天上種子“誘變” 地下種業(yè)“翻身”

郭超凱

嫦娥五號帶回的月球樣品2月22日在人民大會堂首次公開亮相，讓渴望一睹月壤真容的網(wǎng)友們大呼過癮。與此同時，與嫦娥五號相關(guān)的另一項(xiàng)科研成果同樣令人備受鼓舞。紫花苜蓿、燕麥、水稻等一系列跟隨嫦娥五號完成太空之旅的種子已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室陸續(xù)出苗發(fā)芽?？蓜e小看這批種子，它們可是肩負(fù)著打贏中國種業(yè)翻身仗的重任。

這批跟隨嫦娥五號“上天”的種子有何特別之處？中國為何要進(jìn)行航天誘變育種？搭載嫦娥五號完成太空旅行的種子，返回地球后會發(fā)生哪些神奇變化？筆者采訪相關(guān)專家，一探究竟。

哪些種子有幸“上天”？

事實(shí)上，嫦娥五號的“種子”乘客并非只有紫花苜蓿、燕麥、水稻。在嫦娥五號探測器系統(tǒng)的支持下，航天育種產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟定向征集了多家單位提供的水稻、苜蓿、燕麥、擬南芥、花卉等各類植物種子共30余種實(shí)驗(yàn)材料。

作為中國復(fù)雜度最高、技術(shù)跨度最大的航天系統(tǒng)工程，此次嫦娥五號任務(wù)從月球帶回約1731克月球樣品，這就意味著留給其他研究的載荷容量并不多。在容量有限的情況下，這些種子是如何通過層層篩選，有幸跟隨嫦娥五號“上天”的？

受訪專家指出，中國種業(yè)底子薄，一些作物種子被國外壟斷。如果要下決心把民族種業(yè)搞上去，就要加緊培育具有自主知識產(chǎn)權(quán)的優(yōu)良品種。之所以讓嫦娥五號攜帶30余種種子實(shí)驗(yàn)材料上天，正是希望通過太空的特殊環(huán)境完成深空誘變，挖掘優(yōu)異種質(zhì)資源，培育出優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、抗逆廣適、性狀突出的新品種。

為此，各單位也是“八仙過海、各顯神通”，紛紛提供“當(dāng)家好種”。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州畜牧與獸藥研究所（以下簡稱蘭州牧藥所）抗逆牧草育種與利用團(tuán)隊(duì)首席專家楊紅善告訴筆者：“每家單位搭載的種子和目的不盡相同，有些側(cè)重于基礎(chǔ)研究，有些則更側(cè)重于品種培育?！?/p>

以蘭州牧藥所提供的紫花苜蓿和燕麥種子為例，楊紅善表示，之所以選擇這兩類種子，首要原因是因?yàn)樗鼈兌际歉缓叩鞍踪|(zhì)的優(yōu)質(zhì)飼草。現(xiàn)階段，紫花苜蓿和燕麥分別是中國第一、第二大牧草，“當(dāng)前中國老百姓對肉蛋奶的需求量逐步上升，而要解決肉蛋奶需求量，首先得解決家畜的口糧問題”。

“在選定紫花苜蓿和燕麥后，我們會根據(jù)育種目標(biāo)確定要搭載的品種或新品系，對每一顆種子都精挑細(xì)選，確保發(fā)芽率在95%以上。之后再通過人工精選，使每一粒種子飽滿，不能有損傷，確保從太空返回地球之后可以正常發(fā)芽?！睏罴t善說。換言之，這些種子經(jīng)過層層篩選而確定下來的，是名副其實(shí)的“天選之種”。

楊紅善表示，目前已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室種植的少量紫花苜蓿和燕麥生長正常，科研人員正在觀測它的生長性狀，包括發(fā)芽、長勢等，大部分重要的實(shí)驗(yàn)會在3月上旬育苗，4月下旬再移栽大田。

此外，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)也是希望通過搭載嫦娥五號“上天”，選育出一批高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗、綠色的水稻新品種，滿足多元化產(chǎn)業(yè)需求，提升中國糧食安全水平。

嫦娥五號太空之旅特殊在哪？

從上世紀(jì)60年代開始，美國、前蘇聯(lián)、加拿大、日本、芬蘭、澳大利亞和巴西等國家就陸續(xù)開展航天誘變育種實(shí)驗(yàn)。中國的航天誘變育種始于20世紀(jì)80年代，經(jīng)過30多年的研究和應(yīng)用，官方通過審定的新品種超過200個?，F(xiàn)如今，航天誘變育種的成果已經(jīng)悄然融入到老百姓生活的方方面面。

在楊紅善看來，航天誘變有“三寶”，即高真空、微重力和空間射線，三方面因素共同作用可以使得種子內(nèi)部的遺傳基因發(fā)生變化。此前，中國已通過不同的神舟飛船、返回式衛(wèi)星等航天器搭載不同作物種子上天。

與以往的“上天”之旅相比，嫦娥五號任務(wù)有何特別之處？楊紅善表示，之前蘭州牧藥所曾參與過神舟八號、神舟十號、天宮一號、新一代載人飛船等7次航天搭載任務(wù)，但這些任務(wù)都屬于近地軌道。而嫦娥五號的飛行距離更遠(yuǎn)，月球與地球的平均距離約38萬公里，嫦娥五號來回飛行70多萬公里。

“與以往相比，一方面嫦娥五號飛行距離更遠(yuǎn)，另一方面其飛行過程中會遭遇范艾倫輻射帶和太陽黑子爆發(fā)，產(chǎn)生特殊的空間誘變效應(yīng)?！睏罴t善說，“深空誘變在極端環(huán)境下產(chǎn)生的變異可能會更加強(qiáng)烈一點(diǎn)，但它跟近地軌道的差異有多大，這需要我們深入進(jìn)行研究”。

航天誘變育種有何用處？

受訪專家表示，此次嫦娥五號搭載返回的牧草種子會分為三部分，一小部分用于早期實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究，大部分用在大田實(shí)驗(yàn)，剩下一小部分會作為種質(zhì)資源保存起來。

對航天誘變育種而言，搭載航天器“上天”只是第一步，更重要的是結(jié)束太空之旅后返回地面的品種選育試驗(yàn)。談及牧草品種的培育，楊紅善感慨道：“從種子搭載返回到種植實(shí)驗(yàn)，再到培育出新品種、真正推廣到市場，不同作物的育種年限不一樣。按照育種程序，培育出一個紫花苜蓿新品種大概需要12～13年時間。燕麥?zhǔn)且荒暌簧参?，培育時間會減少2～3年。”

國家植物航天育種工程技術(shù)研究中心副主任、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)教授郭濤此前亦透露，此次跟隨嫦娥五號“上天”的華農(nóng)水稻種子預(yù)計(jì)2年左右將會有第一批產(chǎn)品出現(xiàn)，系統(tǒng)全面研究完畢將耗時5～10年。

不少民眾對航天誘變育種還比較陌生，有人甚至拿它和轉(zhuǎn)基因作對比。楊紅善表示，“航天誘變育種的安全性是毋庸置疑的，因?yàn)樗莾?nèi)源基因改變，這種突變是自然界本身就存在。航天誘變只是提高了植物的突變幾率，育種后的蔬菜水果可以放心食用。”值得一提的是，2015年8月，國際空間站宇航員在太空收獲所種植的生菜后直接食用，更生動地證明了航天育種的安全性。

小種子迸發(fā)大能量

外界注意到，“十四五”規(guī)劃提出要強(qiáng)化國家戰(zhàn)略科技力量，瞄準(zhǔn)生物育種、人工智能、量子信息等前沿領(lǐng)域。2月21日公布的2021年中央一號文件也提出，打好種業(yè)翻身仗。如何讓小種子迸發(fā)大能量？受訪專家認(rèn)為，現(xiàn)階段要加緊培育具有自主知識產(chǎn)權(quán)的優(yōu)良品種，航天誘變育種是一條有效的途徑。

多年來，航天誘變育種在中國糧食安全和生態(tài)環(huán)境建設(shè)等諸多領(lǐng)域做出重要貢獻(xiàn)，培育的蔬菜、花卉、林草等植物新品種累計(jì)種植推廣面積超過240萬公頃，據(jù)估算，航天誘變育種創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)規(guī)模超過2000億元。

牧草是航天誘變育種的重要試驗(yàn)對象。目前中國已經(jīng)成功培育出“中天1號紫花苜?！薄爸熊?號紫花苜蓿”“農(nóng)菁14號紫花苜蓿”等國家、省級牧草品種，推進(jìn)了草類植物航天育種研究發(fā)展，并在全國大面積推廣種植。

這其中，“中天1號紫花苜?！笔翘m州牧藥所通過航天誘變育種推出的“拳頭產(chǎn)品”，該品種優(yōu)質(zhì)、豐產(chǎn)性狀突出，直觀表型性狀為多葉，以5葉為主（常規(guī)苜蓿為3片小葉），葉片越多，產(chǎn)量和品質(zhì)越好，干草產(chǎn)量每畝最高達(dá)1789.9公斤，粗蛋白質(zhì)含量平均為20.8%，有效解決了國內(nèi)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)品種少、國外引進(jìn)品種退化快等問題。

按照空間站建造任務(wù)規(guī)劃，今明兩年中國將接續(xù)實(shí)施11次飛行任務(wù)，于2022年完成空間站在軌建造。談及未來的航天誘變育種計(jì)劃，楊紅善表示：“如果牧草種子有條件在空間站完成種植、生長、開花和結(jié)種的全生育周期，這將和此前的航天搭載任務(wù)有著巨大區(qū)別，而且還具備很大的研究價值。這是我們作為育種家的想法，能否實(shí)現(xiàn)還要看中國空間站規(guī)劃?！?/p>

對中國育種業(yè)來說，嫦娥五號的太空之旅并非終點(diǎn)。隨嫦娥五號“上天”的各類種子在實(shí)驗(yàn)室陸續(xù)出苗發(fā)芽，而打好種業(yè)翻身仗的“種子”也在悄然“萌芽”。