經歷太空之旅，“天選之種”何去何從
來源：中國數(shù)字科技館
日常生活中，人們總戲稱“種菜”是刻在中國人基因里的習慣。雖是戲言，但擁有著幾千年農耕歷史和文化的我們，確實對“耕種”有著一種難以割舍的情懷。中國人的一年是在春種秋收、夏耘冬藏中度過，四季寒暑的交織與作物的生長休戚相關，因而我們對種子也有了更多的期待，好的收成從一顆好的種子開始。在追求好種子的路上，有許多嘗試，改良選種、引進良種，選育新種……，伴隨我國航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，載人飛船頻頻從太空遨游歸來，航天科技也為我們找到“好種子”提供了機會。
什么樣的種子可以被送上天？
每一顆擁有“太空船票”的種子都不簡單，首先要確認種子的合法性、可行性、效益性，然后是種子本身的質量，只有種子中遺傳穩(wěn)定性高、綜合性狀好的優(yōu)勝者才是優(yōu)選。有人將種子前往太空的過程形容為“優(yōu)等生”的超前班進修，這個比喻很是恰當。被選中上天的種子從本身質量和整體特點上，都是優(yōu)中選優(yōu)，每一粒都經過精心挑選并通過搭載樣本的地面試驗、檢驗（測）、封裝、裝艙、發(fā)射和回收、開艙等一系列工作。2022年5月19日，中國載人航天工程辦公室公布了神舟十二號和神舟十三號載人飛船航天育種實驗項目清單，只有88家單位上千件（份）作物種子、微生物菌種等種質材料得到了飛天的機會。
航天搭載后經過公證的種子
據(jù)統(tǒng)計，我國已經完成太空遨游的種子數(shù)量和類別都極為豐富。水稻、玉米、小麥等糧食作物種子，紅景天、鐵皮石斛、五味子、防風、甘草、紅花等中草藥種子，紫花苜蓿、新麥草、胡枝子、紅豆草、柳枝稷、雜交狼尾草、白三葉等牧草種子，茄子、南瓜、辣椒、豇豆、白菜等蔬菜種子，串串紅、紅蓮、牽牛等花卉種子，紅豆杉等樹木種子。它們都曾搭載各種航天器上天，除了常見品種，不同地方的主栽特色品種和稀缺物種也會“上天”。神舟十二號就曾搭載中草藥種子，比如石斛，甚至還有窖泥、酒曲這樣的微生物。
種子的太空之旅
人們費心費力地將種子送上天，到底是為什么呢？頻頻見諸各個新聞報道的航天育種又有怎樣的目的呢？歸根結底那是為了依靠特殊的太空環(huán)境，實現(xiàn)種子“基因突變”。其實這一愿景并不是航天育種的專屬，早在人類農耕之時，就已經出現(xiàn)。人類早期，一些基因的自然突變，導致表現(xiàn)優(yōu)異的植株被發(fā)現(xiàn)，它們展示出的高產量、高存活率等優(yōu)越性，令人們欣喜若狂，并開始定向培育這些“優(yōu)秀選手”。只是那時的人們并不知道這些種子突然變化的原因，而現(xiàn)在隨著科學技術的發(fā)展，影響種子性狀變異的秘密被揭開，其內部的DNA序列和結構是根因。同時，人們也掌握了多種改良種子的方法，通過技術手段制造各種極端的環(huán)境，比如激光照射、電離輻射、化學物質浸泡等，就可以主動出擊，促進種子基因突變，獲得大量性狀變異的種子，再篩選出表型更優(yōu)秀的種子。但是這些方式需要花費漫長的時間，參與其中的科研工作者也將面臨長期枯燥的觀察與記錄。而在空間環(huán)境中的高能粒子輻射、微重力、高真空等綜合因素協(xié)同作用下，植物種子的DNA被雙鏈擊穿，產生斷裂并重新排序，而人造的誘變技術只能讓DNA被單鏈擊穿，相比之下空間誘變育種變異率更高。
因此人們將目光轉向太空，將種子送上太空，改變其環(huán)境。在太空中，存在著豐富的宇宙射線，可能會對人體造成損傷，人類需要穿著宇航服來保護自己，但也正是這些多樣的宇宙射線，營造出一個在地球上無論用怎樣的技術手段都模擬不來的“新環(huán)境”。送上太空，只是誘發(fā)種子進行基因突變的一個環(huán)節(jié)，讓種子去這種充滿不確定的環(huán)境里逛上一圈，使其內部DNA序列或結構發(fā)生變異。在種子們上天之后，需要依靠電腦控制或宇航員操作，對種子的生存狀況隨時監(jiān)測。另外，還要計算航天器角度、地球位置等，為的就是確保在有限的時間里，種子能盡可能多地和宇宙射線發(fā)生交集，受到更強烈的射線轟擊。
將“種子送上太空”就是將植物種子或枝芽搭載于返回式航天器，利用太空微重加重離子、多種宇宙射線、大交變磁場和短期過載等因素，使種子基因發(fā)生突變。
北京長箭科技有限公司總工程師、原中國航天育種研究中心總工程師楊凱說：“航天育種是航天技術、生物技術與農業(yè)遺傳育種相結合的交叉學科，是綜合了宇航、輻射、遺傳和育種等學科的高新技術，是傳統(tǒng)誘變育種方法在航天領域的延伸，30多年的航天育種科研工作，充分驗證了航天育種變異頻率高、變異穩(wěn)定快、有益變異多、變異遺傳性好等特點?？臻g誘變具有諸多優(yōu)勢，其中最重要就是能夠大幅提高材料的突變頻率，能夠在較短的時間內創(chuàng)造出地面誘變育種方法難以獲得的罕見有益基因突變，可以創(chuàng)造兼具多種有益性狀的新種質、新材料，可廣泛應用于選擇育種、雜交優(yōu)勢育種和分子育種等多種育種實踐中，能夠縮短育種周期，在較短時間內培育出突破性的優(yōu)良品種?！?/P>
“太空歷練”的種子會發(fā)生啥變化？
在絕大部分情況下，航天器都有著首要飛行任務，航天育種則需要“搭車”。當種子進入太空，航天器內部的溫度通常維持在50攝氏度至零下15攝氏度之間，平均溫度可以保持在25攝氏度，這對種子來說是個安全的溫度區(qū)間。在航天器的庇護下，種子們不用額外提供生存保障，也能平安地完成太空旅行。
那么，這些種子們會發(fā)生什么變化呢？西瓜種子結出的西瓜會更甜？水稻會更高產？西紅柿會變大？答案不是肯定的，科學家們發(fā)現(xiàn)，經過太空歷練的種子的發(fā)芽率、作物產量、抗病性、抗蟲性、養(yǎng)分含量以及植物花朵的顏色、高矮等性狀都會發(fā)生改變。但其變化并沒有什么規(guī)律，大都是隨機性的，且航天育種并不能使每一顆種子都發(fā)生突變，據(jù)統(tǒng)計，對人類有益的突變也大約只占3‰左右。
具體來說，就種子發(fā)芽率而言，小麥、玉米、棉花、向日葵、大豆、黃瓜和番茄的種子經過太空輻射后，它們的種子活力和發(fā)芽率都有所提高；而水稻、谷子、豌豆、青椒、煙草等植物種子的發(fā)芽率則與未上過太空的種子相比并無顯著差異。除此之外，高粱、西瓜、茄子和蘿卜的種子在經過太空歷練后，發(fā)芽率甚至會降低，高粱種子萌發(fā)和幼苗生長受到強烈抑制，生育期推遲。
這也表明了，并不是所有植物都適合航天育種，航天育種也不是萬能的。不過值得驚喜的是，我國對水稻、小麥、棉花、青椒和芝麻等作物利用航天育種的方式獲得了一系列的新品種，其中已通過國家或省級審批的新品種超過200多個。目前，在山東、河北、江蘇等地都有航天育種蔬菜銷售市場，航天育種蔬菜比普通蔬菜價格會貴一些。但航天育種蔬菜味道好、營養(yǎng)豐富，經國家相關機構對比，航天育種蔬菜比普通蔬菜的營養(yǎng)含量高約30%左右。
航天育種優(yōu)勢
所以專家這樣解釋這種誘變：“航天誘變和‘開盲盒’有幾分相似。在誘變過程中，種子的遺傳物質哪一部分會變、什么時候變、變成什么樣，這其中存在著極大的隨機性和不可控性。在實際培育前，誰也不清楚種子存在怎樣突變。但整體來看，在太空環(huán)境中種子可能出現(xiàn)的變異幅度大、突變位點多，變異穩(wěn)定性更強?！?/P>
當種子回到地面
有人覺得種子上了天就可以一勞永逸，種下后就可以“就地躺平”，等待收獲。這種想法太過主觀了，因為上過天的種子有變好的也有變壞的，誘變具有隨機性，性狀可好可壞。這也是為什么種子落地后還要經歷嚴謹?shù)牡孛孢x育。這是育種時非常關鍵的一步，地面選育需要進行多代篩選培育、優(yōu)中選優(yōu)，歷時短則三五年、長則十余年，最終由農作物品種審定委員會審定，“天選之種”才算得到認證。因此，還需要幾年的培育進行定向篩選。
以小麥的育種為例，需要以下4個步驟：
（1）觀察一代種子。上過天的種子是一代種子，將一代種子種下去，科研人員任其生長不做篩選，只記錄其一些變異性狀。
（2）優(yōu)選二代植株。將一代植株所結的種子繼續(xù)播種，培養(yǎng)第二代植株，接著繼續(xù)對二代植株進行觀察，由于第二代植株的突變率增加，變異更明顯，根據(jù)育種需求進行定向選擇。如想要獲得抗倒伏特性的小麥，則篩選變矮的植株；想要提高小麥產量，就篩選穗子變大的植株；想要一年多次收獲，則篩選早熟的植株。
（3）確定植株穩(wěn)定性。將上面篩選出的種子繼續(xù)播種，讓其自交繁殖，如此繁育3-4代后，觀察這些變異的性狀是否能夠穩(wěn)定遺傳。
（4）群體比較和異地試種。對具有遺傳穩(wěn)定性的種子進行群體比較試驗以及在不同地理位置的試種試驗，從而確定其在不同環(huán)境下是否都能穩(wěn)定地表現(xiàn)出優(yōu)良的變異后性狀。
航天育種培育的“太空四號”小麥
因此，每次上過太空的種子并不是在太空“轉一轉”，種到地里就可以。太空良種的培育是一個精細的過程，普通種子經過太空處理之后，還需要在地面進行選育、試種，經過幾代的選育和淘汰，好的性狀才能穩(wěn)定下來，最終培育而成高產、優(yōu)質的農作物新品種。許多經太空旅行的蔬菜的味道就比普通方式培育的蔬菜口感更好。“太空胡蘿卜”的口感清爽；“太空紫薯”還有水果一般的口味；“太空土豆”外皮呈黑色，內里是紫色，富含花青素，有美容保健的作用。綜合來說，選育出的太空良種的特點是有益變異多、變幅大、穩(wěn)定性好以及高產、優(yōu)質、早熟、抗病力強等。
航天育種安全嗎？
一方面，人們希望看到送上太空的種子產生質一般的飛躍，但同時也有人會對航天育種所培育出的新種子有安全方面的擔憂，地面上普通的青椒、番茄、黃瓜，上天轉一遭回來，就搖身一變換了模樣，很多人擔憂起它們的食品安全。
北京長箭科技有限公司副總工程師、原中國航天育種研究中心工程師王濤說：“首先航天育種并非我國首創(chuàng)，早在上個世紀60年代初，前蘇聯(lián)和美國的科學家就已經開展過將植物種子搭載衛(wèi)星上天的相關實驗研究，并將這項技術用于解決空間站里航天員的食品自給問題。其次在上個世紀80年代，世界衛(wèi)生組織、世界原子能機構、世界糧農組織共同認定航天育種產品是安全的?！?/P>
科學家們?yōu)榇艘沧隽藱z測分析，經過航天育種的水稻依然是水稻，青椒依然是青椒，并無外源基因介入，物種沒有發(fā)生本質的變化。這就比如DNA的基因排列是“1、2、3、4”，經航天育種后的基因排列是“1、3、4、2”，只是排序發(fā)生變化。
航天育種流程示意圖
北京長箭科技有限公司董事長、原中國航天育種研究中心集團事業(yè)部主任駱斌介紹：“從地球上有生命以來，生物多樣性不斷進化，并產生了眾多的物種，從而達到了我們所見的復雜世界，導致這些巨多變化的根本原因是生物體均暴露在來自宇宙、太陽、甚至地球本身的電離輻射中，這些輻照導致生物體產生了突變，大多數(shù)突變體不能存活，但在極少數(shù)情況下，有益突變體變成了新品種，這使得它們在廣闊的自然環(huán)境中生存和成長。幾千年以來，人類通過選擇和培育那些最好的自然變異品種并從中受益，而現(xiàn)在的我們不需要再等待大自然的恩賜。早在上個世紀20年代，科研人員已經發(fā)現(xiàn)通過人工電離輻射能夠誘發(fā)有益突變，作物育種家可以提高自然突變的頻率，自此開啟了人工輻射誘變育種1.0時代，而如今隨著航天科技的發(fā)展，人工輻射誘變育種2.0時代已經到來?！?/P>
從航天育種的過程來看，這種變異本質上和自然界植物的自然變異一樣，只是太空中的特殊環(huán)境加速了生物界需要幾百年甚至上千年才能產生的自然變異。換言之，這種培育方式并沒有將外源基因導入作物基因組中使之產生變異。雖然作為誘變育種技術，航天育種會令作物本身的染色體產生缺失、重復易位、倒置等結構變異。而且我國有關轉基因安全管理規(guī)定中也特別排除了對自身通過突變產生的新物種的管理，也說明航天育種的安全性是有保障的。
面對擔憂，專家們也給出了解釋：“我國是誘變育種大國，傳統(tǒng)的物理化學誘變研究和應用比較成熟，是相對安全高效率的育種技術，航天誘變是以宇宙重離子輻射誘變?yōu)橹鞯恼T變，是現(xiàn)代的誘變源，結合成熟的選育技術，有利于創(chuàng)制新種質資源，選育新品種。”
中國的航天育種之路
航天育種的關鍵詞是航天，在航天器設計時，工程師往往會根據(jù)科學研究需要保留一定的載荷工程余量，這些彌足珍貴的空間資源，就是種子們上天的“座位”，也能更好地發(fā)揮航天器的效益。中國的航天育種之路起源于航天科技人員“我們自己也要送點東西上天！”的決心，也是中國航天服務于國民經濟的體現(xiàn)。
在“國家高科技研究發(fā)展計劃（863計劃）”的支持下，1987年8月5日，我國第九顆返回式衛(wèi)星搭載著精挑細選的小麥、水稻、青椒等百余個品種的農作物種子，順利完成了首次航天育種“太空之旅”。返回地球后，它們隨即被分發(fā)至各地的科研機構，再次被栽入土地。果然，種子的基因突變率和突變類型都有顯著增加。經過雜交選育，科研人員陸續(xù)從這批種子中培育出了大豆“鐵豐18”、棉花“魯棉1號”等一批獲得了國家發(fā)明獎的優(yōu)秀新品種，這些珍貴的基因資源，在自然界中是極難獲得的。
這樣的嘗試一直沒有停止，從1999年神舟一號發(fā)射任務開始，歷次載人航天工程發(fā)射都會從珍貴的載荷資源中拿出一部分余量，用于作物種子和植物材料的空間搭載誘變實驗。難得的機會下，種子們要想成為航空器的“乘客”，須經過層層選拔，科研單位的項目要通過創(chuàng)新性、技術可行性評審，等待飛天的種子也必須通過純度、凈度、發(fā)芽率等標準的篩選?；蛐图兒稀⑦z傳穩(wěn)定、綜合性狀優(yōu)異的種子，才可以擁有太空旅行的機會。
到2006年9月，我國的農作物種子第一次擁有了太空專屬“座駕”——實踐八號返回式衛(wèi)星成為我國首顆專門服務于農業(yè)科技、應用于航天育種的科學試驗衛(wèi)星。一開始，農業(yè)部辦公廳、國防科工委辦公廳聯(lián)合發(fā)文面向全國各地征集了大量主栽作物和特色品種，在直徑約1米、高約1.5米的小巧衛(wèi)星返回艙內，滿滿地搭載了糧、棉、蔬菜、林果、花卉等共九大類、152個品種、2020份種子，其中包括16種微生物、3種動物，總重量約215千克。
30多年間，我國已經對幾乎所有的農作物種子、大部分的林木花卉種子開展了航天器搭載。以我們最為熟悉的神舟系列飛船為例，它們的每一趟太空之旅，都帶著種子一起上天，神舟五號帶了1公斤植物種子，神舟六號帶了秋海棠、苦苣苔和燈盞花等植物種子，神舟七號帶了87個品種的蔬菜種子，神舟八號帶了紅豆杉、橄欖種子，神舟九號帶了云南普洱茶種子，神舟十號帶了人參種子……數(shù)量和種類的增加都見證著航天育種事業(yè)的發(fā)展。
幾十年下來，致力于航天育種的中國科技工作者培育出了一些新的突變類型和具有優(yōu)良農藝性狀的新品系。
例如，在水稻方面，水稻種子經衛(wèi)星搭載育種試驗獲得了株高、分蘗力、穗型、粒型和生育期等性狀變異。經選育試種已獲得增產20%的豐產優(yōu)質品系，畝產可達400～600千克,有的達750千克。
在小麥方面，已獲得矮桿、早熟和豐產材料，培育出了矮桿抗倒伏、抗病害的類型，可有效減少倒伏和病害造成的損失，生育期可縮短10天左右。在谷子方面，經太空處理的種子誘發(fā)多種變異，如穗粗長、穗型奇特（雞爪形、球形）、不育型等，為進一步培育谷子新品種提供了可行性。
在蔬菜方面，經多年培育，太空處理的青椒已獲得單果重350～500克的早熟抗病新品系，畝產可提高一倍；采用集團選育法，經多代集團選擇與培育的太空番茄已經獲得增產15%以上的抗病新品系。很多航天育種蔬菜都已經走入尋常百姓家，成為盤中餐了。
航天育種蔬菜
經過30多年的發(fā)展，我們航天育種產業(yè)已經取得豐碩成果。我們已經通過航天育種培育的作物累計推廣種植面積超過240萬公頃，增產糧食約13億公斤，創(chuàng)造直接經濟效益2000多億元。
隨著我國空間站的建成，一定會有更多、更豐富的種子頻繁“出差”太空，也會有更多優(yōu)良新品種的出現(xiàn)。種子在沒有萌發(fā)之前，人們并不會直接感知到其中蘊含的旺盛生命力。每一顆送上太空的種子都寄托著人類的美好愿景，即使最終的變異成果有好有壞，但人類追求生物與宇宙奧秘的腳步永不停歇。當中國人的航天夢與豐收夢相結合，種子既可以上天，也可以落地。
作者：程方潔
文字審核：陳洋
科學性審核：駱斌 北京長箭科技有限公司董事長、原中國航天育種研究中心集團事業(yè)部主任
楊凱 北京長箭科技有限公司總工程師、原中國航天育種研究中心總工程師
王濤 北京長箭科技有限公司副總工程師、原中國航天育種研究中心工程師
權明洋 北京林業(yè)大學博士、講師
熊銀 華中農業(yè)大學博士 武漢輕工大學講師
參考來源：《問鼎蒼穹的航天之旅》、《中國少年兒童科學閱讀》、《中國少年兒童百科全書 神奇科學》、中國載人航天官方網站、中國航天科技集團有限公司官方網站、國家航天局官方網站、中華人民共和國農業(yè)農村部官方網站、中央紀委國家監(jiān)委網站、人民資訊百家號
