从水车上的豆子到航天育种——简述人类良种选育的发展

□ 郭锐

从水车上的豆子到航天育种
——简述人类良种选育的发展

□ 郭锐

人类早期的作物良种选育科技专家总是在以各种方式主动探索、不断研究。200多年前英国的托马斯·安德鲁，出生于1759年，在不到50岁的时候就因为在园林园艺和水果蔬菜等植物的生理研究上成就卓著被封为爵士。

他为了了解为什么所有的种子在土壤中开始启动“发芽工程”后，都是根须朝下钻、茎叶往上长的原因，把一种四季豆，固定在早期英国到处可见的那种水车上了！那时欧洲的水车通常都很大，有的高达近70米。把豆子固定在水车轮子的边缘上，豆子相对于车轮是不动的，但相对于外部却是不停地转动的，一会儿向上、向右，一会儿向下、向左。而且，豆子们还都随着水车的转动具有了离心力，因而在某段路程上，也就有了那么一点点“失重”的感觉。他在世界上第一次把水车系统变成了一个“模拟微重力实验场”。

真正意义上的微重力系统，是由德国一位名叫朱利叶斯·冯·萨克斯的植物学家发明的。英国的托马斯先生去世时，朱利叶斯先生才刚刚6岁，但却已经开始痴迷于植物、真菌等的观察、研究、绘画、记录和标本收集了。与托马斯先生相似的是，两个人在这方面的研究都很扎实，成果也很多，而且都搞出了能够“搞乱”植物“方向感”的系统。具体讲，朱利叶斯的成就是建造了世界上第一台回转仪，用来消除地球对植物的重力效应。

不过，不论是托马斯，还是朱利叶斯，他们所借助或创造的“微重力系统”都是二维的，就是只能在一个平面上旋转，要么垂直，要么水平，而且转速也都不是很高，所以虽然在植物生理研究领域有了一些发现，但其成果都尚未达到广泛应用的程度。

真正的推动力是科技

到了20世纪，意大利、日本、荷兰的科学家们，都成功研制出了各自的三维回转仪，而且都是高速。有的回转仪已经非常成熟，作为商品在植物科研市场上销售了。

三维回转仪等微重力系统的发明和发展，是人类植物学家主动出击，打破亿万年来大自然对植物变异的完全“垄断”，开始干扰、影响和控制植物生长过程，甚至是基因分子层面变异变化的全新探索。

这种全新探索，并不只是对地球引力的反抗和干扰。或者说，科学家们不约而同地发现，地球从全局宏观意义上、对植物种子生长过程大规模施加影响的“武器”，除了引力，还有磁场呢！那好，那我们就再探索一下，如果让植物种子感受不到地球磁场，会发生什么样的变化吧！

几种可用于育种研究的高科技设施

▲ 中国科学院国家微重力实验室内的百米微重力落塔

中国地震局的地震观测与地球物理成像实验室零磁空间

随着现代科技的飞速发展，尤其是磁场屏蔽材料及技术的提高，科学家们能够得到一个尽可能将地球磁场和其他电磁信号屏蔽在外的小小空间环境，叫做“磁屏蔽室”。这样的磁屏蔽室，美国、荷兰、日本、芬兰和德国等国家在20多年前就已建成，并且进行了多个领域的科学实验和研究攻关。

我国也在1989年在北京的中国地震局地球物理研究所，建成第一个国家“零磁空间实验室”。虽然这个实验室的主要任务是精密仪器校正及消磁等，但也使得针对模拟脱离地球磁场情况下的生物效应研究逐步成为现实，国家攀登计划课题“零磁空间对农作物的生物遗传效应研究”等项目得以深入开展。

在此期间，先后有江西省农业科学院旱作物研究所、黑龙江省农业科学院作物育种研究所、哈尔滨师范大学生物系等科研、教学单位的专家学者，在中国地震局、地球物理研究所和零磁空间实验室等的协作下，自1999年开始，利用零磁空间环境，先后对大麦、小麦、大豆、玉米、芝麻、花生、油菜、水稻、牧草等作物种子，进行零磁空间对种子基因诱变效应及作用机理等方面的研究，取得了大量宝贵的数据资料，也为人类探索新型育种技术积累了丰富的实践经验。

此外，还有一种出现较早、一直在用的诱变育种技术，就是辐射诱变。具体讲，就是利用伽马射线、X射线、紫外线等等去照射、轰击作物种子，促发其细胞、基因等发生变化。其中用得较多的，是伽马射线，因为这种射线能量很高，波长又较短，所以具有很强的穿透能力，能够把能量直接作用到作物种子的细胞、分子层面。

中国的科学家特别是农业科技专家，对这种辐射诱变技术已经运用得非常成熟。如中国农业科学院作物科学所、湖南省原子能农业应用研究所、浙江省农业科学院作物与核技术利用研究所等单位的专家，都曾利用伽马射线辐射技术，从现代生物学效应及诱变效果系统分析的角度，对多个类别的水稻品种进行诱变实验，育成一批优质水稻新品种。这些品种，普遍表现出早熟、抗倒伏等优良性状。

此外，自1987年起，中国的科学家们就开始大规模、成系统地利用高空气球来进行诱变育种探索研究。几十年来，已经先后对水稻、小麦、大麦、玉米、油菜、棉花、谷子等重要作物种子和食用菌菌种进行了高空诱变，成功地获得了一批优良品种、品系，成为我国农作物“种子库”中的重要补充。

植物种子和菌种，为什么会在高空中出现异常变化，有些还能够将这些变异遗传给下一代呢？这是因为，当高空气球携带植物种子升到几十千米以上的高度时，所处环境的大气结构、空气温度和密度、压力、地磁等条件，所经受的宇宙射线、紫外线等的强度，都与地面有着显著的差异，必然会对种子细胞和基因产生重要影响，进而促发变异。而这，正是农业育种专家们所期望出现的。

事实上，对上述微重力、弱磁场和高空气球等几种诱变育种技术，农业育种专家们几十年来一直都在加以综合利用，目的就是进一步加强各种“非正常因素”对种子细胞和基因的影响，促发更频繁、更深刻的变异，以便得到更多更好的新品种。

但是，这很麻烦，耗时很长，很难从宏观意义上做大做强。分布在全国各地的农业科研院所、大专院校的农业育种专家，也不容易做到不论什么项目都能提前周知、统一步调、协作进行。更关键的是，像零磁空间实验室、三维回转微重力系统等场所和设备，也并非任何一个科研单位、任何一名农业专家，都能随时买得起或用得起的。我们的农业科学家，尤其是一些经济欠发达地区的育种专家，虽然责任更大，但条件却相对并不那么优越，有的甚至一直在科研上过“苦日子”和“紧日子”。所以，不能不另想办法——那种事半功倍、一箭多雕的好办法。

▲ 种子吊装进卫星

超级实验室就在天上

于是，大家就不约而同地想到了一个地方——科学家们在地面上费尽力气创造或模拟出的这样或那样的极端环境，而在那个地方这些条件却是无处不在、无时不有，同时具备、更加强大——那就是太空。

太空，它就在地球的周围，就在我们的头顶上，而且已经存在亿万年了。最近几十年来，人类逐步实现了从“航空”到“航天”的“龙门之跃”。虽然最远只是去了几趟月球，连载人飞去火星这样的“近邻”都尚未做到，但人类的“飞天”之梦，毕竟已经成为现实了。这一步，已经迈出，包括人造卫星、返回式飞船、往返式航天飞机……这些技术都已经非常成熟，这是不争的事实。

对农业育种科技来说，这一步，就已经足够了，因为育种专家们的目的就是“较短时间实现变异，拿回地面进入选育”。所以，我们所说的对育种科技最为合适的、最大最强的“超级实验室”，主要就是指当前人类各种航天器能够顺利到达、而且能够安全返回的地外空间，也就是已经离开地球大气层，但又不必跑得太高太远，距离地面几十千米到几百千米的区域。

那里，正是育种专家们梦寐以求的地方，人类科学家上百年来努力创造和模拟的、能够超越地球表面自然状态的极端环境，那里都有，全都是现成的，而且一直都有，永远都有，除非宇宙消亡。

历史比地球年龄还要久远的“太空超级实验室”、逐步成熟的航天科技，促使人类育种科技发展史上一个全新的概念横空出世，这就是“航天育种”。

所谓航天育种，目前科学家们已经给出明确的定义：航天育种又叫空间诱变育种，是指利用航天器将农作物种子、组织、器官等诱变材料送入太空，利用空间特殊环境的诱变作用,使其产生变异，再返回地面选育新种质、新材料、培育新品种的作物育种新技术。

责任编辑：夏丹

航天育种大事记

1987年，中国第九颗返回式科学试验卫星的成功发射，一批农作物种子、菌种和昆虫等地球生物被送上太空，开启了中国农作物种子首次太空之旅。

1991年，“航天效益工程”提出，航天育种被列为航天效益工程的重要项目。

1995年，农业部和中国航天等就进一步加强中国航天育种工作进行多次专门会谈、研讨，专家一致建议将航天育种工程列入国家重大科技工程计划。

2000年2月，原国家计委批复了航天育种工程项目建议书。

2003年4月，国务院批准《关于审批航天育种工程项目可行性报告的请示》，同年5月，国家发展和改革委员会、财政部、国防科工委共同下达《印发关于审批航天育种工程项目可行性研究报告的请示通知》。2005年4月，国防科工委在北京召开航天育种卫星工程第一次大总体协调会，明确了“航天育种系统工程研制总要求”各项内容，同年7月正式批准《航天育种系统工程研制总要求》，中国航天育种工程开始实施。

2006年，中国首颗以空间诱变育种为主要任务的返回式科学试验卫星——“实践八号”卫星将208.8公斤农作物种子和生物试验材料发射升空，在轨运行15天后成功返回。自此，揭开了我国航天工程育种的历史新篇章。

2007年科技部将航天工程育种列为“十五”国家863计划。

2008年农业部将航天工程育种列为国家科技支撑计划。

2011年，航天工程育种被正式列入国家“十二五”战略性新兴产业规划。

2012年，“水稻、小麦等作物航天工程育种课题”被列入国家“十二五”863计划。

2015年，空间诱变作为主要农作物诱变育种方向被列为“十三五”国家重点研发计划 “七大农作物育种”试点专项。

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转基因是另外一码事

太空种子确实发生了基因变异，但这种变异却不是转基因。

所谓转基因，是指将某种生物，比如植物甲，把它的基因中的一个或一组片段，转移到另一种完全不同的生物，比如植物乙的基因组合之中，由此创造出一个新的生物来，比如植物丙。植物丙，可能与植物甲、也可能与植物乙外形相似，但三者的基因组都不相同。

简单说，转基因就是在某种基因中引入外来基因。而太空种子所发生的基因变异，却完全是在某个种子的单体内部完成的。当种子处于微重力、弱地磁、高真空、超低温、高洁净、多变化的太空环境中，被来自四面八方的高能宇宙射线“轰击”时，其内部DNA上的基因中，会发生断裂、扭曲、重组等各种变化。

那时，种子的基因们只要没有被完全摧毁，就会仅仅发生变异而不是消亡；当种子回到地面、种入土壤，并发芽出苗、成长壮大时，它所表现的各种特征，就都是受到变异后的基因所控制的了。但是，在接受射线轰击、发生变异，再回到地面种入土壤的全过程中，每一个种子的基因变化都是“自主完成”的，没有任何一点外来基因的干涉和参与，就连跟这个种子挤在一起的其他同类种子的基因，也不可能跑过来跟它捣乱一下，除非是返回地面后的繁殖过程中，同种植株之间通过花粉传播等途径实现“自交”。

所以，太空种子只是在“变基因”，而不是在“转基因”；小麦依然是小麦，只不过变得产量更高，或者更抗倒伏；青椒依然是青椒，只不过变得个头更大，口感更佳。总之，永远不会“小麦吃出青椒味，青椒用来做面包”。

早期两位植物学家

托马斯·安德鲁（Thomas Andrew 1759-1838）英国皇家园艺学会会员，爵士。自牛津大学贝利奥尔学院毕业后，主攻园艺及水果、蔬菜等方面的植物生理学研究，获得大量突破性成果，是世界上最早利用水车来对植物种子进行“反引力”或称“微重力”促发性状变异研究的专家。

朱利叶斯·冯·萨克斯（Julius von Sachs 1832-1897）德国著名植物学家。从小就钟情于自然科学，后来专门从事植物学研究，尤其是对植物细胞、光合作用、运用微量化学方法等等均有独到发现。主持建造了世界上第一台专用回转仪，用于消除地球对植物生长的重力效应。