科学时报:“神八”诱变育种猜想

2011-11-02 08:11 来源: 科学时报
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  航天育种也称空间诱变育种、太空育种,是指利用返回式航天器和地面模拟空间环境装置,通过空间环境对植物发生诱变作用,致使种子产生变异,再通过严格的地面选育过程,获得优良的农作物品种。

  今年,中国航天育种正迎来一个高潮。随着天宫一号升空,神舟八号携带的育种诱变装置将与其交会对接,由此开启我国空间诱变育种实验平台建设的序幕。

  上海世博会上小朋友在太空家园馆太空育种厅内观看太空“花”开。背景为太空育种培育出来的“鲜花”。

  11月1日黎明,执行我国首次空间交会对接任务的神舟八号飞船顺利升空。“神八”此次对接的,是我国首个太空育种平台——天宫一号。

  农作物种子,作为我国探索太空的神秘访客之一,均出现在历次神舟系列飞船的搭载任务中。

  在传统育种遗传资源尚显不足且育种方法相对单一的情况下,航天育种已然成为保障国家粮食安全的一项重要战略选择。

  航天育种的诱变机理是什么?地面模拟因何无法取代?现代分子生物学手段在哪些方面无法企及?迄今为止,科学家对空间诱变机理尚不完全清楚。

  “神八”发射升空后,将搭载诱变装置对接天宫一号,验证科学家们的种种猜想。

空间诱变玄机几重
 

  一种杨树树种经搭载诱变,返回后又经地面培育,显现出优良的抗盐碱性能。由此科学家们猜想,其诱变机理有可能是太空环境对该树种的细胞膜蛋白通道产生了影响,致其不再吸收钠离子。

  这是空间诱变育种的一个典型例子——“意外”获得某种需要的性状,也不排除相反性状的出现。然而令科学家感到困惑的是,无论结果好与坏,这种诱变机理依然充满神秘。

  以往,通过航天器搭载升空的作物种子,经地面培育后,会显现出不同的性状:有的变大,有的变小,有的甚至变化为“零”。

  在中国空间技术研究院航天育种专家庞欣博士看来,“诱变率一般为百分之几甚至千分之几,其中有益的基因变异仅为千分之三左右”。

  在空间诱变机理研究方面,我国科学家进行了大量的研究工作。有专家认为,空间环境可引起生物基因组DNA碱基变异,造成DNA断裂和重组,因此诱发变异。

  在前不久举行的“2011年航天工程育种论坛”上,中俄航天搭载项目中方首席科学家刘敏则强调,导致种子诱变的原因可能与植物基因组中的转座子有关。转座子是一种可移动的遗传因子。

  “空间环境中什么因素可激活转座子,哪些部位的转座子易被激活,这些问题还有待探索。”刘敏在接受本报记者采访时说。

  虽然空间诱变存在诸多未解之谜,但其在育种方面的独特优势仍无法被取代。

  空间搭载实验表明,其对种子基因的诱变率5倍于地面变异。这也意味着,地面模拟只能满足空间诱变条件的一部分而已。

  “高度500千米以下的近地空间区域,是航天育种的重要活动区域。”中国农业大学资源与环境学院植物营养系主任于福同对本报记者表示。

  中国空间技术研究院研究员蔡震波在前述会议上指出,此区域存在与地球环境具有较大差异的环境要素,其中,真空、地球磁场、粒子辐射、微重力是航天育种可利用的关键的空间环境资源。

  在接受本报记者采访时,蔡震波强调,充分了解近地空间环境组成、分布、强度等基本特征,有助于掌握空间环境诱发生物种子变异的机理与规律,建立生物种子变异与空间环境之间的关联性。

 
航天育种“三部曲”
 

  有别于返回式卫星和宇宙飞船搭载——由于空间环境千变万化,因而每一次太空旅行都带有“随机性”,这使得重复实验受到局限。

  此次“神八”与“天宫”交会对接并建立空间实验室,将为我国航天育种提供长期的空间环境与稳定的实验平台,从而获得空间诱变的精确数据。

  在国家航天育种工程项目首席专家刘录祥向本报记者描述的航天育种“路线图”中,航天育种被分为搭载、进宫、外挂“三部曲”。

  “无论是放置在舱内还是置于空间实验站的种子,毕竟(被)屏蔽了很多宇宙粒子,但可以期待在不远的将来,把种子挂在空间站外面充分接受宇宙线照射将会成为现实。”刘录祥说。

  据介绍,早在1987年8月5日,中国航天科技集团公司空间技术研究院利用第9颗返回式卫星,首次成功地进行了农作物种子的太空搭载试验。

  2006年9月9日至24日,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,搭载我国与国际原子能机构以及澳大利亚、韩国的种子,成功地进行了太空遨游。

  实践八号农业育种卫星的发射,凝聚了我国科学家十几年的科学论证与研究积累,也是国家正式立项的重大科技项目。“这标志着中国育种卫星科学实验的正式开始,也预示着我国航天育种研究进入一个飞速发展的时代。”追忆中国航天育种历史,刘录祥无限感慨。

  迄今,我国已先后利用15颗返回式卫星和7艘神舟飞船,搭载了上千种作物种子、试管苗、生物菌种与材料,获得了大量产生变异的新性状品种。

  目前,我国拥有经过太空搭载的农作物共计9大类393个品系,育成并通过国家或省级鉴定的新品种达70多个。

  40年前的1971年1月31日,美国宇宙飞船阿波罗14号飞往月球。曾为森林护林人的宇航员斯图尔特·罗塞,在这次太空旅行时随身带去许多树种。

  阿波罗14号返回地球后,环绕月球接受高能粒子辐射的树种,被陆续分发到美国60多个地方种植。后来,人们称这些由太空种子长成的树木为“月亮树”。

  今天,在世界范围内,太空育种甚至成为一种超出科技比拼的时尚。

  据介绍,一直以来,发达国家基于雄厚的农业基础和较为先进的育种技术,其太空育种的主要搭载对象为香料与能源经济作物种子,而非粮食作物种子。同时,这些国家还为空间站选育出适合太空生长的蔬菜、花卉等。

  既往,美国、苏联和芬兰等国家曾先后开展航天育种实验。其中,美国搭载的是玫瑰,旨在选育玫瑰高油新品种;苏联曾搭载过棉花和枞树,如今这些作物与植物已在哈萨克斯坦大面积种植;芬兰搭载的木薯今已成为高产能源植物。

  如今,俄罗斯培育的太空棉花新品种,不仅棉绒长、断裂强度大,而且产绒率高,极大地促进了其棉花生产;加拿大科学家获该国航空局支持,已将其主要木材品种白云杉纳入航天工程育种项目……

  这一幅幅神奇的图景,在航天搭载项目科学家刘敏眼中,恰恰标志着“一个航天育种实验方兴未艾的时代的来临” 。

未来搭载条件充沛

  我国是世界上继苏联和美国之后第三个掌握卫星回收技术的国家,卫星回收成功率达到国际先进水平,这为我国航天工程育种奠定了基础。

  中国工程院院士、中国空间技术研究院技术顾问、神舟五号载人飞船总设计师戚发轫日前在接受本报记者采访时表示,随着我国空间站逐步建成,航天工程育种将拥有更多搭载机会,这为我国航天工程育种机理研究与应用开发平台建设创造了条件。

  戚发轫呼吁,应将航天工程育种纳入载人航天及空间站计划,利用空间搭载实验之机,搭建一个长期的科学试验平台,并形成长效机制。

  2010年,戚发轫与十几位航天和农业领域的知名院士、专家联名上书国务院,建议大力发展航天工程育种技术和产业,中央领导为此专门作出批示。

  今年年初,航天工程育种技术及产业被纳入我国“十二五”战略性新兴产业规划。国家相关支持政策纷纷出台,核心内容为加强航天工程育种技术研发并推进其产业化进程;形成空间搭载长效机制;推进航天育种服务现代农作物种业体系。

  1987年,在“863”计划航天项目支持下,我国利用两颗返回式卫星搭载了30多种植物种子、无性繁殖材料等生物样品。

  1988年,经“863”计划航天领域空间科学有关专家提议,我国设立了“空间条件下植物突变类型研究”的专门课题,组织有关专家探讨空间环境诱导突变的可能性及应用前景,并在空间搭载多种种子,且返回地面后进行种植、选择,从此开始了我国航天育种的研究历程。

  2008年,科技部将航天工程育种列为国家“十一五”科技支撑计划——空间环境农业应用关键技术研究与示范。

  目前,我国航天育种选育的作物品种涉及粮食作物、蔬菜、花卉、林木、经济作物、油料作物等。这些品种多数均通过国家品种审定,已取得良好的社会效益和经济效益。其中,搭载水稻DH-7较对照组提前抽穗,成熟期早于常规对照组20~25天。

  记者了解到,“十二五”期间,中国航天科技集团公司将承担百颗卫星(飞船、探测器)的发射任务。这也意味着,未来我国在航天育种方面拥有得天独厚的搭载条件,在航天工程育种研究及开发应用方面将取得新的突破。

太空育种历程

  外国

  20世纪60年代初期,苏联学者就研究和报道了空间飞行对植物种子的影响。此后,美国和德国等许多实验室对植物在空间条件下生长发育及其遗传特性的变化进行了研究。

  1984年,美国将番茄种子送上太空,逗留时间达6年之久,返回地面后经科研人员试验,获得了变异的番茄,其种子后代对人体无毒,可以食用。

  1995年,美国航天局又在北卡罗来纳州立大学建立引力生物学研究中心,重点研究植物对引力的感受和反应,以最终开发出适于太空旅行的植物。

  1996年,俄美合作首次成功在和平号空间站培育和收获了150个麦穗的墨西哥小麦。俄罗斯在太空种植小麦于1999年获得成功。

  1996年,美国布鲁斯·巴格比研究出太空矮秆小麦,株高只有40厘米,生育期只有60天,这种小麦产量高出普通小麦的3倍,有可能适合太空生长。

  美、日、西欧制定的21世纪太空计划中,将植物在密封太空舱内的生长发育引为重点,试种和培育豌豆、小麦、玉米、水稻、洋葱、兰花、郁金香等100多种植物。

  中国

  1987年,在“863”计划航天项目支持下,我国利用两颗返回式卫星搭载了30多种植物种子、无性繁殖材料等生物样品,开启航空育种试验之门。

  2006年,实践八号育种卫星成功发射。实践八号搭载了215公斤蔬菜、水果、谷物和棉花种子上天,航天育种的机理研究由此系统开展。

  1987年至2011年,中国通过返回式卫星、神舟号宇宙飞船、高空气球等工具进行了共20多次、1200多个品种的航天工程育种搭载试验。

  2011年9月,天宫一号成功升空。天宫一号搭载了普陀鹅耳枥、大树杜鹃、珙桐、望天树四种濒临灭绝的植物种子进入太空,进行航天育种。