水稻航天誘變育種探析

徐得澤　吳建平　陳宏偉

摘要闡述了航天誘變育種技術(shù)的概念與原理、國內(nèi)外航天誘變育種技術(shù)的研究與應(yīng)用進(jìn)展及水稻航天誘變育種的意義、特點(diǎn) 、取得的成果,并對太空育種的客觀評價、太空育種食品安全性、太空誘變育種技術(shù)開發(fā)應(yīng)用前景進(jìn)行探討,以期引起湖北省水稻育種工作者的重視,加速湖北省水稻育種進(jìn)程,完善湖北省水稻育種學(xué)科建設(shè)。

關(guān)鍵詞水稻;航天誘變育種;意義;特點(diǎn);應(yīng)用前景

中圖分類號 S511;S335 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號 1007-5739(2009)19-0066-02

“航天誘變育種”起步于20世紀(jì)60年代,目前世界上只有美國、俄羅斯和中國3個國家成功地進(jìn)行了衛(wèi)星搭載太空育種。我國是1987年開始將蔬菜等農(nóng)作物種子搭載衛(wèi)星上天的,已先后10余次利用返地衛(wèi)星搭載植物種子,搭載品種1 000多種,500多個品種發(fā)生了遺傳性變異,培育出了一些高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗的作物新品種、新品系及新種質(zhì),其中不少屬于具有突破性影響的優(yōu)良突變。10多年來中國在航天誘變育種方面發(fā)展迅速,取得了令人矚目的成就。

實(shí)踐證明,航天誘變育種是快速培育優(yōu)良新品種的有效途徑。廣西、福建、浙江、江西、廣東、湖南、黑龍江等省均有航天水稻品種審定并大面積推廣,而湖北省水稻航天育種工作開展得較晚,沒有得到湖北省育種家的足夠重視。

湖北省農(nóng)科院糧食作物研究所根據(jù)當(dāng)前水稻育種的實(shí)際情況,結(jié)合高檔優(yōu)質(zhì)水稻新品種選育,在實(shí)踐八號衛(wèi)星上搭載了4份高檔優(yōu)質(zhì)水稻育種材料,初步展開水稻航天誘變育種。

1航天誘變育種技術(shù)的概念與原理

航天誘變育種(Space-flight mutation Breeding)又稱“空間誘變育種”,它是將農(nóng)作物種子或供試誘變材料搭乘返回式衛(wèi)星或宇宙飛船,送到距地球200～400km的太空,利用空間宇宙射線的強(qiáng)輻射,在高真空、微重力和交變磁場等特殊環(huán)境中進(jìn)行誘變處理,使搭載的農(nóng)作物種子和材料產(chǎn)生有利變異,返回地面試種后繼續(xù)采用常規(guī)育種技術(shù),從中選育出農(nóng)作物新品種。因此,航天誘變育種技術(shù)是將航天技術(shù)、生物技術(shù)和農(nóng)作物育種技術(shù)相結(jié)合發(fā)展起來的一項嶄新的育種技術(shù)。

2航天誘變育種的意義

隨著科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人類的生存、生產(chǎn)活動從最初的陸地、海洋、大氣層進(jìn)入地球軌道空間和外層空間,并且開始適應(yīng)、研究、認(rèn)識、利用和開發(fā)太空環(huán)境,這是人類文明史上的一次偉大飛躍。

優(yōu)良品種是農(nóng)業(yè)發(fā)展的決定性因素,對提高農(nóng)作物產(chǎn)量、改善農(nóng)作物品質(zhì)具有不可替代的作用。目前,我國的絕大部分農(nóng)作物新品種都是在常規(guī)條件下經(jīng)過若干年的地面選育培育而成的。把航天這一最先進(jìn)的技術(shù)領(lǐng)域與農(nóng)業(yè)這一最古老的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)相結(jié)合,利用空間誘變技術(shù)進(jìn)行農(nóng)作物育種,對加快我國育種步伐、提高育種質(zhì)量、探索具有中國特色的新興育種研究領(lǐng)域具有十分重要的意義。

水稻是最重要的糧食作物之一,世界上有1/3以上的人口以稻米為主食。我國是世界水稻生產(chǎn)大國,也是稻米消費(fèi)大國,水稻栽培面積占糧食作物種植面積的1/3,產(chǎn)量占糧食總量的近1/2。因此,水稻已成為航天育種的重點(diǎn)選擇對象。我國通過航天育種已經(jīng)育成了高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病的水稻新品種,這對糧食增產(chǎn)、農(nóng)民增收都具有重要意義。

3國內(nèi)外航天誘變育種技術(shù)的研究與應(yīng)用進(jìn)展

3.1國外航天誘變育種研究進(jìn)展

國外的航天誘變育種研究起始于20世紀(jì)60年代。近年來,航天大國對農(nóng)作物種子除了通過返回衛(wèi)星和航天飛機(jī)進(jìn)行搭載試驗(yàn)外,還在已建成的空間站進(jìn)行了生物試驗(yàn)。如俄羅斯農(nóng)業(yè)科學(xué)院和宇航局在“和平號”宇航站的太空溫室里試種太空小麥獲得成功。各航天大國通過航天誘變育種技術(shù)的研究與應(yīng)用,已先后培育成功100多個農(nóng)作物新品種應(yīng)用于生產(chǎn),不僅為航天誘變育種奠定了理論研究的基礎(chǔ),還為航天誘變育種技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用開辟了廣闊的前景。

據(jù)不完全統(tǒng)計,航天大國從1957～1997年的40年間,共發(fā)射進(jìn)行空間生命科學(xué)研究的衛(wèi)星120顆,搭載供試農(nóng)作物種子的返回式衛(wèi)星有38顆(次),其中前蘇聯(lián)16顆(次),美國14顆(次),中國7顆(次)。

3.2我國航天誘變育種的進(jìn)展

我國是世界上第3個掌握返回式衛(wèi)星技術(shù)的國家,此前已發(fā)射返回式衛(wèi)星22顆,成功返回21顆。1978年以來先后利用返回式衛(wèi)星共進(jìn)行10多次空間搭載試驗(yàn),已成功培育一批高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗的作物新品種、新品系及新種質(zhì)。我國在航天誘變育種試驗(yàn)研究和植物的細(xì)胞學(xué)、生理學(xué)、分子生物學(xué)的機(jī)理研究方面,已經(jīng)進(jìn)入世界先進(jìn)行列。

2006年7月22日,國防科工委在京召開我國首顆航天育種衛(wèi)星——實(shí)踐八號育種衛(wèi)星出廠審定會。并將于2009年9月在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號火箭發(fā)射升空,飛行15d后返回地面。衛(wèi)星搭載9大類180組2 000余份種子材料,種子材料主要包括糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物和飼料牧草作物,以及微生物菌種與分子生物學(xué)材料。

據(jù)國防科工委有關(guān)負(fù)責(zé)人介紹,實(shí)踐八號航天育種衛(wèi)星將利用我國成熟的返回式衛(wèi)星技術(shù)和誘變遺傳技術(shù)相結(jié)合,通過發(fā)射育種專用衛(wèi)星裝載農(nóng)作物種子,進(jìn)行航天育種深入研究,結(jié)合地面模擬空間環(huán)境因素試驗(yàn),全面探索航天育種技術(shù)的機(jī)理、方法和理論,培育優(yōu)良物種。

4水稻航天誘變育種特點(diǎn)

航天誘變育種方法與常規(guī)育種的方法相比,有明顯的優(yōu)勢和特點(diǎn)。一是部分品種的變異頻率高,變異幅度大,有益變異增多,大多數(shù)變異性狀穩(wěn)定較快。李源祥等對水稻選育的研究結(jié)果表明,選育2代群體單株間主要農(nóng)藝、經(jīng)濟(jì)性狀出現(xiàn)了強(qiáng)烈的廣譜分離;各種性狀變異均向有利和不利兩相反方向突變;部分性狀呈偏態(tài)向有利方向發(fā)展;有的出現(xiàn)了生理性變異,變異在后代不能保存下來;有的產(chǎn)生遺傳性變異,其優(yōu)異的性能可穩(wěn)定地遺傳下去。二是育種周期縮短。通過傳統(tǒng)育種獲得一個新品種平均需要10年左右的時間,從5～6代才開始穩(wěn)定;而航天育種則只需5年左右的時間,在3～4代開始穩(wěn)定。三是單株間出現(xiàn)一些有利的特殊突變體,這是地面上其他理化因素誘變難于獲得的。例如:利用航天育種創(chuàng)造的能夠恢復(fù)秈型雄性不育系育性的粳型育性恢復(fù)基因突變系,獲得的特色米(紫色米、茶色米),均是目前利用其他地面誘變育種手段較難獲得的罕見突變。

5我國水稻航天誘變育種的成果

在“十五”期間,科技部在國家“863”計劃中首次將農(nóng)作物航天育種技術(shù)正式立項,給予了極大的支持,使得我國航天育種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展。由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院航天育種中心牽頭的課題組利用航天技術(shù)先后育成并審定水稻、小麥新品種12個,其中華航一號、特優(yōu)航1號、Ⅱ優(yōu)航1號和培雜泰豐等4個水稻新品種通過國家審定,已完成或正在參加省級以上區(qū)域試驗(yàn)的稻麥新品系、新組合16個。航天新品種、新組合在過去4年里累計種植面積56.7萬公頃,增產(chǎn)糧食34萬噸,創(chuàng)社會經(jīng)濟(jì)效益5億元。

此外,湖南省婁底機(jī)電工程學(xué)校方金梁等從水稻的純系種子搭載于返回式衛(wèi)星,隨衛(wèi)星繞地球運(yùn)行于距地面218～322km的太空,經(jīng)空間微重力、高真空和強(qiáng)烈的宇宙射線輻射,歷時15d的誘變,有利性狀于SP2開始得到表達(dá),到SP5遺傳變異性狀趨于穩(wěn)定。變異品系與對照比較,經(jīng)濟(jì)性狀發(fā)生明顯變化,稻穗結(jié)實(shí)粒數(shù)增加,單株結(jié)實(shí)率提高,粒重增加,籽粒長寬比和劍葉增長,米質(zhì)變優(yōu),蛋白質(zhì)含量提高。生育期間則向感溫性強(qiáng)與感光性強(qiáng)兩極分化,經(jīng)5代系譜選育定型,育成了2個不同生態(tài)型的高產(chǎn)、高蛋白水稻新品種。

6太空育種的客觀評價

航天育種實(shí)際上就是物理誘變,更科學(xué)地說,就是空間輻射誘變育種。過去的農(nóng)學(xué)家都采用輻射誘變育種,空間輻射只不過把地點(diǎn)從地面換成空間。太空輻射的劑量是變量,目前地面上還無法模擬,因而探索什么樣的輻射劑量更有利,以便今后模擬,是未來的研究方向。

絕對不是一上天就都變好了,如果剛搭載回來就說獲得了優(yōu)良性狀是不科學(xué)的。實(shí)驗(yàn)證明空間變異率比較高,正變異和負(fù)變異同時增多。并不是所有的都是往好里變,也有很不好的變異。變異類型里有高大強(qiáng)壯的,也有矮小瘦弱的、畸形和敗育的。一般在第2代里變異依然存在,只有通過4代以上的培育,優(yōu)秀的遺傳性狀才能穩(wěn)定下來。

7太空育種食品安全性

輻射育種在20世紀(jì)中葉就已被廣泛采用。輻射育種所用的輻射劑量只是國際食品安全輻射量的幾十分之一,而航天育種在太空中的輻射劑量還不到輻射育種的1%。

航天育種是讓種子在太空微重力、高真空、宇宙射線輻射等條件下誘使種子發(fā)生變異,這種變異和自然界植物的自然變異一樣,只是速度和頻率有所改變。這種突變只是一類基因產(chǎn)生與原來不同的等位基因,如高稈變矮稈,早熟變晚熟,產(chǎn)生的染色體突變本質(zhì)上與雜交水稻育種產(chǎn)生的遺傳、分離和重組一樣,所以專家們認(rèn)為不存在安全性問題。

轉(zhuǎn)基因食品與航天育種食品是不一樣的。太空食品其實(shí)就是宇宙射線引起基因序列的易位,沒有外來基因的導(dǎo)入。而轉(zhuǎn)基因作物是用外源基因?qū)胫参矬w內(nèi)而培育出的新品種,如轉(zhuǎn)基因水稻是用非水稻生物甚至動物、微生物的基因?qū)攵a(chǎn)生變異。我國頒布的有關(guān)轉(zhuǎn)基因安全管理規(guī)定中特別排除了對自身通過突變產(chǎn)生的新物種的管理,這也說明太空育種食品是安全的。

8太空誘變育種技術(shù)開發(fā)應(yīng)用前景

航天誘變育種具有常規(guī)育種無可比擬的優(yōu)勢與特點(diǎn),它已成為現(xiàn)代農(nóng)作物育種的一項高新技術(shù),備受世界各國的重視和開發(fā)應(yīng)用研究?！笆濉逼陂g,我國在北京、甘肅、云南三省、市分別建立了航天誘變育種基地,參與研究的專家50多人,取得了豐碩的研究與開發(fā)應(yīng)用成果。在“十一五”期間,國家科技部將“航天育種工程”立項,進(jìn)一步深化空間生命科學(xué)的研究。

在“十二五”期間,湖北省將有展開相關(guān)育種研究,希望得到省科技廳、農(nóng)業(yè)廳有關(guān)主管部門的大力支持,填補(bǔ)湖北省水稻航天育種工作的空白,加速湖北省水稻育種進(jìn)程,完善湖北省水稻育種學(xué)科建設(shè),更好地為“三農(nóng)”服務(wù)。

在未來各種農(nóng)作物新品種的選育過程中,航天誘變育種新技術(shù)必將會得到更加廣泛地開發(fā)研究與利用,會育成更多高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、多抗與多種用途的農(nóng)作物新品種,滿足我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。

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