劉　敏　鹿金穎　薛　淮　潘　毅

目前，“神七”飛天的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作正在進(jìn)行之中，預(yù)計(jì)會(huì)在今年發(fā)射升空。隨著“神五”、“神六”的成功飛天，人們對(duì)太空育種這個(gè)概念也日漸熟悉。

太空育種也被稱(chēng)為航天育種，科學(xué)的提法則是“空間誘變育種”，也就是將農(nóng)作物種子送到太空，利用太空特殊的環(huán)境誘變作用，使種子產(chǎn)生變異，再返回地面選育新種子、新材料，培育新品種的育種新技術(shù)。它是綜合了宇航、遺傳、輻射、育種等學(xué)科的高新技術(shù)。

各國(guó)爭(zhēng)相送種子上太空

空間誘變的研究工作始于20世紀(jì)60年代，蘇聯(lián)是第一個(gè)開(kāi)展此項(xiàng)研究工作的國(guó)家，他們最早以風(fēng)干種子作為研究對(duì)象，進(jìn)行空間環(huán)境對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育影響方面的研究。1984年，美國(guó)將番茄種子通過(guò)太空飛行器送入太空，獲得變異的番茄。該國(guó)同時(shí)將小麥種子放入空間站進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。蘇聯(lián)和美國(guó)空間植物學(xué)研究的主要目標(biāo)定位在探索空間條件下植物生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律，改善空間人類(lèi)生存的小環(huán)境，解決宇航員的食品供給及生存安全等，這是為將來(lái)“太空里的人類(lèi)”服務(wù)。美國(guó)國(guó)家航空航天局于1995年建立了引力生物學(xué)中心，重點(diǎn)研究植物對(duì)引力的感受和反應(yīng)，其最終目標(biāo)就是開(kāi)發(fā)出更加適于太空旅行的植物。

在“863計(jì)劃”航天領(lǐng)域支持下，中國(guó)科學(xué)院的科學(xué)家們于1987年利用我國(guó)發(fā)射的兩顆返回式衛(wèi)星搭載了30多種植物種子、無(wú)性繁殖材料等生物樣品，返地觀察后，初步發(fā)現(xiàn)了一些變化?？紤]到農(nóng)業(yè)新技術(shù)對(duì)我們這樣一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)有特別重要的價(jià)值，1988年在“863計(jì)劃”航天領(lǐng)域空間科學(xué)有關(guān)專(zhuān)家的提議下，有關(guān)部門(mén)設(shè)立了“空間條件下植物突變類(lèi)型研究”專(zhuān)門(mén)課題，組織有關(guān)專(zhuān)家探討空間環(huán)境誘導(dǎo)突變的可能及應(yīng)用前景，空間搭載了多種種子，返地后進(jìn)行種植、選擇。

自1987年以來(lái)，我國(guó)的空間誘變育種工作已經(jīng)有20年的歷史，成功進(jìn)行了20多次空間搭載育種研究，相繼進(jìn)入空間的植物達(dá)50多種、500多個(gè)品種，包括水稻、小麥、玉米、棉花、大豆、青椒、番茄、牧草及花卉等植物種子，育成了一批優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、多抗、早熟的作物新品種或新品系；同時(shí)，還篩選了一些罕見(jiàn)的具有利用價(jià)值的突變體材料，有的已在生產(chǎn)中發(fā)揮了積極作用。2006年，我國(guó)還發(fā)射了一顆農(nóng)業(yè)育種衛(wèi)星。

在獲得航天育種優(yōu)良品種(系)的同時(shí)，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所對(duì)空間搭載的水稻、番茄、甜椒、黃瓜等進(jìn)行了系統(tǒng)的細(xì)胞學(xué)、生理學(xué)以及分子生物學(xué)的研究、檢測(cè)。初步研究表明，空間誘變會(huì)使植物細(xì)胞器如葉綠體、線粒體的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而影響了植物的光合作用、營(yíng)養(yǎng)傳導(dǎo)及新陳代謝?？臻g誘變還會(huì)使植物酶的活性發(fā)生改變，從而影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育。更重要的是，空間誘變使部分植物基因發(fā)生了改變。通過(guò)地面多年的選育，證明這些改變是可以穩(wěn)定遺傳給后代的。

太空環(huán)境使植物基因發(fā)生改變的原因是什么?太空環(huán)境是高能粒子輻射與微重力條件共存的，太空中高能粒子及微重力對(duì)高等植物會(huì)產(chǎn)生什么樣的影響?如果產(chǎn)生基因改變，有沒(méi)有變異規(guī)律?基因的變異位點(diǎn)在哪里?這些問(wèn)題都值得探索和研究。

如果空間誘變機(jī)理不清楚，將會(huì)在一定程度上影響空間誘變成果的推廣和應(yīng)用。在一些有關(guān)我國(guó)航天育種的新聞報(bào)道中，存在著缺乏科學(xué)依據(jù)甚至片面炒作的個(gè)別情況，這也在某種程度上使得植物空間誘變技術(shù)受到質(zhì)疑。此外，經(jīng)過(guò)空間誘變的食品的安全性問(wèn)題也與空間誘變機(jī)理不清緊密相關(guān)。因此，在深層次上開(kāi)展空間誘變機(jī)理的研究至關(guān)重要。

植物空間誘變并不神秘

與常規(guī)的輻射誘變?cè)硪粯樱参锟臻g誘變應(yīng)當(dāng)屬于物理誘變中的輻射誘變，只是常規(guī)的輻射誘變是在地面上進(jìn)行，輻射源一般是鈷60照射，而空間誘變是在太空中微重力的條件下，輻射源是太空中的高能粒子。所以說(shuō)，空間誘變育種并不神秘，它是輻射誘變育種的特殊形式，是常規(guī)輻射育種的又一補(bǔ)充。

對(duì)于空間環(huán)境中的高能粒子的輻射劑量，目前人類(lèi)受到各方面條件限制，還不能使每次的輻射劑量保持一致，加上太空中隨時(shí)可能出現(xiàn)的磁暴現(xiàn)象，輻射劑量是動(dòng)態(tài)的，所以空間誘變輻射育種常常是隨機(jī)的，重復(fù)性較差。目前，各國(guó)科學(xué)家正在探索輻射劑量與植物變異的關(guān)系，尋找空間誘變的真正誘因。如果人類(lèi)最終可以找到輻射誘變的規(guī)律，進(jìn)而可以在地面上模擬太空輻射，將為農(nóng)業(yè)育種提供一條新的途徑。

從目前全國(guó)各地的情況以及經(jīng)驗(yàn)看，由于空間中的高能粒子輻射和微重力的環(huán)境，使植物基因組堿基變異，并造成DNA的斷裂和重組，并且空間誘變育種的變異率明顯高于一般的地面輻射育種，一般的地面輻射育種變異率在0.1％～0.3％左右，而太空育種的變異率是0.3％～12％。中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所蔣興村研究員選育的太空水稻變異率曾達(dá)到12％。由于太空中高能粒子輻射的隨機(jī)性，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)變異率極低的情況，甚至零變異，這可能與種子在空間飛行器內(nèi)的位置和受到的輻射劑量有關(guān)。但是太部分結(jié)果是空間誘變率高于常規(guī)誘變育種。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)梅曼彤教授的研究表明，空間誘變率與高能粒子輻射在種子胚的位置和角度以及射線擊中胚的次數(shù)有關(guān)。

植物空間誘變不僅可以改變果實(shí)的形狀，而且大果型出現(xiàn)的機(jī)率高。所以，空間誘變中高產(chǎn)、果型大的現(xiàn)象較多，如中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所空間誘變選育的“航遺1號(hào)”黃瓜，平均單果重800～1000克，有的單果達(dá)到了1800克，平均畝產(chǎn)5800千克?？臻g誘變后選育的太空茄子，平均單果重1000克，最大單果達(dá)到2500克；空間誘變后選育的太空葫蘆，平均單果重2000克，果長(zhǎng)70厘米，最大單果重7000克，果長(zhǎng)110厘米。這些大果型的出現(xiàn)比常規(guī)育種及地面常規(guī)輻射育種出現(xiàn)的機(jī)率要高。1988年，該所與廣西農(nóng)業(yè)大學(xué)合作，用衛(wèi)星處理“包選2號(hào)”和“農(nóng)墾58”水稻品種，在第二代和第三代中看到較多分離現(xiàn)象，且優(yōu)良性狀在4年的時(shí)間內(nèi)很快穩(wěn)定，并通過(guò)鑒定，江西種植的經(jīng)空間處理的“農(nóng)墾58'水稻，于1993年獲得了畝產(chǎn)600千克以上的一個(gè)新品種，還獲得大粒型、大穗型、優(yōu)質(zhì)米、紅米、黑米型的突變后代。這樣大量的突變體出現(xiàn)，是一般常規(guī)育種中少見(jiàn)的現(xiàn)象。又如，2004年，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所通過(guò)鑒定的“航遺2號(hào)”番茄，其番茄紅素高達(dá)6.26mg／100g鮮重，是普通番茄的3倍；通過(guò)空間誘變獲得的太空黃瓜“航遺1號(hào)”經(jīng)中國(guó)食品檢測(cè)中心檢測(cè)，vc(維生素c)、鐵和可溶性固形物含量均有所提高。該所選育的空間誘變的茄子、黃瓜出現(xiàn)了抗鹽堿

的新品系。因此，就目前空間誘變的現(xiàn)象來(lái)看，普遍的變異呈多樣化的趨勢(shì)。

空間誘變的誘因及機(jī)理

從目前研究的情況看，空間誘變的誘因主要是太空中的高能粒子輻射，同時(shí)還有太空中微重力的協(xié)同作用。

在空間誘變機(jī)理研究方面，我國(guó)科學(xué)家進(jìn)行了大量研究工作。一些專(zhuān)家認(rèn)為，空間環(huán)境可以引起生物基因組DNA堿基變異，并造成DNA的斷裂和重組，因此誘發(fā)變異。隨著基因組研究的深入發(fā)展，基因組序列測(cè)定表明，在植物基因組中存在大量轉(zhuǎn)座子序列和逆轉(zhuǎn)座子序列，太空環(huán)境有可能激活了這些轉(zhuǎn)座子?；罨霓D(zhuǎn)座子通過(guò)易位、插入和丟失，可以導(dǎo)致基因的變異和染色體的變異。至于空間環(huán)境中的什么因素可以激活轉(zhuǎn)座子?哪些部位的轉(zhuǎn)座子易被激活?這些問(wèn)題還需要人們?nèi)ヌ剿?。從目前的研究結(jié)果來(lái)看，空間誘變是植物自身的基因組序列發(fā)生改變，沒(méi)有外源基因的導(dǎo)入，所以，空間誘變育種后獲得的食品不是轉(zhuǎn)基因食品，它與常規(guī)輻射誘變育種獲得的食品一樣，是安全食品。

植物空間誘變不全是好的

植物空間誘變育種是一項(xiàng)科學(xué)性強(qiáng)的高科技育種手段，必須以科學(xué)的態(tài)度對(duì)待。

首先，空間誘變不全是正變異。目前，社會(huì)上在空間誘變育種中存在著一種錯(cuò)誤說(shuō)法，似乎種子一經(jīng)太空搭載，就會(huì)出現(xiàn)大果型等優(yōu)良性狀，這并不符合客觀事實(shí)。

另外，種子經(jīng)太空搭載后返回地面種植第一代時(shí)，發(fā)生的變異可分為生理性變異和遺傳性變異。由于太空環(huán)境對(duì)正常的種子、種苗來(lái)說(shuō)是一個(gè)逆境環(huán)境，因此種子在搭載后在地面種植時(shí)，一部分會(huì)產(chǎn)生逆境生理性變異，如植株性狀大小的改變等，但這種變化僅僅是生理上的變化，是不可遺傳的，在種植一代后就會(huì)消失。另一種變異是遺傳性變異，是由于DNA發(fā)生了斷裂重組，這些變化是可以遺傳給后代的。在地面種植第一代時(shí)，生理性變異與遺傳性變異用肉眼很難區(qū)分，必須采用分子標(biāo)記檢測(cè)的手段加以區(qū)分。空間搭載的種子一定要經(jīng)過(guò)地面不少于4代的種植，優(yōu)良性狀才可以基本穩(wěn)定。這一點(diǎn)對(duì)于從事空間誘變育種工作至關(guān)重要，不能在第一代出現(xiàn)了變異植株就視為已獲得了空間誘變的優(yōu)良品種，這是極不負(fù)責(zé)任的，也是不科學(xué)的。其實(shí)，空間誘變育種的選育方向是多元化的，比如抗性篩選、株型篩選、果型篩選，尤其是抗性篩選很重要。從我國(guó)一些地方空間育種的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，就出現(xiàn)了抗鹽堿、抗病等優(yōu)良性狀，但果型沒(méi)有什么大的變化。

需要特別說(shuō)明的是，空間誘變育種并不是唯一的育種手段，該項(xiàng)技術(shù)由于必須有衛(wèi)星、飛船及高空氣球的空間飛行條件，所以屬于高科技育種手段，但又因?yàn)檫@種空間飛行機(jī)會(huì)較少，同時(shí)要受到重量體積等條件限制，所以不能廣泛應(yīng)用在育種工作中。這是空間誘變育種的缺憾。