種子是農(nóng)業(yè)的“芯片”，小小的種子，緊密連著“國之大者”。如今，種子不僅在田野間生根發(fā)芽，更有機(jī)會(huì)遨游太空。
4月30日，神舟十七號(hào)載人飛船返回艙在東風(fēng)著陸場成功著陸，中國空間站第六批空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)樣品也隨之順利返回。本次下行返回的科學(xué)實(shí)驗(yàn)樣品涉及23項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，總重量約31.5公斤，其中包括多種植物種子材料。在宇宙遨游歸來后，這些種子被交付科研人員用于后續(xù)研究和利用。
據(jù)悉，目前中國已進(jìn)行航天育種搭載實(shí)驗(yàn)3000余項(xiàng)，育成主糧品種240多個(gè)，蔬菜、水果、林草、花卉新品種數(shù)百個(gè)，年增產(chǎn)糧食20多億公斤，創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益逾千億元。
“天選之種”“上天”“入地”
什么是航天育種？人們?yōu)槭裁匆M(fèi)力將種子送上太空？
中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所黨委書記、國家航天育種工程首席科學(xué)家劉錄祥說：“航天育種也叫太空育種，是將種子等植物材料搭乘返回式衛(wèi)星和載人飛船等航天器進(jìn)入太空，利用空間環(huán)境的宇宙射線、微重力、高真空等綜合因素誘發(fā)種子基因變異。種子返回地面后，再選擇可遺傳的優(yōu)良變異用于培育優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)多抗植物新品種。”
與傳統(tǒng)育種技術(shù)相比，航天育種最大的優(yōu)勢在于空間誘變材料的有益變異率高、育種周期短，可在相對較短時(shí)間內(nèi)創(chuàng)制出具有高產(chǎn)、早熟、抗病等優(yōu)良性狀的種質(zhì)資源。劉錄祥說，對種子來說，太空就是一個(gè)超級(jí)實(shí)驗(yàn)室，因?yàn)樗邆淞宋⒅亓Α⑷醯卮拧?qiáng)輻射、高真空、極潔凈、超低溫等極端條件。太空誘變因素多，有可能獲得傳統(tǒng)地面誘變得不到的變異，太空誘變可以誘發(fā)多種性狀發(fā)生變異，育種家通過定向篩選可以獲得產(chǎn)量或是抗病突變基因。
航天器的每一克載荷資源都很寶貴，那么，什么樣的種子能踏上太空之旅呢？
種子篩選是航天育種的第一步。“‘上天’的種子都是精挑細(xì)選出來的，一般來說，被選中的種子要具備兩個(gè)條件：一是遺傳穩(wěn)定，二是綜合性狀好。這些種子必須活力強(qiáng)、發(fā)芽率高，這樣才能確保種子在新環(huán)境下依舊蘊(yùn)涵著無限的生機(jī)，以良好的狀態(tài)開啟這一段漫漫旅途，能夠獲得太空之旅資格的種子可謂是‘天選之種’。”中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所謝永盾研究員對本報(bào)介紹說。
進(jìn)入太空之后，種子的“奇幻漂流”才剛剛開始，不是每一粒種子都能被宇宙射線擊中，不是所有被擊中的種子都能發(fā)生基因變異，也不是所有的突變都是“有益的”。因此，從太空返回的種子只能作為基礎(chǔ)材料，再經(jīng)過地面篩選、驗(yàn)證、培育，最后通過審定的種子才能叫太空種子。
想成為合格的太空種子，不僅要能“上天”，更要“入地”。從宇宙歸來的種子還需要在地面經(jīng)過長時(shí)間的培育和檢測，進(jìn)行多輪的篩選和鑒定。在這個(gè)過程中，研究人員既會(huì)鑒定作物實(shí)際的生長變化，也會(huì)從基因?qū)用嫒z測哪些遺傳物質(zhì)產(chǎn)生了突變，然后將具有優(yōu)異性狀的新材料再進(jìn)行育種利用，讓遺傳優(yōu)勢得以延續(xù)。
總的來說，從一顆種子“上天”，到新的品種上市，往往要經(jīng)過8—10年的過程。在漫長的選育過程中，產(chǎn)量、抗性、品質(zhì)等每一項(xiàng)都要過關(guān)。任何一個(gè)環(huán)節(jié)出了問題，就可能導(dǎo)致前功盡棄。例如，經(jīng)過多年選育的種子即便是在最后一年的生產(chǎn)性測試中，如果遇到某種病害流行或者極端天氣等不利情況，不能有效抵抗的話，最終也會(huì)被淘汰。“大量的品系在試驗(yàn)的過程中被淘汰，最終留下來的通過專業(yè)機(jī)構(gòu)審定(或鑒定)的品種，才叫太空種子，比例非常小。”劉錄祥說。
審定完成后，新品種才能被推廣，作為真正的太空種子在廣袤的田野間生長，進(jìn)而在豐收后流向百姓的日常餐桌。據(jù)介紹，航天育種材料種類豐富，既有主要農(nóng)作物、經(jīng)濟(jì)作物等種子，也有不同地方特色品種和珍稀物種的種子，還有微生物菌種等。近年來，在全國航天育種協(xié)作組和航天育種產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟推動(dòng)下，一批批“希望的種子”乘著神舟飛船升空、跟著“嫦娥”航天器繞月，實(shí)現(xiàn)批量化航天育種。
碩果累累花香四溢
在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所的展廳里，一個(gè)個(gè)透明容器里盛放著各類太空種子，截至目前，該所已經(jīng)育成了“航麥247”“航麥2566”“航麥287”“航麥501”“航麥3290”“航麥802”“航麥106”“航麥818”“魯原502”等多個(gè)小麥太空品種，通過與種子企業(yè)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，產(chǎn)生了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。
“魯原502”是由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所和山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院原子能農(nóng)業(yè)應(yīng)用研究所合作選育的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)小麥品種，也是目前中國航天育種中單一品種累計(jì)推廣面積最大的農(nóng)作物品種。“‘魯原502’解決了小麥重穗型品種易倒伏的難題，已成為全國主導(dǎo)品種，累計(jì)推廣1億畝。”劉錄祥說。
還有2021年通過河北省審定的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)面條小麥品種“航麥802”，耐鹽性和綜合抗病性突出，適應(yīng)性強(qiáng)。“航麥802”還具有良好的耐遲播能力，2022年秋，在遲播一個(gè)月的情況下，它的畝產(chǎn)達(dá)到500公斤以上。經(jīng)過實(shí)踐的檢驗(yàn)，“航麥802”還展現(xiàn)出了極強(qiáng)的廣適性、耐鹽性和綜合抗病性，在高產(chǎn)的同時(shí)也保證了糧食品質(zhì)。
在安徽省阜陽市潁泉區(qū)伍明鎮(zhèn)彭莊村的田野里，放眼望去，這里種植的小麥品種中，就有“阜航麥1號(hào)”，種植的農(nóng)戶表示，整個(gè)生長周期里，麥苗抗寒性好，成穗率高，抗病性很不錯(cuò)，畝產(chǎn)收獲高，大家都很有種植的積極性。
“阜航麥1號(hào)”就是航天育種的成果。2013年初，中國載人航天工程辦公室與阜陽市達(dá)成合作，阜陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院將100克自主培育的省審小麥品種阜麥8號(hào)種子經(jīng)由神舟十號(hào)飛船搭載送入太空，進(jìn)行長達(dá)15天的太空遨游。2013年6月，種子返回地面后，阜陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院集中優(yōu)勢科研力量，進(jìn)行田間篩選與鑒定工作。經(jīng)過數(shù)年的選育、試驗(yàn)工作，2016年6月，阜陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院從眾多小麥穗系中鑒定出一個(gè)優(yōu)異品系，定名為“阜航麥1號(hào)”。2021年1月，“阜航麥1號(hào)”正式獲得安徽省農(nóng)作物新品種審定證書，成為安徽省首個(gè)利用航天誘變技術(shù)自主育成的小麥新品種。
“2023年秋種，‘阜航麥1號(hào)’在安徽、河南、江蘇累計(jì)推廣面積達(dá)40萬畝，與此同時(shí)，我們也在積極加強(qiáng)對配套高產(chǎn)栽培技術(shù)的研究，更好促進(jìn)小麥豐收。”阜陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研發(fā)中心主任馮家春對本報(bào)介紹。
除了百姓們的餐桌，太空作物早已進(jìn)入大家的日常生活，比如平日里經(jīng)常見到的鮮花，其種子就可能曾有過“飛天”的經(jīng)歷。
近日，一家名為“新航天星空實(shí)驗(yàn)室”的淘寶店鋪吸引了大家的注意，店里銷售的正是遨游過宇宙的花種。“延丹1號(hào)”球莖是首批上線的品種，其育種鮮花原型是山丹丹，原本種植于陜西延安一帶。在太空環(huán)境及其高真空、微重力及宇宙輻射等作用的影響下，一些變化悄然發(fā)生。經(jīng)過一系列選育培育工作后的花朵有了更強(qiáng)的耐受性，即便是連月的陰雨天，或是酸堿性土壤，都不會(huì)影響它綻放出艷麗的花朵，不僅如此，“延丹1號(hào)”的花期也變得更長，花香更加四溢。
如今，這一從太空歸來的鮮花品種正陸續(xù)從延安山丹丹標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)示范區(qū)“飛”入千家萬戶，上架不到2天，首批產(chǎn)品便已售罄。據(jù)悉，后續(xù)還會(huì)有新品種陸續(xù)亮相電商平臺(tái)，讓更多人體驗(yàn)到種植太空花朵的樂趣。
“從糧食作物、蔬菜水果到花卉牧草等，航天育種的一大批新品種已走入市場、走上餐桌，進(jìn)入日常生活。”劉錄祥介紹，中國先后利用各類航天器，搭載植物種子、菌種、試管苗等，從小麥、水稻、玉米、大豆、油菜、花生、棉花等主要糧棉油作物，以及番茄、辣椒、黃瓜等園藝作物中，育成和應(yīng)用了一系列新品種，在牧草、林木、花卉等領(lǐng)域也有一定規(guī)模的推廣應(yīng)用。
助推太空經(jīng)濟(jì)
從1987年中國第九顆返回式衛(wèi)星首次搭載農(nóng)作物種子飛向太空至今，中國航天育種已走過30余年。這么多年來，中國航天育種為人類豐富種質(zhì)資源和種子創(chuàng)新貢獻(xiàn)了重要智慧成果。
劉錄祥介紹，2006年9月中國“實(shí)踐八號(hào)”衛(wèi)星成功發(fā)射，是全世界第一顆專門用于農(nóng)業(yè)育種目的而發(fā)射的返回式衛(wèi)星，堪稱“種子專列”，該衛(wèi)星搭載了水稻、小麥、玉米、棉麻纖維、油料作物、蔬菜作物、林果花卉、微生物菌種和小雜糧等2000多份、200多千克的種子材料和機(jī)理研究裝備，為中國育種研究工作貢獻(xiàn)了豐富資源。
載人航天工程實(shí)施以來，歷次飛行任務(wù)都安排了農(nóng)作物種子搭載實(shí)驗(yàn)。近年來，中國在空間誘變機(jī)理機(jī)制的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域獲得重要進(jìn)展，在種質(zhì)資源創(chuàng)新、育成品種數(shù)量、新品種推廣面積等方面均有突出表現(xiàn)。
“在國際原子能機(jī)構(gòu)整個(gè)誘變育種的數(shù)據(jù)庫中，總共登錄有3400多個(gè)突變品種，其中來自中國選育出的品種大約占1/3，航天育種功不可沒。”劉錄祥說，“另外，中國十分重視國際合作交流，積極地和多個(gè)國家開展合作，通過開設(shè)培訓(xùn)班等方式，分享成功經(jīng)驗(yàn)。”
不僅如此，航天育種仍在大步向前，快速發(fā)展。
在技術(shù)層面，誘變和篩選是兩個(gè)十分重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。謝永盾談起育種技術(shù)的新突破：“比如現(xiàn)在我們要改變某個(gè)單一性狀的時(shí)候，就可以從基因型和表型等方面進(jìn)行定向篩選，但我們以前在面對一個(gè)比較寬闊的選擇面時(shí)，只能依靠概率。”
“隨著科技的發(fā)展，我們通過高通量組學(xué)技術(shù)就能夠快速發(fā)現(xiàn)有益變異位點(diǎn)，更方便地了解什么性狀發(fā)生了變化。”謝永盾說，在過去，想要知道種子在“上天”之后發(fā)生了哪些不同，還得經(jīng)過更長時(shí)間的檢驗(yàn)，在一代又一代的種植和比較下才能確認(rèn)。但現(xiàn)在，隨著篩選技術(shù)日漸成熟，種子在回歸地面后就可以先被“驗(yàn)明身份”，為后續(xù)的育種利用提前打下基礎(chǔ)。
關(guān)于航天育種的發(fā)展前景，劉錄祥認(rèn)為：“育種家可以通過開發(fā)空間輻射生物學(xué)艙外暴露裝備與技術(shù)，開展真正意義上的太空誘變育種，構(gòu)建基于空間站的航天育種新體系。我們可以精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和深度解析航天誘變機(jī)理，同時(shí)還可以開展航天育種關(guān)鍵技術(shù)及重大基因誘變發(fā)掘與性狀整合，開發(fā)多樣化的新品種，引領(lǐng)種業(yè)創(chuàng)新，打造‘航天生物+新業(yè)態(tài)’，助推太空經(jīng)濟(jì)發(fā)展。”（人民日報(bào)海外版）