水稻航天诱变育种探析

徐得泽　吴建平　陈宏伟

摘要阐述了航天诱变育种技术的概念与原理、国内外航天诱变育种技术的研究与应用进展及水稻航天诱变育种的意义、特点 、取得的成果,并对太空育种的客观评价、太空育种食品安全性、太空诱变育种技术开发应用前景进行探讨,以期引起湖北省水稻育种工作者的重视,加速湖北省水稻育种进程,完善湖北省水稻育种学科建设。

关键词水稻;航天诱变育种;意义;特点;应用前景

中图分类号 S511;S335 文献标识码A文章编号 1007-5739(2009)19-0066-02

“航天诱变育种”起步于20世纪60年代,目前世界上只有美国、俄罗斯和中国3个国家成功地进行了卫星搭载太空育种。我国是1987年开始将蔬菜等农作物种子搭载卫星上天的,已先后10余次利用返地卫星搭载植物种子,搭载品种1 000多种,500多个品种发生了遗传性变异,培育出了一些高产、优质、多抗的作物新品种、新品系及新种质,其中不少属于具有突破性影响的优良突变。10多年来中国在航天诱变育种方面发展迅速,取得了令人瞩目的成就。

实践证明,航天诱变育种是快速培育优良新品种的有效途径。广西、福建、浙江、江西、广东、湖南、黑龙江等省均有航天水稻品种审定并大面积推广,而湖北省水稻航天育种工作开展得较晚,没有得到湖北省育种家的足够重视。

湖北省农科院粮食作物研究所根据当前水稻育种的实际情况,结合高档优质水稻新品种选育,在实践八号卫星上搭载了4份高档优质水稻育种材料,初步展开水稻航天诱变育种。

1航天诱变育种技术的概念与原理

航天诱变育种(Space-flight mutation Breeding)又称“空间诱变育种”,它是将农作物种子或供试诱变材料搭乘返回式卫星或宇宙飞船,送到距地球200～400km的太空,利用空间宇宙射线的强辐射,在高真空、微重力和交变磁场等特殊环境中进行诱变处理,使搭载的农作物种子和材料产生有利变异,返回地面试种后继续采用常规育种技术,从中选育出农作物新品种。因此,航天诱变育种技术是将航天技术、生物技术和农作物育种技术相结合发展起来的一项崭新的育种技术。

2航天诱变育种的意义

随着科学技术和国民经济的发展,人类的生存、生产活动从最初的陆地、海洋、大气层进入地球轨道空间和外层空间,并且开始适应、研究、认识、利用和开发太空环境,这是人类文明史上的一次伟大飞跃。

优良品种是农业发展的决定性因素,对提高农作物产量、改善农作物品质具有不可替代的作用。目前,我国的绝大部分农作物新品种都是在常规条件下经过若干年的地面选育培育而成的。把航天这一最先进的技术领域与农业这一最古老的传统产业相结合,利用空间诱变技术进行农作物育种,对加快我国育种步伐、提高育种质量、探索具有中国特色的新兴育种研究领域具有十分重要的意义。

水稻是最重要的粮食作物之一,世界上有1/3以上的人口以稻米为主食。我国是世界水稻生产大国,也是稻米消费大国,水稻栽培面积占粮食作物种植面积的1/3,产量占粮食总量的近1/2。因此,水稻已成为航天育种的重点选择对象。我国通过航天育种已经育成了高产、优质、抗病的水稻新品种,这对粮食增产、农民增收都具有重要意义。

3国内外航天诱变育种技术的研究与应用进展

3.1国外航天诱变育种研究进展

国外的航天诱变育种研究起始于20世纪60年代。近年来,航天大国对农作物种子除了通过返回卫星和航天飞机进行搭载试验外,还在已建成的空间站进行了生物试验。如俄罗斯农业科学院和宇航局在“和平号”宇航站的太空温室里试种太空小麦获得成功。各航天大国通过航天诱变育种技术的研究与应用,已先后培育成功100多个农作物新品种应用于生产,不仅为航天诱变育种奠定了理论研究的基础,还为航天诱变育种技术的开发应用开辟了广阔的前景。

据不完全统计,航天大国从1957～1997年的40年间,共发射进行空间生命科学研究的卫星120颗,搭载供试农作物种子的返回式卫星有38颗(次),其中前苏联16颗(次),美国14颗(次),中国7颗(次)。

3.2我国航天诱变育种的进展

我国是世界上第3个掌握返回式卫星技术的国家,此前已发射返回式卫星22颗,成功返回21颗。1978年以来先后利用返回式卫星共进行10多次空间搭载试验,已成功培育一批高产、优质、多抗的作物新品种、新品系及新种质。我国在航天诱变育种试验研究和植物的细胞学、生理学、分子生物学的机理研究方面,已经进入世界先进行列。

2006年7月22日,国防科工委在京召开我国首颗航天育种卫星——实践八号育种卫星出厂审定会。并将于2009年9月在酒泉卫星发射中心用长征二号火箭发射升空,飞行15d后返回地面。卫星搭载9大类180组2 000余份种子材料,种子材料主要包括粮食作物、经济作物和饲料牧草作物,以及微生物菌种与分子生物学材料。

据国防科工委有关负责人介绍,实践八号航天育种卫星将利用我国成熟的返回式卫星技术和诱变遗传技术相结合,通过发射育种专用卫星装载农作物种子,进行航天育种深入研究,结合地面模拟空间环境因素试验,全面探索航天育种技术的机理、方法和理论,培育优良物种。

4水稻航天诱变育种特点

航天诱变育种方法与常规育种的方法相比,有明显的优势和特点。一是部分品种的变异频率高,变异幅度大,有益变异增多,大多数变异性状稳定较快。李源祥等对水稻选育的研究结果表明,选育2代群体单株间主要农艺、经济性状出现了强烈的广谱分离;各种性状变异均向有利和不利两相反方向突变;部分性状呈偏态向有利方向发展;有的出现了生理性变异,变异在后代不能保存下来;有的产生遗传性变异,其优异的性能可稳定地遗传下去。二是育种周期缩短。通过传统育种获得一个新品种平均需要10年左右的时间,从5～6代才开始稳定;而航天育种则只需5年左右的时间,在3～4代开始稳定。三是单株间出现一些有利的特殊突变体,这是地面上其他理化因素诱变难于获得的。例如:利用航天育种创造的能够恢复籼型雄性不育系育性的粳型育性恢复基因突变系,获得的特色米(紫色米、茶色米),均是目前利用其他地面诱变育种手段较难获得的罕见突变。

5我国水稻航天诱变育种的成果

在“十五”期间,科技部在国家“863”计划中首次将农作物航天育种技术正式立项,给予了极大的支持,使得我国航天育种技术实现了跨越式发展。由中国农业科学院航天育种中心牵头的课题组利用航天技术先后育成并审定水稻、小麦新品种12个,其中华航一号、特优航1号、Ⅱ优航1号和培杂泰丰等4个水稻新品种通过国家审定,已完成或正在参加省级以上区域试验的稻麦新品系、新组合16个。航天新品种、新组合在过去4年里累计种植面积56.7万公顷,增产粮食34万吨,创社会经济效益5亿元。

此外,湖南省娄底机电工程学校方金梁等从水稻的纯系种子搭载于返回式卫星,随卫星绕地球运行于距地面218～322km的太空,经空间微重力、高真空和强烈的宇宙射线辐射,历时15d的诱变,有利性状于SP2开始得到表达,到SP5遗传变异性状趋于稳定。变异品系与对照比较,经济性状发生明显变化,稻穗结实粒数增加,单株结实率提高,粒重增加,籽粒长宽比和剑叶增长,米质变优,蛋白质含量提高。生育期间则向感温性强与感光性强两极分化,经5代系谱选育定型,育成了2个不同生态型的高产、高蛋白水稻新品种。

6太空育种的客观评价

航天育种实际上就是物理诱变,更科学地说,就是空间辐射诱变育种。过去的农学家都采用辐射诱变育种,空间辐射只不过把地点从地面换成空间。太空辐射的剂量是变量,目前地面上还无法模拟,因而探索什么样的辐射剂量更有利,以便今后模拟,是未来的研究方向。

绝对不是一上天就都变好了,如果刚搭载回来就说获得了优良性状是不科学的。实验证明空间变异率比较高,正变异和负变异同时增多。并不是所有的都是往好里变,也有很不好的变异。变异类型里有高大强壮的,也有矮小瘦弱的、畸形和败育的。一般在第2代里变异依然存在,只有通过4代以上的培育,优秀的遗传性状才能稳定下来。

7太空育种食品安全性

辐射育种在20世纪中叶就已被广泛采用。辐射育种所用的辐射剂量只是国际食品安全辐射量的几十分之一,而航天育种在太空中的辐射剂量还不到辐射育种的1%。

航天育种是让种子在太空微重力、高真空、宇宙射线辐射等条件下诱使种子发生变异,这种变异和自然界植物的自然变异一样,只是速度和频率有所改变。这种突变只是一类基因产生与原来不同的等位基因,如高秆变矮秆,早熟变晚熟,产生的染色体突变本质上与杂交水稻育种产生的遗传、分离和重组一样,所以专家们认为不存在安全性问题。

转基因食品与航天育种食品是不一样的。太空食品其实就是宇宙射线引起基因序列的易位,没有外来基因的导入。而转基因作物是用外源基因导入植物体内而培育出的新品种,如转基因水稻是用非水稻生物甚至动物、微生物的基因导入而产生变异。我国颁布的有关转基因安全管理规定中特别排除了对自身通过突变产生的新物种的管理,这也说明太空育种食品是安全的。

8太空诱变育种技术开发应用前景

航天诱变育种具有常规育种无可比拟的优势与特点,它已成为现代农作物育种的一项高新技术,备受世界各国的重视和开发应用研究。“十五”期间,我国在北京、甘肃、云南三省、市分别建立了航天诱变育种基地,参与研究的专家50多人,取得了丰硕的研究与开发应用成果。在“十一五”期间,国家科技部将“航天育种工程”立项,进一步深化空间生命科学的研究。

在“十二五”期间,湖北省将有展开相关育种研究,希望得到省科技厅、农业厅有关主管部门的大力支持,填补湖北省水稻航天育种工作的空白,加速湖北省水稻育种进程,完善湖北省水稻育种学科建设,更好地为“三农”服务。

在未来各种农作物新品种的选育过程中,航天诱变育种新技术必将会得到更加广泛地开发研究与利用,会育成更多高产、优质、高效、多抗与多种用途的农作物新品种,满足我国现代化农业生产发展的需要。

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