新知 | 一粒“天选之种”的太空之旅

近日，2022年“中国航天日”启动仪式线上举办，今年航天日活动的主题是“航天点亮梦想”。其实，除了人类外，这些年有一批特殊的“宇航员”也跟随卫星、飞船上了太空，那就是带入太空的种子。



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神舟十一号飞船搭载的试管苗 图片来源/鹿金颖



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航天育种
航天育种，通俗的说法就是将地球上生长的农作物种子装进试管送进太空，利用太空上无法模拟的环境（宇宙磁场、高能粒子辐射、高洁净和高真空）使其产生变异，再带回地面重新种植。太空环境会让农作物内部产生结构和染色体的变化，从而培育出综合性更加优质突出的农作物新品种。


1987 年至今，中国已先后30余次利用返回式卫星、神舟飞船等航天器开展航天育种。航天育种产业创新联盟秘书长、中国空间技术研究院原航天生物总工程师赵辉已在航天搭载领域耕耘了30余年，见证了我国航天育种的起步、成长和壮大。



在赵辉看来，航天育种正是通过空间诱变育种技术“将梦想照进现实”：它能在较短的时间里，创造出目前其他育种方法难以获得的罕见突变基因资源，快速培育出突破性的优良品种，“打好种业翻身仗，小种子也可以迸发大能量”。



问究竟

带种子上天有啥用？

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到太空走上一遭，部分种子会发生脱胎换骨的变化。在基因型层面，表型产量及品质明显提升、成熟速度加快、抗病能力变强，都是种子身处复杂宇宙环境作用下可能产生的有益突变。



先“上天”再“入地”，经过筛选、杂交、鉴定形成新种质资源的过程，便是航天育种。



有人认为，航天器携带的种子进入太空围绕地球轨道转几圈，经过太空辐射、高真空、微重力等影响后，回来就会增产。其实并非如此，太空育种是个研究活动，航天器上搭载1000粒种子，可能只有10粒能真正有效果，能承担下一步的育种工作。以前，想要得到品性更加优良的作物，人们只能通过自然条件下的基因突变来进行杂交育种，有可能要经过几十年才能选育出优良种子，而经过太空育种，也许几年内就可以实现。



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图为太空生长盒（图片来源：中国科学院）



1975年，我国首颗返回式卫星顺利完成发射、回收任务，标志着我国成为世界上第三个独立掌握航天器进入太空并可控返回的国家。



在航天器设计时，工程师往往会保留一定的载荷工程余量，这些余量是弥足珍贵的空间资源，用好它，能够更好地发挥航天器效益。



1987年8月5日，我国第九颗返回式卫星搭载着精挑细选的小麦、水稻、青椒等百余个品种的农作物种子，顺利完成了首次航天育种“太空之旅”。返回地球后，它们随即被分发至各地的科研机构，再次被栽入土地。果然，种子的基因突变率和突变类型都有显著增加。经过杂交选育，科研人员陆续从这批种子中培育出了大豆“铁丰18”、棉花“鲁棉1号”等一批获得了国家发明奖的优秀新品种。这些珍贵的基因资源，在自然界中是极难获得的。



问究竟

如何成为“天选之种”？

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进入太空，航天器内部的温度通常维持在50摄氏度至零下 15 摄氏度之间，平均温度可以保持在25摄氏度，这对种子来说是个安全的温度区间。



在绝大部分情况下，航天器都有着首要飞行任务，航天育种则需要“搭车”。也正因机会难得，要想成为航空器的“乘客”，必须经过严苛的选拔。除了科研单位的项目要通过创新性、技术可行性评审，等待飞天的种子也必须通过纯度、净度、发芽率等标准的筛选。



以上次神舟十二号搭载的种子为例，以水稻、小麦、玉米为主，还有中草药种子，比如石斛，以及大豆、马铃薯，还有甜瓜、葡萄、兰花、玫瑰花等水果花卉种子，甚至还有窖泥、酒曲这样的微生菌，材料非常丰富。这些都是我们国家主要农作物和油料作物，还有不同地方的主栽特色品种和稀缺物种。因为太空舱的空间有限，有的种子甚至还要按粒数。为了搭载尽可能多的种子，使用的包装都是最简单轻薄的塑料袋和纸袋。



当然，能被选择送上天的种子，也必定是“优等生”或是“偏科生”。“优等生”想变得更优，可以送去“超前班”接受不一样的环境熏陶。而“偏科生”如果在太空把自己原有缺点的基因给突变了，也能弯道超车。但如果种子的各个性状都算不上优秀，那即便送上天去突变，也几乎不可能一下子就变成各项全能的选手。



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神舟十三号载人飞船返回舱在京完成开舱，工作人员开舱取出搭载物品。中国载人航天工程办公室供图



从1987年首次搭载种子上天，30多年间，中国通过航天育种，已筛选新材料1200多份，培育水稻、小麦、大豆、蔬菜等新品种260多个 ，年推广面积4000多万亩。



涨姿势

辐射诱变如同开“盲盒”

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辐射诱变的原理其实并不深奥，一束射线恰好击中种胚的遗传物质结构，种子内部首先会启动损伤修复机制，尝试愈合“伤口”，这便是染色体片段插入、倒位、易位等突变产生的机会。



科学家早已发现，在地球上制造辐射环境，同样能够诱导种子产生突变，为什么还要费时费力到太空走上一遭？这并不是白费工夫，太空中的环境更为复杂，经历真空、微重力、复杂磁场等宇宙环境的作用，接受太空宇宙射线的“洗礼”，种子的突变几率能得到大幅提升。更重要的是，比起经地面物理辐射的植物材料，太空种子的死亡率会大大降低。



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在中科院植物生理生态研究所实验室里拍摄的拟南芥，用于与天宫二号上种植的同一品种拟南芥进行对比研究（2018年9月14日摄）。新华社记者 张建松 摄



但在诱变过程中，种子的遗传物质为什么变、什么时候变、变成什么样，这其中存在着极大的随机性和不可控性。



这是“撞大运”吗？“其实这么说也没错。”赵辉笑道，航天诱变的过程就像是“开盲盒”，在实际培育前，谁也不清楚种子存在怎样的突变。但整体来看，在太空环境中种子可能出现的变异幅度大、突变点位多，变异的稳定性更强。



另外，并非每一个带上太空的种子，都能形成一个新品种。这批种子会经历一代一代的筛选与淘汰，以及培育和观察。至少经历三年四代，在确定各方面都无毒无害后，才能进入到大规模的种植过程。历经短则三五年、长则十余年的筛选鉴定、优中选优，最终由农作物品种审定委员会审定，“太空种子”才算得到认证。听起来这是个漫长的培育过程，但相比于常规的地面育种过程，其实已经按下了“快进键”。以前要想找到一个新的育种材料，可能要历时十年、二十年，甚至得翻山越岭寻找自然突变植株，而短短几十天为一个周期的航天发射，就能带回大量的突变材料。