中央紀(jì)委國家監(jiān)委網(wǎng)站 柴雅欣
圖為劉錄祥（左二）與相關(guān)育種專家在新疆維吾爾自治區(qū)奇臺縣田間考察太空小麥品種“航麥106”長勢情況。 （中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所供圖）
豐收在即，眼下，全國多個糧食主產(chǎn)區(qū)陸續(xù)進(jìn)入秋收季，沉甸甸的收獲是土地的饋贈，也有宇宙的“眷顧”。中國載人航天工程辦公室近日發(fā)布消息，自中國載人航天工程立項實施以來，航天育種搭載實驗3000余項，育成主糧審定品種240多個，年增產(chǎn)糧食約26億公斤。
航天育種也叫太空育種，是讓種子搭乘著返回式航天器到太空“暫居”，利用宇宙射線、微重力、高真空等特殊環(huán)境誘發(fā)種子基因變異，再返回地面上選擇可遺傳的優(yōu)良變異性狀用于培育優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)多抗植物新品種的育種方法。去過太空的種子有何不同？航天育種如何助力種業(yè)創(chuàng)新、打好種業(yè)翻身仗？記者采訪了相關(guān)專家。
航天育種具有變異率高、育種周期短等特點，可在相對較短時間內(nèi)創(chuàng)制出性狀優(yōu)良的種質(zhì)資源
在距地面400公里的軌道上，中國空間站繞地球飛行，神舟十六號航天員乘組正在里面進(jìn)行“太空科研”。同樣進(jìn)行中的，還有種子們的“太空旅行”。
神舟十六號載人飛船航天育種實驗項目清單近日公布。此前，中國載人航天工程辦公室向社會公開征集航天育種搭載實驗項目，并組織專家對申報項目進(jìn)行評審，遴選出53個單位的136種航天育種實驗材料實施搭載。
航天育種材料種類豐富，既有主要農(nóng)作物、經(jīng)濟作物等種子，也有不同地方主栽特色品種和珍稀物種的種子，還有微生物菌種。它們來自全國不同地區(qū)、單位，有些側(cè)重于基礎(chǔ)研究，有些則側(cè)重于品種培育。記者在清單上看到，農(nóng)作物種子份數(shù)最多，共有47份，其中包括糧食作物種子12份、經(jīng)濟作物種子28份、耐鹽堿植物7份。此外，還有林草、花卉和藥用植物76份，微生物和其它13種。
“這次我們選送了三七、訶子等10種中藥材種子隨神舟十六號載人飛船一起升空，都是云南特色中藥材，多為藥食同源植物，開展航天育種工作具有較好的應(yīng)用前景。”云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院藥用植物研究所所長李榮福說。
李榮福告訴記者，該所從2013年起開展航天育種工作，當(dāng)年6月選送中藥材滇龍膽種子隨神舟十號飛船升空。經(jīng)過7年的組培、選育、擴繁、栽種實驗過程后，科研人員最終選育出了優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高抗性的“滇龍膽航天1號”“滇龍膽航天2號”和“滇龍膽航天3號”3個新品種。從2021年開始，該所通過神舟十二號、神舟十三號、神舟十四號、神舟十五號、神舟十六號載人飛船搭載了以“十大云藥”為首的29種中藥材種子。
中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所從1994年開始航天育種研究工作，至今已有近30年。“近兩年，我們主要開展了兩方面的航天育種工作，一是對前期通過‘實踐八號’‘實踐十號’返回式衛(wèi)星批量搭載的小麥種子進(jìn)行系統(tǒng)篩選、鑒定、測試、品種審定和推廣，以及航天突變機理研究；二是持續(xù)利用高能加速器開展地面模擬航天環(huán)境誘變因素，也就是高能重離子誘變育種及機理研究、創(chuàng)制突變體庫等。”中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所黨委書記、副所長劉錄祥說。
劉錄祥是我國航天育種工程首席科學(xué)家、國家農(nóng)作物航天誘變技術(shù)改良中心主任，曾組織發(fā)射了“實踐八號”世界首顆航天育種專用衛(wèi)星。他告訴記者，與傳統(tǒng)育種技術(shù)相比，航天育種最大的優(yōu)勢在于空間誘變材料的有益變異率高、育種周期短，可在相對較短時間內(nèi)創(chuàng)制出高產(chǎn)、早熟、抗病等性狀優(yōu)良的種質(zhì)資源。
“中藥材傳統(tǒng)選育耗時長、成本也高，在中藥材需求量不斷增加、野生藥材資源有限的背景下，航天育種技術(shù)能加快品種選育和人工規(guī)模化種植進(jìn)程，豐富中藥材種質(zhì)資源庫，推動中藥材產(chǎn)業(yè)發(fā)展。”李榮福說。
上天只是“萬里長征”一小步，更多工作還要在地面完成
在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所大廳，各式各樣的“太空種子”被裝在一排排貼有品種標(biāo)簽的透明罐子里。這些都是劉錄祥和同事們辛勤數(shù)載的結(jié)晶。
“目前為止，我們已經(jīng)育成審定了‘航麥247’‘航麥2566’‘航麥287’‘航麥501’‘航麥3290’‘航麥802’‘航麥106’‘航麥818’‘魯原502’等多個小麥太空品種，通過與種子企業(yè)聯(lián)合實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，產(chǎn)生了顯著的社會經(jīng)濟效益。”劉錄祥說。
“太空種子”是怎樣煉成的？“種子篩選是航天育種的第一步。航天器的每一克載荷資源都很寶貴，上天的種子都是精挑細(xì)選出來的，必須具備綜合性狀優(yōu)良、遺傳穩(wěn)定性一致、活力強發(fā)芽率高等特點。”劉錄祥介紹。
進(jìn)入浩瀚太空后，不是每一粒種子都能被宇宙射線擊中，也不是所有被擊中的種子都能發(fā)生基因變異，一切都是未知數(shù)。因此，并非所有上過天的種子都能成為“太空種子”。
上天只是走完航天育種“萬里長征”一小步，更多的工作還要在地面完成。種子從太空回來后，育種人員要觀察種子基因有沒有改變、有沒有往好的方向突變，并挑選出優(yōu)良突變植株進(jìn)行多代篩選、鑒定、淘汰、試種、審定，最終才能獲得具有優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、多抗等優(yōu)良性狀的新品種。
篩選培育是一個漫長的過程，奔忙于試驗田與實驗室之間是育種科研人員的工作常態(tài)。“育種人員想要培育出比較成熟的新品種，至少要花費8年到10年時間，這還是在每一個環(huán)節(jié)都順利的前提下，產(chǎn)量、抗性、品質(zhì)、市場價值等每一項檢驗都要過關(guān)，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會前功盡棄。”劉錄祥說，經(jīng)過多年選育的種子在最后一年的生產(chǎn)性測試中，如果遇到某種病害流行或者高、低溫等不利情況，不能有效抵抗，最終也會被淘汰。實踐證明，能夠一路“過五關(guān)斬六將”并被種子主管部門審定的新品種只有百分之幾甚至千分之幾。
“魯原502”是由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所和山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院原子能農(nóng)業(yè)應(yīng)用研究所合作選育的廣適高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)小麥品種，也是目前為止我國航天育種中單一品種累計推廣面積最大的農(nóng)作物品種。
“它最早是在1996年10月由我國第十七顆返回式衛(wèi)星搭載返回，經(jīng)過連年地面選擇，于2000年選出早熟抗倒伏航天突變體‘9940168’小麥，以此為母本再與濟麥19小麥雜交，2006年育成穩(wěn)定的‘魯原502’小麥，后續(xù)經(jīng)過繁殖種子和參加國家小麥品種區(qū)域試驗，于2011年通過國家品種審定，正式成為‘太空種子’。其中，航天搭載選育突變體用了4年，航天突變體雜交再選育穩(wěn)定品系用了6年，繁殖種子和參加區(qū)域試驗又用了5年時間。”劉錄祥說。
航天育種的安全性如何？針對這個問題，劉錄祥曾專門做實驗進(jìn)行驗證：“我們用專業(yè)的儀器設(shè)備，對我國第17顆返回式衛(wèi)星搭載過的小麥種子進(jìn)行連續(xù)48個小時檢測。結(jié)果顯示，與地面對照組比較，從太空返回的種子并未增加任何放射性成分。”
“航天育種在本質(zhì)上和自然界的變異相同，前者加快了變異的進(jìn)程，提高了變異的頻率，在培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)農(nóng)作物新品種，特別是重大突破性種質(zhì)材料方面有著不可替代的作用。”劉錄祥說。
國家植物航天育種工程技術(shù)研究中心主任陳志強也表示，航天育種加速了植物本身遺傳因子的進(jìn)化，產(chǎn)生更優(yōu)良的性狀；航天育種品種需經(jīng)過國家各級嚴(yán)格的比較試驗，只有更優(yōu)越的品種才能通過審定并應(yīng)用。因此，航天育種無論在遺傳還是應(yīng)用上都是安全的。
利用飛行任務(wù)開展的航天育種實驗，先后審定數(shù)百個新品種，顯著提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量品質(zhì)
“造船為建站，建站為應(yīng)用”，中國載人航天工程立項30多年來，4000余項成果廣泛應(yīng)用于國家各行各業(yè)。其中，利用飛行任務(wù)開展的航天育種實驗，先后審定數(shù)百個新品種，顯著提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量品質(zhì)。
1987年8月5日，我國第九顆返回式衛(wèi)星搭載著精挑細(xì)選的水稻、青椒、番茄等百余個品種的農(nóng)作物種子飛向太空，由此揭開了中國航天育種的序幕。返回地球后，它們被分發(fā)至各地科研機構(gòu)。經(jīng)過雜交選育，這批種子中培育出了青椒“宇椒1號”、番茄“宇番1號”等一批優(yōu)良新品種。
往后，中國持續(xù)研究和應(yīng)用航天育種技術(shù)，利用返回式衛(wèi)星、神舟飛船等航天器進(jìn)行種子搭載實驗，在空間誘變機理的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域獲得重要進(jìn)展，在種質(zhì)資源創(chuàng)新、育成品種數(shù)量、新品種產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用等方面表現(xiàn)突出，目前已處于國際領(lǐng)先水平。
2006年9月，我國“實踐八號”衛(wèi)星成功發(fā)射，這是迄今全世界唯一一顆專門用于農(nóng)業(yè)育種目的而發(fā)射的返回式衛(wèi)星，堪稱“種子專列”。劉錄祥負(fù)責(zé)“實踐八號”的主要育種工作，據(jù)介紹，該衛(wèi)星搭載了水稻、小麥、玉米、棉麻纖維、油料作物、蔬菜作物、林果花卉、微生物菌種和小雜糧等2000多種類、約208千克的種子材料和機理研究裝備，為我國育種研究工作貢獻(xiàn)了豐富資源。
時至今日，航天育種的成果早已走出實驗室、試驗田。前不久，劉錄祥在微信朋友圈里發(fā)了一條豐收喜訊：“‘航麥106’新疆奇臺農(nóng)場實收面積21.28畝，畝產(chǎn)量為812.6公斤。”
“航麥106”是由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所與新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院核技術(shù)生物技術(shù)研究所，利用航天誘變育種技術(shù)聯(lián)合選育的優(yōu)良冬小麥新品種，于2022年通過新疆維吾爾自治區(qū)品種審定。據(jù)了解，“航麥106”在2022年和2023年連續(xù)兩年在新疆實收測產(chǎn)畝產(chǎn)均超過800公斤，目前已轉(zhuǎn)讓給一家種業(yè)公司，加快產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用與推廣。
“魯原502”具有產(chǎn)量潛力高、適應(yīng)性廣、抗倒伏能力強、水分利用效率高、品質(zhì)優(yōu)良等突出優(yōu)點，在國家和山東省區(qū)試中產(chǎn)量均居第一位，分別較對照組增產(chǎn)10.16%和4.99%。“它的自身調(diào)節(jié)能力強，適應(yīng)區(qū)域廣，推廣區(qū)域覆蓋山東、安徽、河北、江蘇、山西、新疆等6個省（區(qū)），目前累計推廣面積近1億畝，2018年成為我國第二大主推小麥品種，2019年獲得國家科技進(jìn)步獎二等獎。”劉錄祥說。
種子是農(nóng)業(yè)的“芯片”，航天育種在促進(jìn)種質(zhì)資源創(chuàng)新方面大有可為
種子是農(nóng)業(yè)的“芯片”，一粒良種有如一把豐收的“鑰匙”，是確保我國糧食安全的關(guān)鍵所在。
我國是種質(zhì)資源大國，但還不是種質(zhì)資源強國，面臨具有自主知識產(chǎn)權(quán)的種質(zhì)資源匱乏等難題。航天育種作為航天技術(shù)、生物技術(shù)與農(nóng)業(yè)育種技術(shù)相結(jié)合的高科技育種新途徑，在促進(jìn)種質(zhì)資源創(chuàng)新方面大有可為。
在李榮福看來，利用航天搭載中藥材種質(zhì)材料，可以創(chuàng)制和儲備一批航天育種種質(zhì)資源，建立具備自主知識產(chǎn)權(quán)的中藥材航天育種種質(zhì)資源庫，形成高效航天育種技術(shù)，從而提升我國中藥材種業(yè)自主創(chuàng)新能力，是實現(xiàn)種業(yè)科技自立自強、種源自主可控的有效途徑。
“航天誘變新種質(zhì)突破助力育種水平提升，航天誘變新基因源共享助力行業(yè)整體水平提升，大量的航天誘變新基因成為生物育種創(chuàng)新的源頭活水，而優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)抗病新品種則有力地保障了糧食安全。”陳志強說。
2022年年底，中國空間站全面建成，進(jìn)入應(yīng)用與發(fā)展階段。神舟系列載人飛船作為空間站天地往返運輸系統(tǒng)，以平均每年兩艘的頻率實施發(fā)射，具備持續(xù)開展航天育種搭載實驗的能力。這也意味著，良種飛天將有更大的施展舞臺。
關(guān)于航天育種的發(fā)展前景，劉錄祥提出了自己的見解：“育種家可以通過開發(fā)空間輻射生物學(xué)艙外暴露裝備與技術(shù)，開展真正的太空誘變育種，構(gòu)建基于空間站的航天育種新體系。我們可以精準(zhǔn)設(shè)計和深度解析航天誘變機理，同時還可以開展航天育種關(guān)鍵技術(shù)及重大基因誘變發(fā)掘與性狀整合，開發(fā)多樣化的新品種，引領(lǐng)種業(yè)創(chuàng)新，打造‘航天生物+新業(yè)態(tài)’，助推太空經(jīng)濟發(fā)展。”
此前，中國空間站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。在空間站種水稻、種菜，這是航天育種的一種形式嗎？
“這個嚴(yán)格來說是太空栽培或者航天種植。就像在地面種植水稻、小麥品種一樣，只是在空間站存在微重力效應(yīng)，需要特殊的生長裝置。未來，我們或?qū)⒅苯釉谔臻_展育種工作。”劉錄祥說。
上天、下地，播種、收獲。隨著航天育種技術(shù)向更高質(zhì)量、更高水平邁進(jìn)，我們也會將中國種子攥得更緊，把中國飯碗端得更牢。