摘 要:1987年以來,我國科學(xué)家利用返回式衛(wèi)星、神舟飛船和高空氣球先后進(jìn)行了21次農(nóng)作物種子等生物材料的空間搭載試驗(yàn),共涉及70多種植物的1 000多個(gè)品種。經(jīng)過多年的地面種植篩選,已育成60多個(gè)農(nóng)作物優(yōu)異新品種(系),包括水稻15個(gè)、小麥4個(gè)和番茄、青椒、芝麻各2個(gè),并從中獲得了一些有可能對農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生重要影響的罕見突變材料。特別是國家“十五”期間“863”計(jì)劃實(shí)施以來,我國農(nóng)作物航天育種在新品種培育、知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)與產(chǎn)業(yè)化以及航天育種機(jī)理研究等方面取得了一系列重大突破。航天育種技術(shù)已成為快速培育農(nóng)作物優(yōu)良品種的重要途徑之一。但要加強(qiáng)作物空間環(huán)境誘變的響應(yīng)機(jī)理研究,破解航天誘變育種的關(guān)鍵技術(shù)。
關(guān)鍵詞:農(nóng)作物;太空育種;進(jìn)展;實(shí)踐研究
中圖分類號:S335.2+9 文獻(xiàn)標(biāo)識號:A 文章編號:1001-4942(2012)10-0037-03
農(nóng)作物空間誘變育種(或稱航天誘變育種、太空育種)是指利用太空運(yùn)載工具如飛船、返回式衛(wèi)星和高空氣球等將農(nóng)作物種子帶到200~400 km太空環(huán)境,利用太空特殊環(huán)境(空間宇宙射線、高能粒子、微重力、高真空和弱磁場等因素)誘變農(nóng)作物種子產(chǎn)生變異后再返回到地面的選育新種質(zhì)、新材料、新品種的作物育種技術(shù)。中國是世界上唯一將航天技術(shù)用于育種的國家。通過太空中多種因子的共同作用,可使種子基因?qū)崿F(xiàn)地面上難以實(shí)現(xiàn)的有益變異,從而縮短地面育種周期,提高育種效率。試驗(yàn)表明:該技術(shù)具有變異幅度大、有利變異增多、能使作物生育期縮短、抗病能力增強(qiáng)和作物產(chǎn)量提高等特點(diǎn),是一種很好的育種方法。
1 發(fā)展歷程
1.1 準(zhǔn)備階段(1987~1995)
1987年8月5日,隨著我國第9顆返回式科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的成功發(fā)射,一批農(nóng)作物種子、菌種和昆蟲等地球生物被送上了遙遠(yuǎn)的天空,開啟了我國農(nóng)作物種子首次太空之旅。當(dāng)時(shí),搭載作物種子的目的并非計(jì)劃育種,只是想觀察空間環(huán)境對植物遺傳性是否產(chǎn)生影響。結(jié)果,科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),上過天的種子中發(fā)生了一些意外的遺傳變異,因此人們開始考慮利用這種方式進(jìn)行農(nóng)作物育種。
此后,在1987年9月9日、1988年8月5日、1990年10月5日、1992年8月9日及1992年10月6日,我國又連續(xù)發(fā)射了5顆返回式衛(wèi)星,除了搭載植物種子、菌種、藻類、昆蟲、魚、動物細(xì)胞外,還搭載了部分測試儀器,我國航天育種研究工作全面展開。
1991年隨著“航天效益工程”的提出,航天育種被列為該工程的重要項(xiàng)目。1994年,有關(guān)部門組織一批專家對已搭載品種地面培育情況進(jìn)行了一次歷時(shí)3個(gè)月的全國范圍的調(diào)研。經(jīng)過農(nóng)業(yè)專家、生物專家、航天專家近10個(gè)月的評審,航天育種的前景令與會專家充滿信心。為進(jìn)一步推動航天育種事業(yè)的發(fā)展,1995年,農(nóng)業(yè)部和中國航天等有關(guān)部門就進(jìn)一步加強(qiáng)我國航天育種工作進(jìn)行了多次專門會談,并組織召開了多次研討會。農(nóng)業(yè)、航天和原子能方面的專家一致建議,應(yīng)將航天育種工程列入國家重大科技工程計(jì)劃,按照系統(tǒng)工程的辦法組織實(shí)施。
1.2 立項(xiàng)階段(1996~2005)
1996年1月16日,第一次全國航天育種技術(shù)交流研討會召開。王淦昌院士聯(lián)合7位著名專家學(xué)者聯(lián)名給中央寫信,建議把航天育種工程列入國家計(jì)劃,發(fā)射一顆農(nóng)業(yè)衛(wèi)星,為我國農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)。6月,農(nóng)業(yè)部聯(lián)合中國航天總公司向原國家計(jì)委報(bào)送了《利用返回式衛(wèi)星開展農(nóng)作物航天育種工程項(xiàng)目建議書》。
2000年2月17日,原國家計(jì)委批復(fù)了航天育種工程項(xiàng)目建議書。10月,農(nóng)業(yè)部和中國航天科技集團(tuán)公司向原國家計(jì)委報(bào)送了《航天育種工程項(xiàng)目可行性研究報(bào)告》。10月12日,《航天育種工程項(xiàng)目可行性研究報(bào)告》通過了國家有關(guān)部委的評估。
2003年4月22日,國務(wù)院批準(zhǔn)了《關(guān)于審批航天育種工程項(xiàng)目可行性報(bào)告的請示》。同年5月,國家發(fā)展和改革委員會、財(cái)政部、國防科工委共同下達(dá)了“印發(fā)《關(guān)于審批航天育種工程項(xiàng)目可行性研究報(bào)告的請示》通知”。項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容包括育種衛(wèi)星的研制、發(fā)射、回收,地面育種試驗(yàn),機(jī)理研究與模擬試驗(yàn)等部分,總投資2.85億元。
1.3 發(fā)展階段(2005年至今)
2005年2月5日,農(nóng)業(yè)部和中國航天科技集團(tuán)公司聯(lián)合將《航天育種系統(tǒng)工程研制總要求》報(bào)送國防科工委。4月19日,國防科工委在北京召開了航天育種衛(wèi)星工程第一次大總體協(xié)調(diào)會,明確了“航天育種系統(tǒng)工程研制總要求”的各項(xiàng)內(nèi)容。7月26日,國防科工委正式批準(zhǔn)了《航天育種系統(tǒng)工程研制總要求》,航天育種工程開始實(shí)施。
2006年2月15日,國防科工委審查通過育種衛(wèi)星有效載荷狀態(tài)。3月14日,農(nóng)業(yè)部、國防科工委聯(lián)合發(fā)布了《育種衛(wèi)星裝載材料征集指南》。4月26日,農(nóng)業(yè)部組織召開了育種衛(wèi)星裝載材料評審會。6月9日,國防科工委在北京召開了航天育種衛(wèi)星工程第二次大總體協(xié)調(diào)會。7月,育種衛(wèi)星和運(yùn)載火箭完成全部工廠研制工作,衛(wèi)星待命進(jìn)場發(fā)射,同期衛(wèi)星裝載種子完成篩選和初步分析工作。9月9日,我國第一顆以空間誘變育種為主要任務(wù)的返回式科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星——實(shí)踐八號在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。9月24日,在軌運(yùn)行15天后,實(shí)踐八號育種衛(wèi)星在四川遂寧回收場成功返回。9月26日,國防科工委將返回的農(nóng)作物種子正式交付農(nóng)業(yè)部,航天育種進(jìn)入實(shí)質(zhì)性研究階段。衛(wèi)星返回后,經(jīng)對航天飛行后的種子材料進(jìn)行必要檢測,農(nóng)業(yè)部即按不同的生態(tài)區(qū)域,組織全國各有關(guān)育種科研單位全面展開地面育種研究工作。
實(shí)踐八號育種衛(wèi)星共裝載包括水稻等在內(nèi)的九大類作物共計(jì)2 020份,總重量208.816 kg,涉及152個(gè)物種,包括水稻382份,麥類3種363份,玉米226份,棉麻4種118份,油料5種264份,蔬菜31種201份,林果花卉36種100份,微生物菌種16種116份,小雜糧等52種250份。參與地面育種的科研單位有中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院所屬12個(gè)研究所、中國科學(xué)院2個(gè)研究所、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)等12所高校以及17個(gè)省、市、自治區(qū)的農(nóng)業(yè)科研院所。地面育種的研究內(nèi)容包括,嚴(yán)格按照統(tǒng)一的育種試驗(yàn)規(guī)范全面開展地面試驗(yàn)研究,從中篩選具有重要育種利用價(jià)值的新材料,培育新品種,進(jìn)行推廣和普及;結(jié)合空間環(huán)境探測及地面模擬空間環(huán)境因素試驗(yàn),開展空間環(huán)境因素與生物體相互作用的效應(yīng)研究,力求回答航天環(huán)境誘發(fā)生物變異的機(jī)理等基本科學(xué)問題,促進(jìn)航天育種事業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展,更好地服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。
2 航天育種成就
經(jīng)太空育種和多年地面種植篩選,截至目前,通過航天搭載已培育出了50多個(gè)具有穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)性能的糧食、蔬菜、瓜果、花卉等農(nóng)作物新品種(系)。其中包括水稻、小麥、番茄、青椒和芝麻在內(nèi)的30多個(gè)新品種或新組合已通過國家或省級審定,并已進(jìn)入市場推廣;幾十個(gè)后續(xù)品系已進(jìn)入?yún)^(qū)域試驗(yàn)或品種審定階段。農(nóng)業(yè)專家表示,傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)育種一般需要8~10年時(shí)間,而航天育種有可能將時(shí)間縮短一半。目前,在資源有限的條件下,品種選育是提高農(nóng)作物產(chǎn)量的重要出路,航天技術(shù)是解決這一問題的有效途徑。
例如,福建通過航天育種培育的3個(gè)水稻品種,6.7 hm2面積上單產(chǎn)達(dá)到12 000 kg/hm2。其“中II優(yōu)航1號”是全國首個(gè)6.7 hm2面積上單產(chǎn)達(dá)到13 500 kg/hm2的超級稻,至今仍保持再生稻頭季、再生季和全國6.7 hm2面積單產(chǎn)3項(xiàng)世界記錄,推廣面積達(dá)到13.3×104 hm2。它將優(yōu)質(zhì)、超高產(chǎn)合于一體,在福建省晚雜優(yōu)區(qū)試中,產(chǎn)量比對照品種汕優(yōu)63平均增產(chǎn)9.61%,達(dá)極顯著水平,單產(chǎn)和日產(chǎn)均居參試組合首位,創(chuàng)“六五”攻關(guān)以來該省所有參加省區(qū)試品種、組合產(chǎn)量最高紀(jì)錄。經(jīng)農(nóng)業(yè)部稻米及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心檢測,該品種的精米率、整精米率、粒長、堿消值、直鏈淀粉含量、蛋白質(zhì)含量六項(xiàng)指標(biāo)達(dá)優(yōu)質(zhì)米一級標(biāo)準(zhǔn)。2005年通過國家審定,現(xiàn)正加速示范推廣。
華航1號水稻新品種穗大粒多、結(jié)實(shí)率高,可增產(chǎn)10%,單產(chǎn)達(dá)7 500 kg/hm2以上,已推廣20×104 hm2以上。利用空間誘變技術(shù)培育的部分水稻和小麥新材料已分別進(jìn)入常規(guī)育種及雜交稻育種計(jì)劃,并為全國多家育種單位所引進(jìn)和利用,對促進(jìn)稻麥育種起到了重要作用。
經(jīng)空間誘變技術(shù)育出的青椒單果重在250 g以上,單產(chǎn)7.5 ×104 kg/hm2左右,維生素C含量增加20%。江西廣昌縣利用航天育種培植出了特大粒白蓮種衛(wèi)星3號,每粒蓮子2.4 g以上,比常規(guī)品種可增產(chǎn)60%,目前成了江西廣昌的品牌和脫貧致富產(chǎn)業(yè)。利用空間育種,我國科學(xué)家還培育出了特大粒的紅小豆、特長的油菜、含鐵量增加69%的巨穗谷子,紫色、紅色、茶色、綠色的水稻,早熟高產(chǎn)的紅薯和高產(chǎn)大蔥等。專家認(rèn)為,以上成果均是利用其他育種手段難以獲得的罕見種質(zhì)突變體。
太空5號是我國利用航天技術(shù)育成并審定的第一個(gè)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)小麥新品種(河南省農(nóng)科院小麥所育成),兩年省區(qū)試產(chǎn)量平均較對照增產(chǎn)3.81%,屬制作優(yōu)質(zhì)餅干、糕點(diǎn)類型品種,2002年9月通過河南省品種審定。經(jīng)農(nóng)業(yè)部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心(鄭州)分析,粗蛋白質(zhì)含量10.6%,濕面筋22%,吸水率54.2%,形成時(shí)間1.7 min,穩(wěn)定時(shí)間1.8 min,達(dá)到國標(biāo)優(yōu)質(zhì)弱筋小麥標(biāo)準(zhǔn)。
我國專家還充分發(fā)揮航天誘變種質(zhì)創(chuàng)新的優(yōu)勢,獲得了大量特異性十分突出的稻麥新種質(zhì)、新材料,如優(yōu)質(zhì)抗倒型水稻新種質(zhì)“航1號”和“航81號”,優(yōu)質(zhì)大穗型水稻恢復(fù)系“航恢6號”、“航恢7號”、“航恢8號”,優(yōu)質(zhì)極早熟小麥新種質(zhì)“早優(yōu)8581”等。目前,這些新種質(zhì)已廣泛應(yīng)用于稻麥常規(guī)育種和雜種優(yōu)勢育種。與此同時(shí),航天育種關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新研究也取得重要進(jìn)展。從粒子生物學(xué)、物理場生物學(xué)和重力生物學(xué)等不同角度研究了航天環(huán)境各因素的誘變特異性,開創(chuàng)了地面模擬航天環(huán)境誘變作物遺傳改良的新途徑,為全面探索航天誘變育種機(jī)理和建立航天育種技術(shù)新體系邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。3 問題與建議
目前我國作物航天育種的研究應(yīng)用總體上還處在初級階段,在作物空間環(huán)境響應(yīng)或誘變機(jī)理、提高突變預(yù)見性和選擇效率等基礎(chǔ)研究方面明顯滯后于應(yīng)用研究。為了適應(yīng)航天技術(shù)發(fā)展的需要,必須加強(qiáng)理論方法學(xué)及其相關(guān)基礎(chǔ)研究,明確航天誘變育種作用的機(jī)理,特別是要深入探討空間誘變的分子生物學(xué)機(jī)理,尋找與空間誘變育種有關(guān)的主要環(huán)境條件,弄清空間誘變重要性狀的遺傳規(guī)律,為作物航天誘變育種應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。建議在國家“863”、“973”和自然科學(xué)基金等計(jì)劃中設(shè)立重大項(xiàng)目或重點(diǎn)項(xiàng)目,促進(jìn)航天育種技術(shù)研究水平的不斷提高。
近年來,我國作物航天育種技術(shù)取得了許多進(jìn)展,但研究的深度和廣度與其它育種方法相比還有不少差距。總體而言,目前我國航天誘變育種僅限于植物種子和微生物等材料的搭載,搭載材料的研究工作多數(shù)還停留在大田突變體的直接篩選上,而缺乏對于不同作物、品種或組織等對空間條件的敏感性差異的比較研究;我國航天誘變技術(shù)在不同作物之間發(fā)展還不平衡,在水稻、小麥、番茄、青椒等作物上應(yīng)用較為成功,但在玉米、大豆、油菜等作物上尚待深入研究應(yīng)用。將細(xì)胞工程技術(shù)、分子育種技術(shù)等與航天誘變技術(shù)有效結(jié)合以大幅度提高育種選擇效率方面還十分薄弱。作物航天育種的理論、方法和高效育種技術(shù)體系有待進(jìn)一步建立和完善。參 考 文 獻(xiàn):
[1]劉錄祥,王 晶,趙林姝,等.作物空間誘變效應(yīng)及其地面模擬研究進(jìn)展[J].核農(nóng)學(xué)報(bào),2004,18(4):247-251.
[2]劉錄祥,王 晶,趙林姝,等.零磁空間誘變小麥的生物效應(yīng)研究[J].核農(nóng)學(xué)報(bào),2002,16(1):2-7.
[3]劉錄祥,孫其信,王士蕓.灰色系統(tǒng)理論應(yīng)用于農(nóng)作物新品種綜合評估初探[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),1989,22(3):22-27.
[4]駱 藝,王旭杰,梅曼彤,等.空間搭載水稻種子后代基因組多態(tài)性及其與重離子輻射關(guān)系的探討[J]. 生物物理學(xué)報(bào),2006,26(2):131-138. 山 東 農(nóng) 業(yè) 科 學(xué) 2012,44(10):40~43,47