淺談我國(guó)航天育種發(fā)展的現(xiàn)狀

文| 朱建寧 王思涵 荊鑫 鹿金穎 陳瑜

航天神舟生物科技集團(tuán)有限公司

一、我國(guó)航天育種發(fā)展概述

航天育種，是指將植物種子或其他植物誘變材料搭載在可返回式航天器上，使其在航天器發(fā)射到返回地面整個(gè)飛行過(guò)程經(jīng)歷太空中復(fù)雜的綜合環(huán)境（微重力、高真空、強(qiáng)離子輻射、弱磁場(chǎng)等），導(dǎo)致誘變材料中的可遺傳物質(zhì)被迫發(fā)生變異，再通過(guò)地面育種手段進(jìn)行地面選育，從而獲得具有穩(wěn)定遺傳特性的優(yōu)良品種。這是我國(guó)農(nóng)業(yè)科研人員利用航天、生物、遺傳等綜合科學(xué)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的育種技術(shù)新方法。

多年實(shí)踐證明，航天育種技術(shù)較傳統(tǒng)誘變育種可以產(chǎn)生較高變異率、大幅提升育種效率、縮短育種周期，對(duì)生物體的生理和遺傳性狀具有強(qiáng)烈影響。航天育種開辟了一個(gè)連接太空和地面、未來(lái)與現(xiàn)實(shí)的全新領(lǐng)域，定期發(fā)射和返回、艙內(nèi)外的空間誘變環(huán)境、更多的重要載荷，必將為育種研究提供更加豐富的航天資源和保障，必將創(chuàng)制出更多的新材料、新種質(zhì)、新資源，從而為我國(guó)解決種源“卡脖子”問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)種業(yè)科技自立自強(qiáng)、種源自主可控更好地發(fā)揮作用。

二、航天育種的搭載方式

在國(guó)家“863”計(jì)劃和載人航天工程的支持下，我國(guó)早期最先利用高空氣球、返回式衛(wèi)星等空間飛行器開展航天育種誘變研究。隨著中國(guó)空間站的建造實(shí)施，我國(guó)開始利用神舟飛船、天宮空間實(shí)驗(yàn)室、嫦娥月球探測(cè)器等空間飛行器為航天育種研究提供了更多新的環(huán)境。

1.返回式衛(wèi)星

1987 年8 月，我國(guó)第九顆返回式科學(xué)衛(wèi)星首次將一批水稻、青椒等種子材料送入太空。同年，也進(jìn)行了多次高空氣球搭載甜椒、香蕉、櫻桃等農(nóng)作物種子，飛行高度在海拔30 ～40km，-60℃的環(huán)境下持續(xù)飛行2 ～10h，且受到強(qiáng)烈的紫外線輻射和宇宙線輻射。

2006 年，我國(guó)的農(nóng)作物種子首次擁有了太空專屬“座駕”——實(shí)踐八號(hào)返回式衛(wèi)星，這也是我國(guó)首顆專門服務(wù)于農(nóng)業(yè)科技、應(yīng)用于航天育種的科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星，其中搭載了糧、棉、花卉等9 大類2000多份200 多千克種子材料。

2.神舟飛船

從1999 年11 月神舟一號(hào)發(fā)射成功至今，神舟系列飛船數(shù)次為航天育種的研究提供機(jī)會(huì)。從神舟十六號(hào)載人飛船開始，中國(guó)載人航天工程辦公室向社會(huì)公開征集航天育種搭載實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，種類涵蓋農(nóng)作物、林草、花卉、藥用植物、微生物等，利用工程載荷余量組織開展航天育種搭載實(shí)驗(yàn)。

3.空間實(shí)驗(yàn)室

空間實(shí)驗(yàn)室為航天育種提供豐富的試驗(yàn)環(huán)境和有力的技術(shù)支持，為空間站在軌飛行條件下輻射生物效應(yīng)的研究開辟了重要的科研平臺(tái)。天宮一號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室上，搭載了中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州畜牧與獸藥研究所提供的燕麥、紫花苜蓿。天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室上，完成了我國(guó)首次高等植物“從種子到種子”的空間長(zhǎng)周期培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。

4.深空探測(cè)器

嫦娥五號(hào)月球探測(cè)器上，搭載了包括中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州畜牧與獸藥研究所、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、大連海事大學(xué)在內(nèi)的科研院所提供的水稻、苜蓿、燕麥、擬南芥等各類林木和花卉種子30 余種試驗(yàn)材料，這是首次由深空探測(cè)器開展航天育種搭載實(shí)驗(yàn)。

隨著我國(guó)穩(wěn)步邁進(jìn)“空間站時(shí)代”，我國(guó)航天育種研究迎來(lái)了全新的發(fā)展機(jī)遇。未來(lái)我國(guó)將利用空間站繼續(xù)開展空間科學(xué)研究，包括航天育種在內(nèi)的各類研究和成果必將更多惠及普通百姓生活。

三、航天育種試驗(yàn)研究及選育方式

航天育種也屬于誘變育種的方式之一，其試驗(yàn)研究程序及選育方式本質(zhì)上與誘變育種無(wú)較大差別。航天育種試驗(yàn)研究程序可分為兩大類，分別為種子繁殖植物和無(wú)性繁殖植物。

1.種子繁殖植物

一般是對(duì)種子進(jìn)行搭載處理，回收后進(jìn)行地面種植、觀察和選育。種子繁殖植物按花器結(jié)構(gòu)與授粉方式的不同，可劃分為自花授粉植物和異花授粉植物兩類。

（1）自花授粉植物

以水稻和小麥為例，種子經(jīng)過(guò)航天搭載回收后，應(yīng)和地面對(duì)照種子同時(shí)播種，SP1代（衛(wèi)星回收后當(dāng)代，即第一代）種植時(shí)適當(dāng)隔離以防止發(fā)生機(jī)械混雜或不同品種間自然雜交。經(jīng)空間搭載的SP1代植物會(huì)表現(xiàn)出一定程度的生理?yè)p傷，研究人員應(yīng)及時(shí)觀察和記錄，重點(diǎn)觀察的項(xiàng)目有：出芽率、株高、分蘗成穗率、抽穗開花期、育性、結(jié)實(shí)率、形態(tài)畸變等。對(duì)SP1代已發(fā)生的變異，SP2代（第二代）應(yīng)種成株系。一般SP2代會(huì)出現(xiàn)多種多樣的變異，應(yīng)根據(jù)種質(zhì)資源創(chuàng)制目標(biāo)確定觀察重點(diǎn)，應(yīng)盡量排除性狀反常、嚴(yán)重畸變、高度不育的植株。SP2代選出的單株種植后，選擇其中優(yōu)異單株若干，分株混收后轉(zhuǎn)入SP4代的產(chǎn)量預(yù)備試驗(yàn)和特性鑒定試驗(yàn)，根據(jù)SP4代試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)勝劣汰，篩選品種穩(wěn)定株系種植，再行決選。對(duì)已選擇出的穩(wěn)定株系，應(yīng)在SP4代或其后代后有3 次重復(fù)的測(cè)產(chǎn)試驗(yàn)并對(duì)其農(nóng)藝性狀進(jìn)行觀察分析。SP5進(jìn)行區(qū)域試驗(yàn)及大田示范，為后期品種鑒定做好準(zhǔn)備。

（2）異花授粉植物

以玉米為例，異花授粉植物突變的性狀必須通過(guò)連續(xù)的人工自交才能分離出純和的突變體。SP1代一般單粒點(diǎn)播，不需設(shè)置隔離區(qū)。選擇生長(zhǎng)正常并表現(xiàn)優(yōu)良的單株進(jìn)行人工套袋授粉，入選優(yōu)穗脫粒后，供作SP2代播種材料。SP2代和SP3代一般采用自交分離和系譜選擇的方法，每穗種子播種一個(gè)穗行。根據(jù)玉米突變育種實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，玉米SP3代基本趨于穩(wěn)定，篩選后留1/4 ～1/5 穗行的自交穗供第二年繼續(xù)選育。在SP3代為測(cè)定誘變后代的配合力而配置的測(cè)交種，SP4代應(yīng)設(shè)置測(cè)交種比較實(shí)驗(yàn)。選擇幾個(gè)在生產(chǎn)上和育種上常用的骨干系與突變自交系進(jìn)行測(cè)配，組配成新的雜交組合，并進(jìn)行新組合比較試驗(yàn)。最后選出的最優(yōu)良的組合參加玉米雜交種區(qū)域試驗(yàn)、栽培試驗(yàn)和生產(chǎn)試驗(yàn)，后經(jīng)品種管理部門審定后即可在生產(chǎn)上推廣應(yīng)用。

2.無(wú)性繁殖植物

無(wú)性繁殖植物進(jìn)行航天育種一般是對(duì)植物組織培養(yǎng)物、植物枝條（接穗或插條）、塊根、塊莖等材料進(jìn)行搭載處理，回收后進(jìn)行地面種植、觀察和選育。其中以植物組織培養(yǎng)物搭載較多。

許多林木、木本觀賞植物以及草本觀賞植物都可以選用不同組織培養(yǎng)物作為航天搭載材料。將植物的莖尖或莖段接種于培養(yǎng)基上進(jìn)行航天搭載，回收后搭載的芽長(zhǎng)成的初生嫩梢為VSP1。將嫩梢切割后繼代培養(yǎng)再次長(zhǎng)成的嫩梢為VSP2，重復(fù)此步驟可得VSP3。待此嫩梢長(zhǎng)至3 ～4cm 即可轉(zhuǎn)移至生根培養(yǎng)基中，生根后移栽于溫室或田間。第二年，對(duì)移栽于溫室或田間的植株進(jìn)行性狀觀察，篩選優(yōu)良變異株。第三年，繼續(xù)對(duì)優(yōu)良突變體無(wú)性繁殖，并鑒定突變的穩(wěn)定性。第四年，通過(guò)鑒定的植株可申請(qǐng)新品種。

四、航天育種代表成果

自1987 年以來(lái)，我國(guó)航天和育種專家利用返回式衛(wèi)星、高空氣球以及神舟飛船等空間飛行器搭載生物材料，進(jìn)行空間誘變育種研究。在糧食作物（小麥、水稻、玉米、谷子）、經(jīng)濟(jì)作物（棉花、大豆、芝麻）、蔬菜作物（番茄、辣椒、茄子、瓜類、豇豆、白蓮）、果樹（香蕉、樹莓、葡萄）、花卉（醉蝶花、仙客來(lái)、蝴蝶蘭）、草類、林木和藥用植物等的航天育種方面取得重大進(jìn)展，培育了大量?jī)?yōu)良品種（系），其中有的成果已進(jìn)行了大面積推廣與轉(zhuǎn)化應(yīng)用。

1.糧食作物

中國(guó)人口多而耕地少，糧食始終是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的頭等大事，目前中國(guó)的小麥、水稻完全實(shí)現(xiàn)了自給自足，玉米自給率也達(dá)到95%以上。這些代表性的中國(guó)主糧作物的生產(chǎn)中，均出現(xiàn)過(guò)航天育種的身影。

水稻在生產(chǎn)上已大面積應(yīng)用很多優(yōu)質(zhì)的航天育種成果。華航一號(hào)是由華南農(nóng)業(yè)大學(xué)選育的，第一個(gè)通過(guò)航天育種完成國(guó)審的新品種，具有優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、抗逆、廣適等特性。目前由該品種再次繁育而成的，具備豐產(chǎn)、抗稻瘟病、矮稈等種質(zhì)的新水稻品種已達(dá)42 個(gè)[1]。

航天神舟生物科技集團(tuán)有限公司與陜西中科航天農(nóng)業(yè)公司共同選育豐產(chǎn)抗倒伏、抗病的航天小麥新品種——航麥6 號(hào)，于2013 年通過(guò)陜西省品種審定，已進(jìn)行了大面積推廣。航麥6 號(hào)由神舟三號(hào)飛船搭載西農(nóng)E-47，再經(jīng)地面選育而成，該品種屬弱冬性，苗相半匍匐，葉色深綠，葉相上挺，分蘗偏多。中抗條銹病、赤霉病，高感白粉病。該品種苗勢(shì)健壯，越冬性好，抗倒伏力強(qiáng)，平均畝產(chǎn)達(dá)到686.35kg，具備高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病性強(qiáng)等特性。

河南省農(nóng)科院利用航天搭載誘變篩選出的突變系小麥“豫同198”，配制雜交組合選育出了高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)小麥新品種——“鄭品麥24”和“豫豐11”，又以“豫麥57”太空搭載培育出了高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、抗逆和具有廣適性的“富麥2008”，該品種在黃淮南片累計(jì)示范種植120 萬(wàn)畝，平均單產(chǎn)達(dá)到550kg/畝，且出現(xiàn)多個(gè)650 ～700kg/畝的高產(chǎn)典型?！霸?3”空間誘變后育成的高產(chǎn)多抗小麥新品種“鄭麥314”，平均畝產(chǎn)達(dá)501.5kg，成為河南南部稻茬麥區(qū)的高產(chǎn)典型。目前，航天育種小麥品種累計(jì)推廣面積達(dá)4000多萬(wàn)畝，產(chǎn)生了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

“航玉35”是天水神舟綠鵬農(nóng)業(yè)科技有限公司采用航天搭載、空間誘變、農(nóng)業(yè)育種生物技術(shù)集成創(chuàng)新培育而成的中晚熟普通玉米雜交新品種（圖1）。2018 年2 月通過(guò)甘肅省品種審定。該品種在甘肅省中晚熟旱地組玉米區(qū)試種平均畝產(chǎn)724.9kg，比統(tǒng)一對(duì)照增產(chǎn)10.8%，自然條件下抗絲黑穗病、大斑病、穗腐病和青枯病。

圖1 “航玉35”

“航天558”是張掖神舟綠鵬農(nóng)業(yè)科技有限公司2016 年以自交系A(chǔ)5-2 為母本，自交系A(chǔ)601 為父本雜交選育而成的中熟緊湊型單交種（圖2）。該品種田間表現(xiàn)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、抗性強(qiáng)、后期熟相好，2021 年通過(guò)甘肅省審定（審定編號(hào)：甘審玉20210012）。

圖2 “航天558”

2.蔬菜瓜果

我國(guó)利用航天育種技術(shù)培育成功的第一個(gè)蔬菜品種，是黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝分院于2000 年培育的宇番1 號(hào)番茄，該品種搭載后經(jīng)多年選育，主要營(yíng)養(yǎng)成分比原種增加30%，而葉片葉綠素的含量則增加16%，產(chǎn)量提高了約10 倍。隨后，經(jīng)過(guò)先后10 余次的航天搭載，育成了10 個(gè)航天番茄、甜椒、辣椒新品種，獲得新品種權(quán)5 項(xiàng)。

航豐1 號(hào)是深圳市農(nóng)科集團(tuán)以國(guó)外品種為種質(zhì)資源，經(jīng)我國(guó)第20 顆返回式衛(wèi)星搭載后選育出的保護(hù)地小型黃瓜（小青瓜）新品種。品種比較、區(qū)域試驗(yàn)及生產(chǎn)試種的結(jié)果表明該組合具有生勢(shì)強(qiáng)、抗病、全雌性、豐產(chǎn)、早熟、適于保護(hù)地栽培等優(yōu)良特性。該品種通過(guò)了深圳市政府科技管理部門的科技項(xiàng)目驗(yàn)收和科技成果鑒定。迄今為止，品種生產(chǎn)應(yīng)用面積達(dá)5000 畝[2]。

天水神舟綠鵬農(nóng)業(yè)科技有限公司通過(guò)航天搭載的航天蔬菜有航椒1 ～12 號(hào)辣椒、航豇1 ～2 號(hào)豇豆、航茄2 ～7 號(hào)茄子、宇航3 ～6 號(hào)番茄等26個(gè)航天蔬菜新品種通過(guò)了省級(jí)鑒定和甘肅省新品種認(rèn)定（圖3—圖4）。

圖3 航椒1 號(hào)（左）和航椒4 號(hào)（右）

圖4 航豇1 號(hào)

3.花卉

空間誘變的變異性狀具有隨機(jī)性，因此大田作物、瓜果蔬菜等均需要根據(jù)育種目標(biāo)，篩選出需要的目標(biāo)性狀，如高產(chǎn)、早熟、抗病、品質(zhì)提高等，剔除負(fù)向變異?；ɑ軈s有所不同，不論是花卉顏色、葉片形態(tài)、莖稈長(zhǎng)短、花期、花姿等性狀，正向、反向變異都可以成為花卉選育的目標(biāo)，促使新品種產(chǎn)生。因此在無(wú)形中提高了花卉空間誘變的突變率和應(yīng)用價(jià)值，為形成更多的突破品種增加了可能。

天水神舟綠鵬農(nóng)業(yè)科技有限公司累計(jì)空間誘變了50 余種花卉，在大大縮短育種周期的情況下培育出了新品種，獲得了改變花型花貌的穩(wěn)定變異，例如太空矮牽牛、太空瓜葉菊、太空雪、太空紫葉酢漿草、太空仙客來(lái)等新品種（圖5—圖6），具有分枝增多、花色變化、花型變大、花期延長(zhǎng)等多種不同的新性狀，點(diǎn)綴了城市景觀工程和園林。

圖5 太空矮牽牛

圖6 太空瓜葉菊

江西省廣昌縣白蓮科學(xué)研究所在天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室搭載了31 份材料，在育成的品種中，有蓬數(shù)增加、每蓬實(shí)粒數(shù)提高、結(jié)實(shí)率增加的優(yōu)異變異，育成多個(gè)太空蓮新品種，兼具生產(chǎn)型和觀賞型，帶動(dòng)了當(dāng)?shù)氐陌咨彯a(chǎn)業(yè)發(fā)展。

4.牧草

我國(guó)優(yōu)質(zhì)、抗逆牧草品種稀缺，急需開展牧草種質(zhì)資源創(chuàng)新利用。截至2020 年，通過(guò)航天誘變育種培育的牧草新品種5 個(gè)，培育的新品種在甘肅、黑龍江、山東等地均有種植推廣。牧草航天誘變育種相關(guān)研究獲國(guó)家授權(quán)發(fā)明專利3 項(xiàng)。

中天1 號(hào)紫花苜蓿是由神舟三號(hào)飛船搭載的紫花苜蓿種子為基礎(chǔ)材料選育完成的新品種（圖7）。該品種多葉率達(dá)35.9%，而國(guó)外引進(jìn)的主要多葉品種的平均值僅為6.31%，中天1 號(hào)是國(guó)外品種的5倍以上。干草產(chǎn)量平均為每畝1035.33kg，比對(duì)照平均高產(chǎn)12.8%，國(guó)家區(qū)域試驗(yàn)最高干草產(chǎn)量達(dá)每畝1789.9kg。粗蛋白質(zhì)含量平均為20.08%，達(dá)到我國(guó)苜蓿干草捆分級(jí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的一級(jí)等級(jí)。

圖7 中天1 號(hào)紫花苜蓿葉片（左）和單株（右）

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院航天育種中心對(duì)美國(guó)燕麥品種“PAUL”模擬航天處理后進(jìn)行了地面種植，續(xù)五年田間選育形成航燕1 號(hào)新品系，特性為品質(zhì)和綜合農(nóng)藝性狀優(yōu)良，平均種子產(chǎn)量為畝產(chǎn)282.35kg（比原品種增產(chǎn)16.9%）[3]。

五、結(jié)語(yǔ)

航天育種技術(shù)采用高科技的空間技術(shù)與常規(guī)農(nóng)業(yè)育種技術(shù)相結(jié)合，是一種高創(chuàng)性育種方法?？臻g站全面建成后，神舟系列飛船作為空間站天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)，以平均每年兩艘的頻率實(shí)施發(fā)射，具備持續(xù)開展航天育種搭載實(shí)驗(yàn)的能力，航天育種將會(huì)有更多機(jī)會(huì)發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。未來(lái)，航天育種會(huì)在緊隨信息革命技術(shù)的世界潮流中，完成產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代，在廣度和深度上快速發(fā)展。