航天育種：一顆種子，一個希望

文 梁 南 王凌碩

俗話說，民以食為天，糧以種為先。中國自古以來就是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國。對于普通農(nóng)民來說，種子是一年收成的指望；而對于國家來說，種子更是國家糧食安全的關(guān)鍵。

2023年3月23日，中國載人航天工程辦公室發(fā)布公告，征集神舟系列載人飛船搭載航天育種實驗項目。航天育種是一種結(jié)合航天科技、宇宙輻射和植物遺傳等學(xué)科的新型育種技術(shù)，利用太空極端環(huán)境誘使種子發(fā)生基因變異，從而在較短時間內(nèi)培育出綜合性狀優(yōu)良的新品種。

千百年來，人類仰望星空心馳神往，埋首大地?fù)穹N得粟。如今，航天領(lǐng)域的迅猛發(fā)展讓高深奇妙的宇宙與“地氣”十足的育種相遇，航天育種將會給世界農(nóng)業(yè)和日常餐桌帶來怎樣的變化？

來自太空的饋贈——

一顆良種，就是一把豐收的“金鑰匙”。

人類為什么要上太空？這個問題，曾經(jīng)在幾代人心中徘徊。

20世紀(jì)中葉，美蘇兩國展開激烈的太空爭霸。衛(wèi)星接連升空，人類的足跡已經(jīng)擴展到月球。據(jù)悉，阿波羅登月計劃耗資255億美元，動用人員超過30萬。如此龐大的投入，在今天看來仍然令人驚嘆。

1970年，遠(yuǎn)在非洲贊比亞的一名修女瑪麗·尤肯達(dá)給航天專家寫了一封信。信中，她質(zhì)問為何花費數(shù)十億美元用于太空探索，而不顧世界上還有許多兒童在忍受饑餓。

航天專家在回信中寫到，太空項目是科技進(jìn)步的催化劑，讓科學(xué)界源源不斷出現(xiàn)令人激動不已的研究課題。他相信，太空項目將會為緩解甚至最終解決地球上的貧窮和饑餓問題作出貢獻(xiàn)。

一顆良種，就是一把豐收的“金鑰匙”。當(dāng)?shù)厍蛏系霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)無法滿足需要的時候，人們將目光投向了太空。太空不可復(fù)制的特殊環(huán)境，為創(chuàng)新特異種質(zhì)資源和快速培育優(yōu)良品種開辟了一條新途徑。

利用太空微重加重離子、多種宇宙射線、大交變磁場和短期過載等因素，能夠獲得常規(guī)育種難以得到且更具經(jīng)濟價值的基因變異。相比二十萬分之一的自然變異率，航天育種的變異率可達(dá)4%以上。同時，航天育種具有變異幅度大、突變位點多，變異穩(wěn)定性、變異遺傳性好等特點。航天育種可以大幅提高種子的突變頻率，創(chuàng)制兼具多種有益性狀的新種質(zhì)，廣泛應(yīng)用于選擇育種、雜交優(yōu)勢育種和分子育種等多種育種實踐中，在較短時間內(nèi)培育出突破性的優(yōu)良品種。

眾多轉(zhuǎn)化應(yīng)用的航天技術(shù)之中，航天育種憑借著不可替代的獨特優(yōu)勢，成為世界各國爭相布局的熱點領(lǐng)域。

1966年至1989年，美國和蘇聯(lián)先后發(fā)射近20顆生物系列衛(wèi)星，用于測試植物、真菌和昆蟲在太空中的變異效應(yīng)。1984年，美國將西紅柿種子送上太空，歷時6年進(jìn)行太空育種。進(jìn)入21世紀(jì)，美國、日本和歐洲的研究重點是建立“太空農(nóng)場”，為載人航天飛行提供氧氣及食物供給。

來自航天育種的蔬菜

1987年，我國第九顆返回式科學(xué)試驗衛(wèi)星成功將第一批農(nóng)作物種子送入太空，標(biāo)志著我國成為繼美國、蘇聯(lián)之后世界上第三個實現(xiàn)航天育種的國家。1992年我國載人航天工程實施以來，每一次飛行任務(wù)都開展了航天育種搭載實驗項目。2006年升空的“實踐八號”育種衛(wèi)星搭載了糧食、蔬菜、林果、花卉等9類2000余份共215千克農(nóng)作物種子，是名副其實的種子“太空專列”，堪稱航天育種的里程碑式事件。

太空之路走到今天，人類得以窺見宇宙無比瑰麗的景象，新技術(shù)新方法不斷涌現(xiàn)。航天產(chǎn)業(yè)強牽引、廣輻射、高投入、高效益的特點，正在成為全球共識。人們相信，航天育種將會催生一場新的農(nóng)業(yè)革命，成為解決地球糧食危機的重要途徑。

逐夢天宮新征程——

空間站時代，按下航天育種“快進(jìn)鍵”。

2022年年底，在無數(shù)國人期盼的目光中，夢天實驗艙順利進(jìn)入預(yù)定軌道，與天和核心艙、問天實驗艙形成“T”字基本構(gòu)型組合體，中國空間站迎來了全面建成的歷史時刻。

對于航天工程來說，每一點載荷量都彌足珍貴。此前，由于航天工程絕大部分情況下都有首要飛行任務(wù)，航天育種都是利用載荷余量以不定期“搭車”的形式開展研究。在滿足基礎(chǔ)實驗量的前提下，搭載種子的品類、數(shù)量有限，遺傳性、綜合性狀等條件需要經(jīng)過重重篩選。因此，也有人將航天育種比作是“優(yōu)等生到超前班進(jìn)修”。2022年5月19日，中國載人航天工程辦公室公布的“神舟十二號”和“神舟十三號”載人飛船航天育種實驗項目清單，只有88家單位的作物種子、微生物菌種等種質(zhì)材料得到“飛天船票”。

中國空間站的全面建成，為我國航天育種的科技研究提供了新空間。如今，神舟系列載人飛船將以平均每年2艘的頻率實施發(fā)射，具備了持續(xù)開展航天育種搭載實驗的能力。

2022年，問天實驗艙裝載的生命生態(tài)實驗柜完成了太空環(huán)境下水稻和擬南芥的全生命周期培養(yǎng)實驗，這也是國際上首次在軌獲得水稻種子。不僅如此，我國還首次成功嘗試空間再生稻技術(shù)，在水稻剪株后利用稻樁上存活的休眠芽，精心培育僅20天就再生出2個稻穗，并最終收獲了再生稻的種子，開辟出高產(chǎn)太空稻的技術(shù)路線。

據(jù)了解，60余年來，國外科學(xué)家對太空環(huán)境植物的種植和栽培進(jìn)行了大量研究，然而只完成了擬南芥、油菜、豌豆和小麥“從種子到種子”的培養(yǎng)。可以肯定的是，我國空間站時代的到來，將為航天育種研究提供更多資源保障，為人類長期太空生活貢獻(xiàn)力量。

2022年11月30日，“神舟十五號”“神舟十四號”乘組在中國人自己的“太空家園”勝利會師之時，來自112家單位的1300余份作物種子、微生物菌種等航天育種材料正在接受宇宙射線的“洗禮”。在接受6個月的宇宙高能輻射、經(jīng)歷微重力環(huán)境等空間誘變實驗后，這些種子有望產(chǎn)生新的罕見的基因突變，創(chuàng)制出具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的新種質(zhì)，為我國種源自主可控、種業(yè)科技自立自強搶占新的高地。

飛向深空的航跡——

無限未來，一顆種子的“飛天之路”。

開盲盒，是現(xiàn)代年輕人喜歡的一種消費方式。因為無法確定盒子里的商品，使得開盲盒的過程充滿了驚喜和刺激。而對于“育種家”們來說，航天育種也猶如開盲盒?；蛲蛔兊牟淮_定性，讓深入分析太空環(huán)境各類因子影響種子基因變異的機理成為“育種家”們的主要研究方向之一。在空間站技術(shù)應(yīng)用日趨成熟的未來，通過對不同誘變世代的基因進(jìn)行大量測序，對比分析不同因子對于變異的影響機理，將為航天育種新品種選育提供重要篩選依據(jù)。

近年來，隨著航天工程的穩(wěn)步推進(jìn)和現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展，航天育種與生物技術(shù)、大數(shù)據(jù)融合應(yīng)用成為種質(zhì)資源創(chuàng)新的有效途徑。航天育種進(jìn)一步與全基因組選擇和人工智能等技術(shù)結(jié)合后，可以通過分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)，從分子層面分析群體表型特征和不同世代基因組特征，從而定向篩選目標(biāo)性狀，極大縮短育種年限，提高育種效率。我國華南農(nóng)業(yè)大學(xué)陳志強團(tuán)隊提出的空間誘變“多代混系連續(xù)選擇與定向跟蹤篩選技術(shù)”，鑒定出的突變種質(zhì)可直接培育成新品種或作為新種質(zhì)資源間接培育新品種，實現(xiàn)了同時從3條途徑培育新品種，顯著提高了水稻特異種質(zhì)選擇效率和育種效果。

太空探索永無止境。2022年6月12日，中國國家航天局正式對外公布，中國將在2025年前后實施近地小行星取樣返回和主帶彗星環(huán)繞探測任務(wù)和在2030年前后實施火星取樣返回任務(wù)，后續(xù)還將實施木星系環(huán)繞探測任務(wù)和行星際穿越探測任務(wù)。除探測火星外，中國還將在“十四五”時期陸續(xù)發(fā)射“嫦娥六號”和“嫦娥七號”探測器，實施月球極區(qū)環(huán)境與資源勘查、月球極區(qū)采樣返回等任務(wù)。

對于航天育種而言，月球、火星探測工程的實施，將為解決種子基因在近地空間輻射條件不全面等問題提供有力科研手段和深空實驗環(huán)境，進(jìn)一步提高優(yōu)良種質(zhì)的培育效率。同時，面向空間站及深空探測需求，航天育種將在空間生命支撐系統(tǒng)發(fā)展方面迎來新機遇。