为什么要带农作物上天?

发布者:政策研究中心发布时间:2020-06-01浏览次数:23

“华航48号”为华南农业大学国家植物航天育种工程技术研究中心培育的国标优质一级品种,高抗稻瘟病,适宜轻简化和机械化栽培。受访者供图

  日前,长征五号B运载火箭搭载新一代载人飞船试验船飞行试验取得圆满成功,随着试验船返回舱回到地球的,还有一批植物种子和其他实验样本。

  “这是中国最大规模的航天育种试验之一,搭载样本总数达988件,数量是过去的两三倍。”华南农业大学原副校长、国家植物航天育种工程技术研究中心主任陈志强兴奋地说。

  事实上,目前已不乏“太空种子”进入生产生活的例子。而借助现代生物学技术和条件,这批“上天”的样本有望快速繁衍世代,筛选出优质性状,助力农作物品种改良。

    太空环境难以在地面复制

  我国是世界上掌握卫星回收技术的三个国家之一,也是首创利用航天技术进行作物诱变育种的国家:1987年8月5日,随着我国第9颗返回式科学试验卫星的成功发射,中国科学院遗传研究所蒋兴邨研究员等在国内率先利用返回式卫星搭载水稻等农作物种子,并在后代种植中发现了遗传变异。我国航天诱变农业生物育种的探索由此拉开。

  1996年,农业部在“九五”计划中首次将“农作物航天育种”列为重点课题。

  回顾我国的航天育种研究,一定要提及我国首颗专门用于航天育种研究的返回式科学技术试验卫星“实践八号”:2006年9月9日,实践八号从酒泉卫星发射中心发射升空。它装载了粮、棉、油、蔬菜、林果、花卉等9大类、2000余份、约215公斤农作物种子和菌种,创中国开展航天育种研究以来搭载规模纪录。经过半个月太空飞行后,该卫星被成功回收。

  “最早叫空间诱变育种,从1987年开始,通过返回式卫星、飞船、高空气球等进行育种,1996年开始进入航天育种研究。”陈志强说。

  航天育种的原理并不复杂:空间环境具有高真空、微重力、弱磁场及复杂辐射等特点,太空射线中复杂的高能重离子冲击生物细胞,诱导其产生遗传变异,就能获得新的性状。而且诱导突变的方式有很多,有科学家在地面上模拟太空中的射线,达到诱变效果;也有科学家采用化学物质诱变的方法。

  中国科学院院士、浙江大学教授陈子元曾撰文评价,20世纪60年代以后,各种物理诱变因子应用于植物诱变育种,但它们的规模和成就均不如航天育种大。

  陈志强认为,太空中的高真空微重力等综合因素不可忽略,“综合因素加强了变异的程度,同时让产生变化的细胞没那么快自我修复。用同样剂量的射线或者离子在地面上模拟,效果没有在太空中好。”

  这些回到地球的种子,再经过一系列地面培育、筛选和验证,获得的新品种往往会具有相对原先品种更加出色的特质,例如抗病害、高产等。

    从太空归来的种子还要经过数年的严苛考验

  种子从太空回来,仅仅是“原料”。最终是否能够种植量产,还要经过数年的培育、筛选、验证等工作。国家杂交水稻工程技术研究中心研究员赵炳然介绍,从太空归来的种子,只有很少部分会产生变异,产生育种家期待的“好的”变异就更少了。

  这就要由育种家进行选择。第一步是将太空归来的种子种到试验田。这些第一代的种子并不做筛选。等到收获再种下,从第二代以上,科学家会对遗传变异进行评价:“通过田间的观察、实验室的评价,确定这种变异是不是我们需要的?如果是‘好的’变异,比如对产量、品质、病虫害抗性、耐高温特性等等有提高,那么科学家就会比较关注了。”赵炳然说。

  之后,科学家会通过一系列的自交或者杂交,尝试将这种好的性状稳定下来。“稳定下来的材料,经过多方面评价,之后要和其他的品种‘打擂台’,如果成绩很好,再通过审定,才允许进入生产。”赵炳然介绍。

  赵炳然说,如果变异得较小,性状稳定的时间会相对较短。“可能经过3代4代就会稳定下来了。如果实验很顺利的话,从太空下来到性状稳定,最快也得两年。之后试种、审定等过程,全部流程下来,最快也要5年左右。”

  不妨以“深两优1378”为例,来看航天育种农产品是如何“诞生”的:

  “深两优1378”于2019年通过广东省农作物品种审定委员会审定,适宜在广东省粤北以外稻作区作早、晚造种植;它的母本是“深08S”,父本是“航恢1378”。

  以父本“航恢1378”的“家谱”为例:1996年,华南农业大学国家植物航天育种工程技术研究中心利用中国返回式卫星搭载水稻“泰华占”种子,经过多年多代跟踪鉴定,选育出高抗稻瘟病的种质H—31和H—61。1998年早季,以H—61为母本、胜巴丝苗为父本杂交,在2000年选育出优质抗病种质华航137。2000年晚季以H—31为母本,与华航137杂交,通过系谱法于2006年早季选育出新品系H—37。2006年晚季,利用自育的优质抗白叶枯病品系华航油占为母本,H—37为父本杂交,从F2代开始按系谱法进行选择。2013年晚季,田间编号为H—78的株系在米质、抗性、株型、粒形、丰产性、杂种优势等方面表现优良,且比对照粳籼89增产,定名为航恢1378。

  之后,2014年早季,华南农业大学国家植物航天育种工程技术研究中心利用深08S与航恢1378配组,2014年晚季对其F1代进行杂种优势测定,发现该组合表现为高产、高抗稻瘟病、米质优良等特点,将该组合定名为“深两优1378”。

  “深两优1378”于2015—2016年早季在广东省内参加多点品比试验,该组合表现熟期适中,米质优,穗长粒多,抗性好,丰产性突出,杂种优势明显。2017—2018年参加广东省早造感温迟熟组区域试验和生产试验,2019年8月通过广东省农作物品种审定委员会审定。

    现代生物学技术助推航天育种

  人类历史上,开展航天育种研究的大部分都“可以吃”。除了水稻、小麦等经济作物外,还包括蔬菜、食用菌菇、酵母菌、酒类发酵的菌种等。不能吃的,也有林草花卉等。

  例如,此次长征五号B运载火箭搭载新一代载人飞船试验船飞行试验任务安排了联盟组织征集和遴选的航天育种、空间生物等相关实验类项目75个,涵盖农作物、林草花卉、中草药等植物种子和生物菌种等实验材料及其装置,还有对基础研究具有重要科学价值的模式植物和模式动物实验样本,搭载样本总数达988份。

  试验船在轨飞行约67个小时,轨道高度约300千米—8000千米。试验船在轨飞行期间,穿越范艾伦辐射带,接受的空间总辐射剂量和微重力环境均与以往神舟飞船、天宫实验室和返回式卫星所经历的空间环境不同,为开展空间辐射生物学研究、空间诱变和航天育种研究与实验提供了前所未有的宝贵机会。

  其中,华南农业大学国家植物航天育种工程技术研究中心积极配合联盟组织征集搭载试验项目,共遴选水稻、甜玉米、南药、微生物等搭载样本31个,参加单位包括广东、广西、福建、四川等优势科研院所。该中心是航天育种产业创新联盟的发起单位之一,也是我国唯一开展植物空间诱变育种的国家工程技术研究中心。

  “我们的工作是从样本后代中筛选出对人类有益的突变性状,如抗病害、抗倒伏、高产等等。”陈志强说。

  过去,由于农作物的生长繁殖周期比较长,一批空间诱变的材料可能需要三五年时间才能完成鉴定和筛选。如今,以水稻为例,通过快速加代繁殖的手段,可以在1年时间内筛选出对人类有用的性状。

  “期望通过此次空间飞行经过的特殊空间环境,更有效地诱发搭载材料产生遗传变异,开发和选育更多绿色、优质的生物新基因和新品种助力我国的航天生物育种研究创新和现代农业发展。”陈志强表示,“此次搭载材料成功返回,将会进一步提升广东省航天生物育种研究水平,有力地推动广东的种业发展进步。”

    链接 身边的“太空产品”

  这些“来自太空”的产品早已进入生活。

  仅以华南农业大学国家植物航天育种工程技术研究中心为例,自1996年以来,该中心就利用返回式卫星、神舟飞船等进行了23批次搭载试验,共搭载了水稻、蔬菜、林木、花卉等267份生物材料,在植物空间诱变机理、优异种质创新、优良品种选育及产业化方面开展了大量研究,并获得一大批研究成果,其中,选育出64个植物新品种通过各级审定,先后获得包括两次广东省科技奖一等奖等在内的省部级奖励6项。

  2018年首届航天育种产业创新联盟第一次联盟大会暨航天育种论坛给出的数据显示,经过国家级和省级审定的航天育种新品种超过200个;航天育种培育的小麦、水稻、玉米、大豆、棉花和番茄、辣椒等园艺作物新品种,累计推广种植面积超过240万公顷,增产粮食约13亿公斤;航天育种技术及其成果在苜蓿等牧草、林木、花卉和生物医药等领域也有一定规模的推广应用。航天育种对我国作物育种技术进步和相关产业发展发挥了积极作用,创造直接经济效益2000多亿元。

  在广东,通过航天育种技术培育的优质稻品种,在脱贫攻坚过程中也发挥着很大的作用。

  比如,我国第一个通过国家农作物品种审定的水稻航天诱变新品种“华航一号”,茎秆粗壮,根系发达,着粒密,结实率较高;我国第一批超级稻认定品种“培杂泰丰”,连续多年被广东、广西、江西确定为主导品种,高产稳产、米质优、适应性广,在华南稻区得到大面积推广应用;“华航31号”高抗稻瘟病、耐肥抗倒、耐寒性强、适应性广,从2011年至今为广东省农业主导品种,并在广西、江西等南方稻区大面积推广种植;“五优1179”丰产性突出,2018年被认定为超级稻品种……