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载人航天助力太空育种

作者:迈其生物

来源:科学网

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8月29日,草业航天育种专题研讨会在兰州召开,中国载人航天工程办公室代表向中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所交接了新一代载人飞船试验船搭载的草类种子及公证书。新一代载人飞船试验船是中国面向空间站运营和未来载人月球探测任务全新研制的航天器,于今年5月5日由长征五号B运载火箭在文昌航天发射场发射入轨,5月8日顺利返回地面。会议期间,各方专家进行了热烈研讨,交流分享了航天育种经验和成果。

在众多新品种中,经过神舟三号飞船搭载选育的中天1号紫花苜蓿草种备受关注。中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所抗逆牧草育种与利用团队首席专家杨红善表示:“经过16年选育研究,中天1号紫花苜蓿草种已于2018年经全国草品种审定委员会审定通过,实践证明,该草种质优稳定、丰产性状突出。”

航天育种是航天技术、生物技术与农业育种技术相结合的育种新途径;利用航天器搭载生物材料在宇宙高能粒子辐射、微重力等空间环境因素的复合作用下,空间诱变产生基因组水平上的变异,返回地面后经过至少4代地面选育,筛选出携带新性状的新材料、新种质,最终培育出遗传稳定、品质优良的新品系、新品种。多年来,航天育种在中国粮食安全和生态环境建设等诸多领域做出了重要贡献,培育的小麦、水稻、玉米、南瓜、大豆、棉花和番茄、辣椒等园艺作物新品种累计种植推广面积超过240万公顷,据估算,航天育种创造直接经济规模超过2000亿元,成为快速培育作物优良品种的有效途径之一。

专家表示,经过多年的实践验证,无论是基因组水平,还是表观遗传学水平,航天育种创造出了自然界中罕见或从未出现过的新变异、新性状,丰富了种质资源的遗传多样性,产生了大量有益的新突变,创制出诸多携带有优异性状的遗传资源,对一些重要农艺性状具有突破性影响。

世界各国航天育种由来已久

事实上,航天育种空间诱变,属于物理诱变中的辐射诱变,而物理辐射诱变育种的历史甚为悠久,自1928年已有近百年。根据联合国粮农组织和国际原子能机构统计,截至目前,超过3000种作物新品种(在70余个国家,涵盖240种作物)已受到官方批准并进行商业化生产应用。

从上世纪60年代开始,美国、苏联、加拿大、日本、芬兰、澳大利亚和巴西等国家就陆续开展了空间生物学研究和航天育种实践。例如,美国“巨棉1号”抗虫棉就是经太空辐射变异获得的一个抗虫棉超高产新品种,苏联搭载的棉花和枞树早已在哈萨克斯坦大面积种植。

中国的航天育种始于上世纪80年代。最初搭载种子的目的是为了探测太空环境对植物遗传的影响。研究表明,这些上天的种子发生了一系列出人意料的变异:经历空间环境的萝卜种子幼苗茁壮,搭载上天的大蒜种子长出的蒜头竟重达150克。于是,中国航天育种的研究也逐渐步入正轨,航天育种学科得以不断发展。

中国载人航天工程自立项实施以来,中国载人航天工程办公室相继策划实施了一系列航天育种实验项目。自1999年神舟一号飞行任务开始至今,利用载人航天的独特优势以及载人飞行器的资源余量,组织开展了累计百余种、5000多份作物种子和植物材料的空间搭载诱变实验。除了农作物、林木育种领域,还搭载了空间生物类实验载荷,开展高等植物空间环境生长发育等空间生物学研究。

2011年,神舟八号飞行任务组织开展“番茄试管苗空间开花结实”实验,共搭载8株番茄蓓蕾,实现了空间环境下植物开花结果,验证了高等植物在空间环境下的开花结实的可行性。2016年发射的天宫二号空间实验室搭载开展了高等植物培养实验,替换以后中国首次进行的“从种子到种子”空间植物全生命周期培养实验,在太空环境下首次获得拟南芥开花基因启动子控制的绿色荧光蛋白实时图像,为未来建立以植物为基础的空间生命生态系统提供了有益借鉴。

航天育种成果惠及百姓生活

经过30多年的研究和应用,航天育种的成果已经悄然融入到老百姓生活的方方面面。这项技术不仅推动了农作物的改良,还将被应用在食品加工、酒类酿造、生物制药、石油开采等诸多方向,产生突出的经济效益。

中国的牧草航天育种尚处于初始阶段,主要集中于苜蓿品种的选育研究,未来尚有广阔的发展空间,目前已经成功培育出的“中天1号紫花苜蓿”、“农菁14号紫花苜蓿”等国家级、省部级牧草品种,推进了草类植物太空育种研究发展,已在全国推广种植25万亩以上。“中天1号紫花苜蓿”物种优质、丰产性状突出,干草国家区域试验每亩最高达1789.9公斤,粗蛋白质含量平均为20.8%,达到了中国苜蓿干草捆分级国家一级标准,有效解决了国内优质高产品种少、国外引进品种退化快等问题。