從水車上的豆子到航天育種
——簡述人類良種選育的發(fā)展

□ 郭銳

從水車上的豆子到航天育種
——簡述人類良種選育的發(fā)展

□ 郭銳

人類早期的作物良種選育科技專家總是在以各種方式主動探索、不斷研究。200多年前英國的托馬斯·安德魯，出生于1759年，在不到50歲的時候就因為在園林園藝和水果蔬菜等植物的生理研究上成就卓著被封為爵士。

他為了了解為什么所有的種子在土壤中開始啟動“發(fā)芽工程”后，都是根須朝下鉆、莖葉往上長的原因，把一種四季豆，固定在早期英國到處可見的那種水車上了！那時歐洲的水車通常都很大，有的高達近70米。把豆子固定在水車輪子的邊緣上，豆子相對于車輪是不動的，但相對于外部卻是不停地轉動的，一會兒向上、向右，一會兒向下、向左。而且，豆子們還都隨著水車的轉動具有了離心力，因而在某段路程上，也就有了那么一點點“失重”的感覺。他在世界上第一次把水車系統(tǒng)變成了一個“模擬微重力實驗場”。

真正意義上的微重力系統(tǒng)，是由德國一位名叫朱利葉斯·馮·薩克斯的植物學家發(fā)明的。英國的托馬斯先生去世時，朱利葉斯先生才剛剛6歲，但卻已經(jīng)開始癡迷于植物、真菌等的觀察、研究、繪畫、記錄和標本收集了。與托馬斯先生相似的是，兩個人在這方面的研究都很扎實，成果也很多，而且都搞出了能夠“搞亂”植物“方向感”的系統(tǒng)。具體講，朱利葉斯的成就是建造了世界上第一臺回轉儀，用來消除地球對植物的重力效應。

不過，不論是托馬斯，還是朱利葉斯，他們所借助或創(chuàng)造的“微重力系統(tǒng)”都是二維的，就是只能在一個平面上旋轉，要么垂直，要么水平，而且轉速也都不是很高，所以雖然在植物生理研究領域有了一些發(fā)現(xiàn)，但其成果都尚未達到廣泛應用的程度。

真正的推動力是科技

到了20世紀，意大利、日本、荷蘭的科學家們，都成功研制出了各自的三維回轉儀，而且都是高速。有的回轉儀已經(jīng)非常成熟，作為商品在植物科研市場上銷售了。

三維回轉儀等微重力系統(tǒng)的發(fā)明和發(fā)展，是人類植物學家主動出擊，打破億萬年來大自然對植物變異的完全“壟斷”，開始干擾、影響和控制植物生長過程，甚至是基因分子層面變異變化的全新探索。

這種全新探索，并不只是對地球引力的反抗和干擾。或者說，科學家們不約而同地發(fā)現(xiàn)，地球從全局宏觀意義上、對植物種子生長過程大規(guī)模施加影響的“武器”，除了引力，還有磁場呢！那好，那我們就再探索一下，如果讓植物種子感受不到地球磁場，會發(fā)生什么樣的變化吧！

幾種可用于育種研究的高科技設施

▲ 中國科學院國家微重力實驗室內的百米微重力落塔

中國地震局的地震觀測與地球物理成像實驗室零磁空間

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，尤其是磁場屏蔽材料及技術的提高，科學家們能夠得到一個盡可能將地球磁場和其他電磁信號屏蔽在外的小小空間環(huán)境，叫做“磁屏蔽室”。這樣的磁屏蔽室，美國、荷蘭、日本、芬蘭和德國等國家在20多年前就已建成，并且進行了多個領域的科學實驗和研究攻關。

我國也在1989年在北京的中國地震局地球物理研究所，建成第一個國家“零磁空間實驗室”。雖然這個實驗室的主要任務是精密儀器校正及消磁等，但也使得針對模擬脫離地球磁場情況下的生物效應研究逐步成為現(xiàn)實，國家攀登計劃課題“零磁空間對農作物的生物遺傳效應研究”等項目得以深入開展。

在此期間，先后有江西省農業(yè)科學院旱作物研究所、黑龍江省農業(yè)科學院作物育種研究所、哈爾濱師范大學生物系等科研、教學單位的專家學者，在中國地震局、地球物理研究所和零磁空間實驗室等的協(xié)作下，自1999年開始，利用零磁空間環(huán)境，先后對大麥、小麥、大豆、玉米、芝麻、花生、油菜、水稻、牧草等作物種子，進行零磁空間對種子基因誘變效應及作用機理等方面的研究，取得了大量寶貴的數(shù)據(jù)資料，也為人類探索新型育種技術積累了豐富的實踐經(jīng)驗。

此外，還有一種出現(xiàn)較早、一直在用的誘變育種技術，就是輻射誘變。具體講，就是利用伽馬射線、X射線、紫外線等等去照射、轟擊作物種子，促發(fā)其細胞、基因等發(fā)生變化。其中用得較多的，是伽馬射線，因為這種射線能量很高，波長又較短，所以具有很強的穿透能力，能夠把能量直接作用到作物種子的細胞、分子層面。

中國的科學家特別是農業(yè)科技專家，對這種輻射誘變技術已經(jīng)運用得非常成熟。如中國農業(yè)科學院作物科學所、湖南省原子能農業(yè)應用研究所、浙江省農業(yè)科學院作物與核技術利用研究所等單位的專家，都曾利用伽馬射線輻射技術，從現(xiàn)代生物學效應及誘變效果系統(tǒng)分析的角度，對多個類別的水稻品種進行誘變實驗，育成一批優(yōu)質水稻新品種。這些品種，普遍表現(xiàn)出早熟、抗倒伏等優(yōu)良性狀。

此外，自1987年起，中國的科學家們就開始大規(guī)模、成系統(tǒng)地利用高空氣球來進行誘變育種探索研究。幾十年來，已經(jīng)先后對水稻、小麥、大麥、玉米、油菜、棉花、谷子等重要作物種子和食用菌菌種進行了高空誘變，成功地獲得了一批優(yōu)良品種、品系，成為我國農作物“種子庫”中的重要補充。

植物種子和菌種，為什么會在高空中出現(xiàn)異常變化，有些還能夠將這些變異遺傳給下一代呢？這是因為，當高空氣球攜帶植物種子升到幾十千米以上的高度時，所處環(huán)境的大氣結構、空氣溫度和密度、壓力、地磁等條件，所經(jīng)受的宇宙射線、紫外線等的強度，都與地面有著顯著的差異，必然會對種子細胞和基因產(chǎn)生重要影響，進而促發(fā)變異。而這，正是農業(yè)育種專家們所期望出現(xiàn)的。

事實上，對上述微重力、弱磁場和高空氣球等幾種誘變育種技術，農業(yè)育種專家們幾十年來一直都在加以綜合利用，目的就是進一步加強各種“非正常因素”對種子細胞和基因的影響，促發(fā)更頻繁、更深刻的變異，以便得到更多更好的新品種。

但是，這很麻煩，耗時很長，很難從宏觀意義上做大做強。分布在全國各地的農業(yè)科研院所、大專院校的農業(yè)育種專家，也不容易做到不論什么項目都能提前周知、統(tǒng)一步調、協(xié)作進行。更關鍵的是，像零磁空間實驗室、三維回轉微重力系統(tǒng)等場所和設備，也并非任何一個科研單位、任何一名農業(yè)專家，都能隨時買得起或用得起的。我們的農業(yè)科學家，尤其是一些經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)的育種專家，雖然責任更大，但條件卻相對并不那么優(yōu)越，有的甚至一直在科研上過“苦日子”和“緊日子”。所以，不能不另想辦法——那種事半功倍、一箭多雕的好辦法。

▲ 種子吊裝進衛(wèi)星

超級實驗室就在天上

于是，大家就不約而同地想到了一個地方——科學家們在地面上費盡力氣創(chuàng)造或模擬出的這樣或那樣的極端環(huán)境，而在那個地方這些條件卻是無處不在、無時不有，同時具備、更加強大——那就是太空。

太空，它就在地球的周圍，就在我們的頭頂上，而且已經(jīng)存在億萬年了。最近幾十年來，人類逐步實現(xiàn)了從“航空”到“航天”的“龍門之躍”。雖然最遠只是去了幾趟月球，連載人飛去火星這樣的“近鄰”都尚未做到，但人類的“飛天”之夢，畢竟已經(jīng)成為現(xiàn)實了。這一步，已經(jīng)邁出，包括人造衛(wèi)星、返回式飛船、往返式航天飛機……這些技術都已經(jīng)非常成熟，這是不爭的事實。

對農業(yè)育種科技來說，這一步，就已經(jīng)足夠了，因為育種專家們的目的就是“較短時間實現(xiàn)變異，拿回地面進入選育”。所以，我們所說的對育種科技最為合適的、最大最強的“超級實驗室”，主要就是指當前人類各種航天器能夠順利到達、而且能夠安全返回的地外空間，也就是已經(jīng)離開地球大氣層，但又不必跑得太高太遠，距離地面幾十千米到幾百千米的區(qū)域。

那里，正是育種專家們夢寐以求的地方，人類科學家上百年來努力創(chuàng)造和模擬的、能夠超越地球表面自然狀態(tài)的極端環(huán)境，那里都有，全都是現(xiàn)成的，而且一直都有，永遠都有，除非宇宙消亡。

歷史比地球年齡還要久遠的“太空超級實驗室”、逐步成熟的航天科技，促使人類育種科技發(fā)展史上一個全新的概念橫空出世，這就是“航天育種”。

所謂航天育種，目前科學家們已經(jīng)給出明確的定義：航天育種又叫空間誘變育種，是指利用航天器將農作物種子、組織、器官等誘變材料送入太空，利用空間特殊環(huán)境的誘變作用,使其產(chǎn)生變異，再返回地面選育新種質、新材料、培育新品種的作物育種新技術。

責任編輯：夏丹

航天育種大事記

1987年，中國第九顆返回式科學試驗衛(wèi)星的成功發(fā)射，一批農作物種子、菌種和昆蟲等地球生物被送上太空，開啟了中國農作物種子首次太空之旅。

1991年，“航天效益工程”提出，航天育種被列為航天效益工程的重要項目。

1995年，農業(yè)部和中國航天等就進一步加強中國航天育種工作進行多次專門會談、研討，專家一致建議將航天育種工程列入國家重大科技工程計劃。

2000年2月，原國家計委批復了航天育種工程項目建議書。

2003年4月，國務院批準《關于審批航天育種工程項目可行性報告的請示》，同年5月，國家發(fā)展和改革委員會、財政部、國防科工委共同下達《印發(fā)關于審批航天育種工程項目可行性研究報告的請示通知》。2005年4月，國防科工委在北京召開航天育種衛(wèi)星工程第一次大總體協(xié)調會，明確了“航天育種系統(tǒng)工程研制總要求”各項內容，同年7月正式批準《航天育種系統(tǒng)工程研制總要求》，中國航天育種工程開始實施。

2006年，中國首顆以空間誘變育種為主要任務的返回式科學試驗衛(wèi)星——“實踐八號”衛(wèi)星將208.8公斤農作物種子和生物試驗材料發(fā)射升空，在軌運行15天后成功返回。自此，揭開了我國航天工程育種的歷史新篇章。

2007年科技部將航天工程育種列為“十五”國家863計劃。

2008年農業(yè)部將航天工程育種列為國家科技支撐計劃。

2011年，航天工程育種被正式列入國家“十二五”戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃。

2012年，“水稻、小麥等作物航天工程育種課題”被列入國家“十二五”863計劃。

2015年，空間誘變作為主要農作物誘變育種方向被列為“十三五”國家重點研發(fā)計劃 “七大農作物育種”試點專項。

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轉基因是另外一碼事

太空種子確實發(fā)生了基因變異，但這種變異卻不是轉基因。

所謂轉基因，是指將某種生物，比如植物甲，把它的基因中的一個或一組片段，轉移到另一種完全不同的生物，比如植物乙的基因組合之中，由此創(chuàng)造出一個新的生物來，比如植物丙。植物丙，可能與植物甲、也可能與植物乙外形相似，但三者的基因組都不相同。

簡單說，轉基因就是在某種基因中引入外來基因。而太空種子所發(fā)生的基因變異，卻完全是在某個種子的單體內部完成的。當種子處于微重力、弱地磁、高真空、超低溫、高潔凈、多變化的太空環(huán)境中，被來自四面八方的高能宇宙射線“轟擊”時，其內部DNA上的基因中，會發(fā)生斷裂、扭曲、重組等各種變化。

那時，種子的基因們只要沒有被完全摧毀，就會僅僅發(fā)生變異而不是消亡；當種子回到地面、種入土壤，并發(fā)芽出苗、成長壯大時，它所表現(xiàn)的各種特征，就都是受到變異后的基因所控制的了。但是，在接受射線轟擊、發(fā)生變異，再回到地面種入土壤的全過程中，每一個種子的基因變化都是“自主完成”的，沒有任何一點外來基因的干涉和參與，就連跟這個種子擠在一起的其他同類種子的基因，也不可能跑過來跟它搗亂一下，除非是返回地面后的繁殖過程中，同種植株之間通過花粉傳播等途徑實現(xiàn)“自交”。

所以，太空種子只是在“變基因”，而不是在“轉基因”；小麥依然是小麥，只不過變得產(chǎn)量更高，或者更抗倒伏；青椒依然是青椒，只不過變得個頭更大，口感更佳。總之，永遠不會“小麥吃出青椒味，青椒用來做面包”。

早期兩位植物學家

托馬斯·安德魯（Thomas Andrew 1759-1838）英國皇家園藝學會會員，爵士。自牛津大學貝利奧爾學院畢業(yè)后，主攻園藝及水果、蔬菜等方面的植物生理學研究，獲得大量突破性成果，是世界上最早利用水車來對植物種子進行“反引力”或稱“微重力”促發(fā)性狀變異研究的專家。

朱利葉斯·馮·薩克斯（Julius von Sachs 1832-1897）德國著名植物學家。從小就鐘情于自然科學，后來專門從事植物學研究，尤其是對植物細胞、光合作用、運用微量化學方法等等均有獨到發(fā)現(xiàn)。主持建造了世界上第一臺專用回轉儀，用于消除地球對植物生長的重力效應。