航天育種

李子吉

2020年12月17日，一批40克的“航聚香絲苗”水稻種子“搭乘”嫦娥五號完成了歷時23天的地月往返征程，在深空環境下經歷空間誘變后，返回地球。經過幾個月的播種、育苗、移栽，2021年7月9日，華南農業大學試驗基地的試驗田內，和嫦娥五號一同“奔月”的這批水稻終于收獲了。

發展至今，“太空種子”早已不僅僅是試驗田里的“觀賞品”了，我國航天育種產業經歷了30多年的發展，已經取得了豐碩的成果。

創造2000億元經濟效益

所謂航天育種，準確地講叫航天誘變育種，就是利用太空的特殊環境誘使植物種子發生基因變異，進而選育植物新品種、創造農業育種材料、豐富基因資源，是一種將輻射、宇航、育種和遺傳等學科綜合起來的高新技術。

但是，航天系統工程復雜程度高、技術跨度大，每一點荷載容量都彌足珍貴。在這種“名額有限”的情況下，可以跟隨航天器進行“太空旅行”的種子也需要通過“千挑萬選”才能脫穎而出。

帶上太空的種子，必須是遺傳性穩定、綜合性狀好的種子，這樣才能保證航天育種的意義。拿這一批最近收獲的“航聚香絲苗”來說，華南農業大學國家植物航天育種工程技術研究中心副主任郭濤介紹道，科研人員對約10000個種質進行了廣泛評價，從中挑出若干性狀優良的候選搭載材料，而后進一步調研市場需求，最終才確定了“航聚香絲苗”作為嫦娥五號的搭載材料。

“奔月”水稻什么時候才能真正端上老百姓的餐桌呢？郭濤表示，從2020年11月搭載嫦娥五號“奔月”到真正成為流通于市場中的農產品，這批水稻種子要經歷種植、鑒定、比較、示范、推廣等一系列流程，預期花費3～4年的時間。

畢竟到太空經歷誘變還只是品種選育的第一步，“太空種子”既要“上得了天”也要“入得了地”。航天育種是一個完整的育種研究過程，整個研究最繁重和最重要的工作是在后續的地面上完成的。

搭載嫦娥五號的這批水稻種子目前已經完成了第一個世代的種植，很快就要進入下一步的鑒定階段。據介紹，目前收獲的第一批種子來源于2000個植株、1萬個單穗，每個植株收獲的種子會被分為三類，第一類是用來繼續種植，第二類用來進行廣泛的基因及性狀鑒定，第三類將作為種子備份進行長期保存。同時，每株水稻都會有一個ID，方便科研人員對每一個樣本進行連續的跟蹤和鑒定，溯源追查。

中國航天育種事業經過30余年發展，1987年8月，我國通過第九顆返回式科學試驗衛星成功將第一批農作物種子等生物材料送入太空，開啟了我國航天育種研究與發展的新時代。

自1999年神舟一號飛行任務開始至今，中國載人航天工程辦公室在工程歷次飛行試驗中，利用神舟飛船、空間實驗室及新一代載人飛船試驗船等飛行器的資源余量，組織開展了累計百余種、5000多份作物種子和植物材料的空間搭載誘變實驗。2021年6月，神舟十二號出征，除了3名航天員，一同出征的還有29.9克的南靖蘭花種子、15克浙江江山黃精種子。

2002年，農作物航天育種技術創新與新品種選育課題被首次列入國家“十五”863計劃，隨后國家和地方政府也加大了對農作物航天誘變育種研究的支持。“十五”期間，我國利用航天育種技術在水稻、小麥、棉花、茄果類蔬菜等作物上育成并審定了30多個新品種，航天育成的新品種開始在農業生產中應用。

博羅航天育種基地。

2006年，我國發射了首顆航天育種專業衛星——“實踐八號”，搭載了糧、棉、油、蔬菜、林果、花卉等九大類、152個品種、2020份不同種類的生物材料共計208.8千克，推動了我國航天育種研究跨越式發展。

2011年，國家發展改革委正式將航天工程育種納入《“十二五”國家戰略性新興產業發展規劃》，要求突破航天育種關鍵技術，加快開發和研制農業生物新品種，加快建設育種基地，推進育種新品種產業化發展。

據航天育種產業創新聯盟理事長梁小虹介紹，截至2020年，我國先后進行了30多次返回式衛星或載人航天的搭載，在千余種植物中培育出700余個航天育種新品系、新品種，其中通過國家或省級審定的新品種或新組合超過200個，累計種植面積1.5億畝，產業化推廣創造經濟效益2000億元以上。除糧食、蔬菜、水果、油料等農作物品種外，還創制出林草花卉、中草藥新品種和制藥、釀酒等微生物新菌種，獲得了廣泛應用和良好的社會效益。

解決種業“卡脖子”難題

那么既然同樣是誘變，航天系統工程成本又高，在地球上不能模擬太空環境進行物理誘變嗎？為什么一定要進行航天育種呢？

首先，種子是農業的“芯片”，是中國農業發展的命脈、是確保國家糧食安全的基石，對于改善農作物品質、提高農作物產量有著不可代替的作用。我國是人口大國，也是農業大國，國家統計局數據顯示，2020年我國農作物播種面積高達16748.7萬公頃;智研咨詢統計數據顯示，2020年我國種子需求量高達2063.33萬噸。

然而，雖然在我國主要農作物中大部分種子為“國產”，但玉米、馬鈴薯、大豆等農作物種子部分仍然依賴進口，高端品種的蔬菜種子也以進口為主。種質資源是種業發展的命脈，豐富的種質資源是突破種業發展“卡脖子”問題的基礎。

航天誘變育種在變異的概率等方面有著獨特的優勢，以水稻為例，它的自然變異率在二十萬分之一左右，化學誘變的變異率也只有千分之幾，而經空間誘變的水稻變異率可達百分之幾。

八一農大航天育種試驗基地。圖片|黑龍江日報

我國對新種質資源的需求十分迫切，自主知識產權的優良基因和種質資源是提升我國農作物品種選育能力的重要環節。

另外，數據積累分析發現，現階段在地面上模擬失重等太空環境下的育種效果都沒有實際太空搭載的效果好。航天育種可以在相對較短的時間內培育出優質種源，在豐富優質基因資源方面有著不可替代的作用，成為緩解我國農作物優質種質資源貧乏的有效途徑之一。

目前，利用航天育種技術培育的農作物新品種在生產中推廣應用，已經取得了明顯的社會經濟效益。山東省農業科學院原子能農業應用研究所從1994年開始，利用返回式衛星搭載創新小麥種質資源已選出一大批具有特異性狀的突變體。其中，利用航天突變體9940168和“濟麥19”進行常規雜交后系統選育出的高產小麥新品種“魯原502”，年推廣面積超過1500萬畝，累計推廣面積超1億畝，成為我國三大主推小麥品種之一。

福建培育的3個航天育種水稻品種，百畝畝產達到800公斤，其中“II優航1號”是全國首個百畝畝產突破900公斤的超級稻。華南農業大學選育的“華航1號”水稻穗大、粒多、發育期短、結實率高，比原種增產15%，畝產達500公斤以上，已推廣300多萬畝。利用空間誘變技術培育的部分水稻和小麥新材料已分別進入常規育種及雜交稻育種計劃，并為全國多家育種單位所引進和利用，對促進稻麥育種起到了重要作用。

除了水稻和小麥外，我國先后用過航天育種獲得辣椒、大豆、番茄、蓮子等多種高產優質突變體，并由此培育出許多新品種。例如，“紅龍13 號”辣椒是經過航天育種后培育出的色素椒，其色價是普通辣椒2倍左右;“航椒65F1”是國內首個三系航椒新品種，較國外同類品種產量高出33.6%;“宇番1號”相比同期市場其他番茄品種增產 50%，維生素含量增加26%;黑龍江選育出的“克山1號”大豆良種，當年測產比對照品種高出8.9%，第二年比對照品種高出11%，并有較強的綜合抗病性;江西廣昌縣白蓮研究所利用航天育種培植出了特大粒白蓮種“衛星3號”，生育期長、抗性強、花多、蓬大、結實率高、顆粒大、品質優等特點，每粒蓮子2.4克以上，比常規品種可增產60%。

推廣和應用仍步履維艱

“把種子帶上天再帶回來，作物就能豐產，果實就能變大。”

“經過太空輻射的種子種出來的糧食能吃嗎？”

“航空育種也是轉基因吧？”

“美國和俄羅斯怎么不做航天育種？是不是航天育種其實用處不大？”

即使航天育種的福利可能已經在不知不覺中滲透進千家萬戶，但時至今日，提到“太空種子”，還是有很多人會提出這些樸素的疑問。實際上，航天誘變育種后得到的種子還要經過繁重的鑒定、篩選、培育工作，優中選優，才會推廣到市場。早在1996年，國家航天育種工程首席科學家、國家農作物航天誘變技術改良中心主任劉錄祥團隊就通過檢測實驗證明了航空育種產物的安全性。

航天誘變育種在變異的概率等方面有著獨特的優勢，以水稻為例，它的自然變異率在二十萬分之一左右，化學誘變的變異率也只有千分之幾，而經空間誘變的水稻變異率可達百分之幾。

航天育種在本質上和自然界的變異相同，只不過通過空間誘變加速了變異的進程，提高了變異的頻率;轉基因則是外源基因導入到作物之中使之產生變異，二者完全不同。至于美國和俄羅斯，在20世紀60年代初，蘇聯及美國的科學家就已經開始將植物種子搭載衛星送上太空。只不過美國由于對種質資源的需求不強烈，主要聚焦探索空間條件下植物生長發育的規律，改善空間人類生存的小環境;至于俄羅斯，2014年航天工程育種就被列為中俄雙邊科技合作項目了。

航天育種的中國兜蘭和航天育苗的月季花。圖片|中國戰略新興產業雜志

答案其實并不復雜，但這些問題至今仍然存在。可見，品種選育只是航天育種項目的關鍵一步，但“太空種子”要想得到企業歡迎、農民認可、老百姓認可，還有很長的路要走。

我國航天育種起步早、成果多、發展迅速，但推廣和應用卻步履維艱，許多優良的太空種子在各地推廣中遇到了不少困難，市場問題也日漸突出。

一方面，國內航天育種知識普及力度小，人們對航天育種仍存在一定的認識誤區;另一方面，無證生產經營“太空種子”時有出現，非法購買種子包裝、冒名頂替、以次充好等現象嚴重，致使“太空種子”市場亂象紛呈。

近年來，依托國家創新驅動發展戰略，國家植物航天育種工程技術研究中心、航天育種產業聯盟等眾多科研單位在航天育種研究方面上取得豐碩成果，卻普遍在產權保護、應用推廣等方面力度不夠。同時，我國航天育種產業標準體系還不完善，在生物材料種質搭載、地面選育、品種審定、新品種銷售推廣、示范園建設等全過程和各環節均缺乏統一的標準和規范要求。這些都是我國“太空種子”市場競爭力不足的原因。

我國的航天育種雖然開始于偶然，如今卻已經成為豐富種質資源、守護糧食安全的必然。誠然，我國在育成品種的數量和推廣應用范圍處于世界第一位，空間誘變機理研究水平和航天育種技術成果在農業的推廣應用水平世界領先，但“行百里者半九十”，想要實現市場化，讓航天育種的豐碩成果真正走進千家萬戶，還要注重“品牌化”這“臨門一腳”。

◎ 來源|中國戰略新興產業雜志