種技術的延伸——太空育種

高空誘變育種具有成本低廉，過程快捷的優點，但是1960年代，前蘇聯及美國的科學家將植物種子搭載衛星上天，在返回地面的種子中，發現其染色體畸變頻率有較大幅度的增加，比高空誘變幅度更大，範圍更廣，更易出現特異性變異。

於是，太空誘變育種技術便開始發展起來。

1984年，美國將番茄種子送上太空，逗留時間達6年之久，返回地面后經科研人員試驗，獲得了變異的番茄，且它的種子後代對人體無毒，可以食用。

1996年，美國的布魯斯·巴格比研究出太空矮桿小麥，小麥株高40cm，生育期也只有60天，這種小麥產量高出普通小麥3倍，很有可能適合太空生長。

除此之外，俄羅斯和美國成功地在「和平號」空間站培植出小麥、白菜和油菜等植物品種。1999年，俄羅斯的太空小麥也終獲成功。

進入21世紀，美、日、西歐已將太空植物的培育作為重點發展項目，先後培育出百餘種太空植物。

1976年美國培育的CALROSE 76矮桿水稻（伽馬射線誘變）

J.Neil博士展示水稻高度在他預期範圍內

的太空育種，主要搭載返回式衛星或者神舟載人飛船進行，涉及的品種非常廣泛：包括水稻、小麥、穀子、大豆、玉米、高粱、馬鈴薯等糧食農作物；青椒、番茄、綠菜花、石刁柏、黃瓜、茄子、豇豆、樹莓等蔬菜水果作物；油菜、大豆、綠豆、芝麻、核桃等油料作物；大棗、桂花、棉花、紅麻、孜然、牧草、甜菜等其他農作物共6000多份種子材料。

搭載神舟八號的南瓜種子

從返回艙卸下的載荷——生物輻射盒

以實踐十號返回式衛星為例，它的生物輻射盒裡面就裝有經過太空之旅的植物種子和線蟲。

實踐十號返回式衛星一共搭載了三個生物培養箱，分別是胚胎培養箱，家蠶培養箱，高等植物箱。返回式衛星搭載生物輻射盒的目標就是做空間誘變的試驗，進行空間環境誘變的輻射分子生物學分析，空間輻射對基因組的作用和遺傳效應研究，空間環境對家蠶胚胎髮育的影響與變異機理研究。

實踐十號科學載荷「高等植物箱」中的擬南芥，在太空成功開花，科研人員在處理花枝

空間誘變育種培育的農作物安全嗎？

有些人可能會質疑空間誘變育種的安全性，懷疑其與地面輻射育種有無區別。

實際上，種子空間誘變屬於種子常規培育中的物理性輻射誘變。

輻射誘變是在地面用鈷-60射線對種子進行照射，種子本身並不會沾染到放射性物質，生產的果實可以安全食用。與空間誘變具有「親緣關係」的輻射誘變已有100年的歷史，我們吃到的很多新品種都是輻射誘變育種的結果。

它是在微重力條件下，將太空中的宇宙射線、微重力、高真空、弱地磁場等高能粒子作為輻射源，通過誘變作用使植物產生各種基因變異，種子本身也不會沾染到放射性物質。而受核輻射污染的食品之所以不能食用，是因為其中含有放射性物質。

種子誘變后基因會發生變化，這種變化對食品安全到底有沒有影響？

「假如一個基因序列原來是『1234』，上太空后變成『3214』，也就是說，空間誘變並沒有導入任何外源基因，僅僅是植物自身基因組序列發生了改變。」空間技術研究院航天育種專家龐欣博士龐欣表示，航天誘變的果實與常規輻射誘變育種獲得的果實是一樣的。

況且，專家強調，上過太空的種子返回地面后需要很多代的培育，轉化為成果實之後還需要在鑒定之前提供成分分析報告，其中包括毒理、營養成分等檢測。這種安全性檢測很嚴格，最終通過審定的品種是安全可靠的，可以放心食用。

為什麼一定要去太空做誘變育種？

有人會問，我們在地面上模擬太空環境進行這種誘變育種實驗，是不是會安全一點？

其實，在地面上雖然可以通過高能加速器模擬空間射線環境，卻難以模擬太空綜合環境對植物產生的效果。因為太空環境中並不只有輻射，「既有微重力，又有輻射、宇宙線，紫外線、弱地磁場等多種因素共同存在，其中最主要的是模擬不了失重」，引發種子發生遺傳變異的是各種太空綜合條件。

太空中的高能粒子輻射可以引起DNA雙鏈斷裂，既可能造成細胞凋亡，也可能引起細胞染色體變異，而空間誘變育種就是希望雙鏈斷裂以後引起細胞染色體變異。

20餘年來，利用高空科學氣球、返回式衛星及神舟飛船等搭載方式完成了300多項空間搭載試驗，獲得了大量有益變異體，選育出了一大批綜合性狀良好同時具有市場競爭力的農作物新品種。

例如：航豐1號」棉花平均畝產皮棉180公斤，比常規棉花多出70公斤；「航椒1號」辣椒，維生素C含量為234毫克，比一般辣椒高出近兩倍；「太空5號」小麥口感好，產量超過傳統品種10%以上；「太空萬壽菊」花期長達9個月等等，這些都是航天育種技術的成果。

先進的航天技術為快速培育優良品種及特異種質資源開闢了一條新途徑，為人類進入太空農業時代展示了美好前景。

因此，空間誘變育種的研究不但在育種上和應用上具有重要意義，而且在探索空間條件對生物體影響機理等方面也具有重要的理論意義，同時為人類開拓空間資源創造了條件，具有十分廣闊的發展前景。

（文章首發於科學大院，轉載請聯繫[email protected]）

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