浅谈我国航天育种发展的现状

文| 朱建宁 王思涵 荆鑫 鹿金颖 陈瑜

航天神舟生物科技集团有限公司

一、我国航天育种发展概述

航天育种，是指将植物种子或其他植物诱变材料搭载在可返回式航天器上，使其在航天器发射到返回地面整个飞行过程经历太空中复杂的综合环境（微重力、高真空、强离子辐射、弱磁场等），导致诱变材料中的可遗传物质被迫发生变异，再通过地面育种手段进行地面选育，从而获得具有稳定遗传特性的优良品种。这是我国农业科研人员利用航天、生物、遗传等综合科学技术发展起来的育种技术新方法。

多年实践证明，航天育种技术较传统诱变育种可以产生较高变异率、大幅提升育种效率、缩短育种周期，对生物体的生理和遗传性状具有强烈影响。航天育种开辟了一个连接太空和地面、未来与现实的全新领域，定期发射和返回、舱内外的空间诱变环境、更多的重要载荷，必将为育种研究提供更加丰富的航天资源和保障，必将创制出更多的新材料、新种质、新资源，从而为我国解决种源“卡脖子”问题，实现种业科技自立自强、种源自主可控更好地发挥作用。

二、航天育种的搭载方式

在国家“863”计划和载人航天工程的支持下，我国早期最先利用高空气球、返回式卫星等空间飞行器开展航天育种诱变研究。随着中国空间站的建造实施，我国开始利用神舟飞船、天宫空间实验室、嫦娥月球探测器等空间飞行器为航天育种研究提供了更多新的环境。

1.返回式卫星

1987 年8 月，我国第九颗返回式科学卫星首次将一批水稻、青椒等种子材料送入太空。同年，也进行了多次高空气球搭载甜椒、香蕉、樱桃等农作物种子，飞行高度在海拔30 ～40km，-60℃的环境下持续飞行2 ～10h，且受到强烈的紫外线辐射和宇宙线辐射。

2006 年，我国的农作物种子首次拥有了太空专属“座驾”——实践八号返回式卫星，这也是我国首颗专门服务于农业科技、应用于航天育种的科学试验卫星，其中搭载了粮、棉、花卉等9 大类2000多份200 多千克种子材料。

2.神舟飞船

从1999 年11 月神舟一号发射成功至今，神舟系列飞船数次为航天育种的研究提供机会。从神舟十六号载人飞船开始，中国载人航天工程办公室向社会公开征集航天育种搭载实验项目，种类涵盖农作物、林草、花卉、药用植物、微生物等，利用工程载荷余量组织开展航天育种搭载实验。

3.空间实验室

空间实验室为航天育种提供丰富的试验环境和有力的技术支持，为空间站在轨飞行条件下辐射生物效应的研究开辟了重要的科研平台。天宫一号空间实验室上，搭载了中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所提供的燕麦、紫花苜蓿。天宫二号空间实验室上，完成了我国首次高等植物“从种子到种子”的空间长周期培养实验。

4.深空探测器

嫦娥五号月球探测器上，搭载了包括中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所、华南农业大学、大连海事大学在内的科研院所提供的水稻、苜蓿、燕麦、拟南芥等各类林木和花卉种子30 余种试验材料，这是首次由深空探测器开展航天育种搭载实验。

随着我国稳步迈进“空间站时代”，我国航天育种研究迎来了全新的发展机遇。未来我国将利用空间站继续开展空间科学研究，包括航天育种在内的各类研究和成果必将更多惠及普通百姓生活。

三、航天育种试验研究及选育方式

航天育种也属于诱变育种的方式之一，其试验研究程序及选育方式本质上与诱变育种无较大差别。航天育种试验研究程序可分为两大类，分别为种子繁殖植物和无性繁殖植物。

1.种子繁殖植物

一般是对种子进行搭载处理，回收后进行地面种植、观察和选育。种子繁殖植物按花器结构与授粉方式的不同，可划分为自花授粉植物和异花授粉植物两类。

（1）自花授粉植物

以水稻和小麦为例，种子经过航天搭载回收后，应和地面对照种子同时播种，SP1代（卫星回收后当代，即第一代）种植时适当隔离以防止发生机械混杂或不同品种间自然杂交。经空间搭载的SP1代植物会表现出一定程度的生理损伤，研究人员应及时观察和记录，重点观察的项目有：出芽率、株高、分蘖成穗率、抽穗开花期、育性、结实率、形态畸变等。对SP1代已发生的变异，SP2代（第二代）应种成株系。一般SP2代会出现多种多样的变异，应根据种质资源创制目标确定观察重点，应尽量排除性状反常、严重畸变、高度不育的植株。SP2代选出的单株种植后，选择其中优异单株若干，分株混收后转入SP4代的产量预备试验和特性鉴定试验，根据SP4代试验结果优胜劣汰，筛选品种稳定株系种植，再行决选。对已选择出的稳定株系，应在SP4代或其后代后有3 次重复的测产试验并对其农艺性状进行观察分析。SP5进行区域试验及大田示范，为后期品种鉴定做好准备。

（2）异花授粉植物

以玉米为例，异花授粉植物突变的性状必须通过连续的人工自交才能分离出纯和的突变体。SP1代一般单粒点播，不需设置隔离区。选择生长正常并表现优良的单株进行人工套袋授粉，入选优穗脱粒后，供作SP2代播种材料。SP2代和SP3代一般采用自交分离和系谱选择的方法，每穗种子播种一个穗行。根据玉米突变育种实践经验，玉米SP3代基本趋于稳定，筛选后留1/4 ～1/5 穗行的自交穗供第二年继续选育。在SP3代为测定诱变后代的配合力而配置的测交种，SP4代应设置测交种比较实验。选择几个在生产上和育种上常用的骨干系与突变自交系进行测配，组配成新的杂交组合，并进行新组合比较试验。最后选出的最优良的组合参加玉米杂交种区域试验、栽培试验和生产试验，后经品种管理部门审定后即可在生产上推广应用。

2.无性繁殖植物

无性繁殖植物进行航天育种一般是对植物组织培养物、植物枝条（接穗或插条）、块根、块茎等材料进行搭载处理，回收后进行地面种植、观察和选育。其中以植物组织培养物搭载较多。

许多林木、木本观赏植物以及草本观赏植物都可以选用不同组织培养物作为航天搭载材料。将植物的茎尖或茎段接种于培养基上进行航天搭载，回收后搭载的芽长成的初生嫩梢为VSP1。将嫩梢切割后继代培养再次长成的嫩梢为VSP2，重复此步骤可得VSP3。待此嫩梢长至3 ～4cm 即可转移至生根培养基中，生根后移栽于温室或田间。第二年，对移栽于温室或田间的植株进行性状观察，筛选优良变异株。第三年，继续对优良突变体无性繁殖，并鉴定突变的稳定性。第四年，通过鉴定的植株可申请新品种。

四、航天育种代表成果

自1987 年以来，我国航天和育种专家利用返回式卫星、高空气球以及神舟飞船等空间飞行器搭载生物材料，进行空间诱变育种研究。在粮食作物（小麦、水稻、玉米、谷子）、经济作物（棉花、大豆、芝麻）、蔬菜作物（番茄、辣椒、茄子、瓜类、豇豆、白莲）、果树（香蕉、树莓、葡萄）、花卉（醉蝶花、仙客来、蝴蝶兰）、草类、林木和药用植物等的航天育种方面取得重大进展，培育了大量优良品种（系），其中有的成果已进行了大面积推广与转化应用。

1.粮食作物

中国人口多而耕地少，粮食始终是关系到国计民生的头等大事，目前中国的小麦、水稻完全实现了自给自足，玉米自给率也达到95%以上。这些代表性的中国主粮作物的生产中，均出现过航天育种的身影。

水稻在生产上已大面积应用很多优质的航天育种成果。华航一号是由华南农业大学选育的，第一个通过航天育种完成国审的新品种，具有优质高产、抗逆、广适等特性。目前由该品种再次繁育而成的，具备丰产、抗稻瘟病、矮秆等种质的新水稻品种已达42 个[1]。

航天神舟生物科技集团有限公司与陕西中科航天农业公司共同选育丰产抗倒伏、抗病的航天小麦新品种——航麦6 号，于2013 年通过陕西省品种审定，已进行了大面积推广。航麦6 号由神舟三号飞船搭载西农E-47，再经地面选育而成，该品种属弱冬性，苗相半匍匐，叶色深绿，叶相上挺，分蘖偏多。中抗条锈病、赤霉病，高感白粉病。该品种苗势健壮，越冬性好，抗倒伏力强，平均亩产达到686.35kg，具备高产、优质、抗病性强等特性。

河南省农科院利用航天搭载诱变筛选出的突变系小麦“豫同198”，配制杂交组合选育出了高产、稳产小麦新品种——“郑品麦24”和“豫丰11”，又以“豫麦57”太空搭载培育出了高产、稳产、抗逆和具有广适性的“富麦2008”，该品种在黄淮南片累计示范种植120 万亩，平均单产达到550kg/亩，且出现多个650 ～700kg/亩的高产典型。“豫麦13”空间诱变后育成的高产多抗小麦新品种“郑麦314”，平均亩产达501.5kg，成为河南南部稻茬麦区的高产典型。目前，航天育种小麦品种累计推广面积达4000多万亩，产生了良好的社会经济效益。

“航玉35”是天水神舟绿鹏农业科技有限公司采用航天搭载、空间诱变、农业育种生物技术集成创新培育而成的中晚熟普通玉米杂交新品种（图1）。2018 年2 月通过甘肃省品种审定。该品种在甘肃省中晚熟旱地组玉米区试种平均亩产724.9kg，比统一对照增产10.8%，自然条件下抗丝黑穗病、大斑病、穗腐病和青枯病。

图1 “航玉35”

“航天558”是张掖神舟绿鹏农业科技有限公司2016 年以自交系A5-2 为母本，自交系A601 为父本杂交选育而成的中熟紧凑型单交种（图2）。该品种田间表现高产、稳产、抗性强、后期熟相好，2021 年通过甘肃省审定（审定编号：甘审玉20210012）。

图2 “航天558”

2.蔬菜瓜果

我国利用航天育种技术培育成功的第一个蔬菜品种，是黑龙江省农业科学院园艺分院于2000 年培育的宇番1 号番茄，该品种搭载后经多年选育，主要营养成分比原种增加30%，而叶片叶绿素的含量则增加16%，产量提高了约10 倍。随后，经过先后10 余次的航天搭载，育成了10 个航天番茄、甜椒、辣椒新品种，获得新品种权5 项。

航丰1 号是深圳市农科集团以国外品种为种质资源，经我国第20 颗返回式卫星搭载后选育出的保护地小型黄瓜（小青瓜）新品种。品种比较、区域试验及生产试种的结果表明该组合具有生势强、抗病、全雌性、丰产、早熟、适于保护地栽培等优良特性。该品种通过了深圳市政府科技管理部门的科技项目验收和科技成果鉴定。迄今为止，品种生产应用面积达5000 亩[2]。

天水神舟绿鹏农业科技有限公司通过航天搭载的航天蔬菜有航椒1 ～12 号辣椒、航豇1 ～2 号豇豆、航茄2 ～7 号茄子、宇航3 ～6 号番茄等26个航天蔬菜新品种通过了省级鉴定和甘肃省新品种认定（图3—图4）。

图3 航椒1 号（左）和航椒4 号（右）

图4 航豇1 号

3.花卉

空间诱变的变异性状具有随机性，因此大田作物、瓜果蔬菜等均需要根据育种目标，筛选出需要的目标性状，如高产、早熟、抗病、品质提高等，剔除负向变异。花卉却有所不同，不论是花卉颜色、叶片形态、茎秆长短、花期、花姿等性状，正向、反向变异都可以成为花卉选育的目标，促使新品种产生。因此在无形中提高了花卉空间诱变的突变率和应用价值，为形成更多的突破品种增加了可能。

天水神舟绿鹏农业科技有限公司累计空间诱变了50 余种花卉，在大大缩短育种周期的情况下培育出了新品种，获得了改变花型花貌的稳定变异，例如太空矮牵牛、太空瓜叶菊、太空雪、太空紫叶酢浆草、太空仙客来等新品种（图5—图6），具有分枝增多、花色变化、花型变大、花期延长等多种不同的新性状，点缀了城市景观工程和园林。

图5 太空矮牵牛

图6 太空瓜叶菊

江西省广昌县白莲科学研究所在天宫二号空间实验室搭载了31 份材料，在育成的品种中，有蓬数增加、每蓬实粒数提高、结实率增加的优异变异，育成多个太空莲新品种，兼具生产型和观赏型，带动了当地的白莲产业发展。

4.牧草

我国优质、抗逆牧草品种稀缺，急需开展牧草种质资源创新利用。截至2020 年，通过航天诱变育种培育的牧草新品种5 个，培育的新品种在甘肃、黑龙江、山东等地均有种植推广。牧草航天诱变育种相关研究获国家授权发明专利3 项。

中天1 号紫花苜蓿是由神舟三号飞船搭载的紫花苜蓿种子为基础材料选育完成的新品种（图7）。该品种多叶率达35.9%，而国外引进的主要多叶品种的平均值仅为6.31%，中天1 号是国外品种的5倍以上。干草产量平均为每亩1035.33kg，比对照平均高产12.8%，国家区域试验最高干草产量达每亩1789.9kg。粗蛋白质含量平均为20.08%，达到我国苜蓿干草捆分级国家标准的一级等级。

图7 中天1 号紫花苜蓿叶片（左）和单株（右）

中国农业科学院航天育种中心对美国燕麦品种“PAUL”模拟航天处理后进行了地面种植，续五年田间选育形成航燕1 号新品系，特性为品质和综合农艺性状优良，平均种子产量为亩产282.35kg（比原品种增产16.9%）[3]。

五、结语

航天育种技术采用高科技的空间技术与常规农业育种技术相结合，是一种高创性育种方法。空间站全面建成后，神舟系列飞船作为空间站天地往返运输系统，以平均每年两艘的频率实施发射，具备持续开展航天育种搭载实验的能力，航天育种将会有更多机会发挥其独特的优势。未来，航天育种会在紧随信息革命技术的世界潮流中，完成产业升级换代，在广度和深度上快速发展。