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  • 太空育种

    太空育种即航天育种,也称空间诱变育种,是航天技术与生物育种技术相结合的产物。主要是将作物种子或诱变材料搭乘返回式卫星或高空气球送到太空,利用太空特殊的环境诱变作用,使种子产生变异,再返回地面培育作物新品种的育种新技术。太空育种与传统地面诱变育种相比具有变异频率高、变异辐度大、有益变异多、稳定性能强等特点,因而是培育高产、优质、早熟、多抗良种的新途径。

    编辑摘要
    百科帮你涨姿势
    每逢携带着植物种子的飞船或者卫星上天后,都有一部分人借机炒作夸大“太空育种”的神奇效果。似乎种子只要上天转一圈回来,植物就能长得特别大、营养特别丰富。但是,在航天技术迅速发展的现在,“太空育种”却并没有在美国、俄罗斯等航天大国中“形成气候”,这又是为什么呢?

    • 网络农民太空育种只是在寻找一种可能性,但在没有成熟之前,还是有些哗众取宠的。

    目录

    简介/太空育种 编辑

    太空育种原理示意图太空育种原理示意图

    太空育种又称航天育种、空间诱变育种。是利用太空技术,将作物的种子、组织、器官或生命个体等诱变材料,利用强辐射、微重力高真空、弱磁场等宇宙空间的特殊环境作用使生物基因突变,再返回地面进行选育,培育新品种、新材料的作物育种新技术。

    太空育种的核心内容是利用太空环境的综合物理因素对植物或生物遗传性的强烈动摇和诱变,在较短的时间内创造出目前地面诱变育种方法难以获得的罕见突变种质材料和基因资源,选育突破性新品种,由此而开辟一条植物育种的新途径。

    但是究竟主要是那些因素产生影响,以及如何产生影响,至今还没有权威的定论。[1]

    发展历史/太空育种 编辑

    国外发展

    经“神舟七号”进行太空育种的种子经“神舟七号”进行太空育种的种子

    利用航天器或返回式卫星研究植物生长发育及遗传变异的工作,迄今已有50多年的历史。

    20世纪60年代初期,前苏联学者就研究和报道了空间飞行对植物种子的影响。此后,美国和德国等许多实验室研究了植物在空间条件下生长发育及其遗传特性的变化。空间微重力、高能粒子对植物种子和植株的影响。植物及其细胞在空间条件下生长发育及其衰老过程,低等植物在空间的生长规律等。美国等国家在各种类型空间飞行器上进行了许多植物学试验,观察空间条件下各种类型的植物材料发生的变化。

    1984年,美国将番茄种子送上太空,逗留时间达6年之久,返回地面后经科研人员试验,获得了变异的番茄,其种子后代对人体无毒,可以食用。

    1995年,美国航天局又在北卡罗来纳州立大学建立引力生物学研究中心。重点研究植物对引力的感受和反应,以最终开发出适于太空旅行的植物。

    1996年,俄美合作首次成功地在和平号空间站培育和收获了150个麦穗的墨西哥小麦。俄罗斯在太空种植小麦于1999年获得成功。

    1996年,美国布鲁斯·巴格比培育出太空矮秆小麦,株高只有40 cm,生育期只有60天,这种小麦产量高出普通小麦的3倍,有可能适合太空生长。美、日、西欧制定的21世纪太空计划中,将植物在密封太空舱内的生长发育引为重点,试种和培育豌豆、小麦、玉米、水稻、洋葱、兰花、郁金香等100多种植物,研究宇宙飞行中各种因素对植物生长发育的影响。

    中国发展

    天宫一号也担负着太空育种实验的任务天宫一号也担负着太空育种实验的任务

    中国的太空育种始于1987年,最初只是想了解种子经过太空搭载会发生什么变化,是目前世界上掌握航天器返地技术的3个国家(中国、美国、俄罗斯)之一。

    准备阶段(1987年—1995年):1987年5月,中国利用第9颗返回式卫星首次搭载植物种子、菌种、昆虫等地球生物进行试验。

    立项阶段(1996年—2005年):1999年11月,中国进行载人航天工程第一次飞行试验,神舟一号搭载了青椒、西瓜、玉米、大麦等农作物种子各10克,此外还有甘草、板蓝根等中药材。

    发展阶段(2006年—至今):2006年9月,中国发射“实践8号”农业育种卫星,搭载品种达两千多种,包括蔬菜、水果、谷物、棉花等各类种子215公斤。2012年6月,神舟九号飞船搭载云南普洱茶种子、科学实验种子、农作物种子和微生物菌种等再度升空。

    成果:1987年至2011年,中国通过返回式卫星神舟号宇宙飞船高空气球等工具进行了共22次、1200多个品种的航天工程育种搭载试验。据不完全统计,已有70多个太空育种农作物新品种通过审定,200多个品系在农业生产中推广应用。[2] 已进行搭载的有粮食作物类:小麦、水稻、大豆、玉米、绿豆、豌豆、高粱等;蔬菜类:西红柿、辣椒、黄瓜、甜菜、茄子、萝卜等;经济作物有棉花、烟草等;花卉有万寿菊、鸡冠花、三色槿、龙葵、荷花、百合等;中草药材有黄芪、甘草;树木种子有油松、白皮松及石刁柏,还有草坪种子。


    技术特点/太空育种 编辑

    诱变效率高

    太空育种的西红柿太空育种的西红柿

    太空中的特殊条件对农作物种子具有强烈的诱变作用。可以产生较高的变异率,其变异幅度大、频率高、类型丰富。有利于加速育种进程。水稻自然变异的频率在二十万分之一。化学诱变的变异频率也在千分之几。而经空间处理的水稻变异频率可达百分之几。一般来说,太空育种变异率为5%-10%,最高的诱变率可超出10%以上,其中有益突变率为2%-3%。

    变异方向不定

    作为一种空间多环境特殊条件下产生的诱变,其诱变方向具有不确定性。一般单株有效穗数、每穗粒数、千粒重、穗长、单株分蘖力等性状呈偏正态分布,以正向变异为主。株高变异偏向增高,结实率偏向降低,但也有许多有利突变体出现。

    育种周期短

    空间诱变植物一般在第4代可稳定,少数在第3代就可稳定。比常规育种的第6代稳定提前2代,对缩短育种周期极为有利,可以节约许多人力物力。

    可出现特殊变异

    太空育种不但能出现一些如产量、株高、生育期、品质、抗病性等常规诱变育种的变异,还能出现一些其它理化因素处理较少出现的特殊变异类型,如水稻早熟突变、大穗型变异。大粒变异和籼、粳亚种种性的变异;品质性状的广幅分离;蔬菜大果型变异,不育性突变;花卉花形变异,花色变异等。

    食品安全/太空育种 编辑

    借综合射线辐射催生的小辣椒借综合射线辐射催生的小辣椒

    太空食品和普通食品没有什么区别,是很安全的食品。关于太空食品安全性的问题,专家普遍认为,太空育种并没有将外源基因导入作物中使之产生变异。作为诱变育种技术,太空育种可使作物本身的染色体产生缺失、重复、易位、倒置等基因突变。这种变异和自然界植物的自然变异一样,只是时间和频率有所改变。太空育种本质上只是加速了生物界需要几百年甚至上千年才能产生的自然变异。太空中宇宙射线的辐射较强,这是植物发生基因变异的重要条件。

    人工辐射育种中的辐射剂量只是国际食品安全辐射量的几十分之一,而太空中的辐射剂量还不到辐射育种辐射剂量的百分之一。宇宙射线引起的基因变异经常会让人想到转基因食品。转基因作物是将外源基因导入植物体内而培育出的新品种,如转基因大豆是将非大豆植物甚至动物、微生物的基因导入而产生的变异。而太空育种则是让作物的种子自身发生变异,没有外源基因的导入。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,这也说明太空育种是非常安全的,不用担心其产品的安全性。太空食品是按照人类需要选择出来的,不是转基因食品

    从太空回来的种子经过培育,挑选出的优良品种要经过不少于4代的种植,其中的每一代遗传性状都有所分离。如果4代后有幸筛选出一个新品种,还需要国家有关部门的品种审定,这一过程至少需要3年,之后专家审定合格后才能拿到证书。至于污染,则是栽培方法和使用农药、化肥的问题。

    影响因素/太空育种 编辑

    微重力


    宇航员正在进行微重力下的适应训练宇航员正在进行微重力下的适应训练
    太空的重力环境明显不同于地面,未及地球上重力十分之一的微重力(10-3 ~10-6 g)是引起植物遗传变异的重要原因之一。许多实验证明,植物感受和转换微重力信号,是通过质膜调节细胞内Ca2+ 水平或磷脂/蛋白质排列顺序的变化等,引起ATP酶、蛋白质激酶、NAD氧化还原酶及光系统中许多酶类的活性变化等,从而在细胞分裂期微管的组装与去组装、染色体移动、微丝的构建、光系统的激活等方而起作用,进而影响细胞分裂、细胞运动、细胞间信息传递、光合作用和生长发育等生理生化过程,并出现细胞核酶变、分裂紊乱、浓缩染色体增加、核小体数目减少等。已有的研究结果还指出,微重力是通过增加植物对其它诱变因素的敏感性和干扰DNA损伤修复系统的正常运作,从而加剧生物变异,提高变异率。

    空间辐射


    空间辐射源包括来自地磁场俘获的银河宇宙射线太阳风暴的各种电子质子、低能重离子和高能重离子等。它们能穿透宇宙飞行器的外壁,作用于太空飞行器中的生物。研究结果表明,空间诱变与地面辐射处理发生的变异情况有许多类似之处,辐射敏化剂预处理能增加生物损伤。DNA生物膜是射线作用的靶子。空间辐射主要导致生物系统遗传物质的损伤,如突变、肿瘤形成、染色体畸变、细胞失活、发育异常等。重离子辐射生物学研究的结果表明,质子、高能重离子等能非常有效地引起细胞内遗传物质 DNA分子的双链断裂和细胞膜结构改变,且其中非重接性断裂的比例较高,从而对细胞有更强的杀伤及致突变和致癌变能力嘲。对植物的研究证明,空间条件尤其是高能离子具有强烈的致变作用,导致细胞死亡、突变、恶性转化,而且在微重力条件下辐射的诱变作用将会加强。

    种子纯度

    宇航员约翰·菲利普斯在“发现号”航天飞机上进行沙门氏菌疫苗实验宇航员约翰·菲利普斯在“发现号”航天飞机上进行沙门氏菌疫苗实验

    目前在国内外,种子搭载之前首先要进行种子的纯度检测,保证种子的纯度。搭载回来以后要进行地面第1次试种,出苗时形态性状,如株高、长势等肯定会表现很多性状分离,要对每1株进行检测。选择有良好变异的单株进行第2代种植,仍然出现非常大的性状分离,把性状不好的全部淘汰掉,把好的突变体后代再进行第3代种植。第3代种植后,把最好性状的种子搜集起来种植第4代,一般第4代很稳定,即获得了1个稳定的新品种。

    生长环境

    要特别注意种子生长过程中的生长环境问题,很多品种表现型上的退化不是真正的品种退化,而是因为周围授粉环境不好。比如太空椒,旁边种的不是太空椒的花粉传过来,其后代又有可能返回原始性状。因此,要保持太空椒的优良性状,关键是要为其创造良好的繁殖环境。

    停留时间

    对于在太空停留时间对太空育种结果的影响这一课题,华南农业大学做过以下试验:把种子按照顺序排在核激板上,等种子回来之后,从核激板上可以探测出种子经过高能离子辐射的次数。由于太空育种的精确度上难以控制,带有一定的盲目性,因而种子被高能离子击中的次数并不是越多越好,在太空中停留时间并不是越长越好。只要高能离子能够准确击中种子的DNA链条,并且是向着人类需要的方向组合就可以。太空育种结果与在太空停留时间没有太大关系。俄罗斯将在和平号空间站搭载6a的番茄种子赠送给我国,其后代表现并不优于我国航天器搭载20多天的结果。这正是由于太空有许多辐射条件是人类试验难以模拟的,人为控制太空受辐射的强度或剂量目前是不可能的。毕竟高能离子的辐射是随机的。太空育种必须要配合田问观察和选择等常规育种手段,这是不可分割的,同时还要采用分子检测手段。[3]

    其它因素

    植物材料在空间飞行时。是受各种空间因素综合作用的,包括高真空、交变磁场、航天器发射过程中的强振、飞行舵内的温度和湿变条件及其他未知因素。一般认为.空间辐射和微重力的复合效应是主要的诱变因素。

    成果优势/太空育种 编辑

    神舟三号上搭载培育的“太空花”神舟三号上搭载培育的“太空花

    经过太空育种的农产品不仅生长快、果实大、色泽亮、口感爽,而且营养丰富、品质上乘,基本不依赖化肥和农药,具有很强的地面环境适应性和抵御病虫害侵袭的能力。

    例如太空水稻株高降低14 cm,生长周期缩短13 d,颗粒饱满,蛋白质含量提高8%~12%,亩产达500 kg以上。矮秆、早熟的太空小麦新品种的产量较一般品种高10%~15%。“宇椒1号”青椒平均单个重达500 g,维生素C和可溶性固态物,Zn、Fe等微量元素含量提高了20%~30%,体态丰盈,皮脆味清。“航天芝麻1号”个大、色白,单株蒴果达98粒以上,抗病抗倒伏,自培育成功后,受到青睐。具有矮化作用的由隐性单基因控制的细胞核雄性不育太空玉米,单株能长出7个硕大的多色玉米棒,令人咋舌。“航遗1号”黄瓜1条可达1 m长,碧绿嫩脆。太空樱桃番茄中p胡萝卜素含量是普通胡萝卜的3倍,耐储存,非常适于学生和电脑工作者食用。

    在太空花卉方面,重返地球的赏叶花卉紫叶酢浆草,三角形的紫叶片上点缀着粉红色小花,宛如一只只轻盈的紫蝴蝶,无比娇艳。太空“修炼”后的万寿菊从普通单层四瓣变成多层六瓣,同株有百朵花立体开放,半年不衰。

    在太空医药研究方面,我国的科研人员已成功研制高效降脂、能治疗癌症的抗生素药物。如从太空菜葫芦里提炼出的苦瓜素成为治疗糖尿病的新宠,采用诱变的红曲霉菌合成的“富硒他汀”成为心脑血管疾病的克星。搭乘“神舟1号”遨游太空的泰乐菌素菌种成功接种,研制的泰乐菌素因其广谱抗茵、高效低残留,被世界各国批准为专用兽药和饲料添加剂推广使用。在动物育种方面,3只随“神舟3号”回归的乌鸡从蛋中破壳而出,标志着我国首次将空间育种技术成功引入动物中。

    存在问题/太空育种 编辑

    山东烟台农科院小麦所副所长王江春表示,本质上太空种子只要通过审定,就和普通种子没什么区别。但市场上有很多种子打着太空育种的旗号,根本没有经过审定,甚至直接拿别的品种来冒充。

    在中国太空育种史上,因成本高昂而饱受质疑。在地方政府和企业的双重驱动下,太空育种已成新的“摇钱树”——截至2012年共有224个航天育种研究小组分布在各科研院所,各地授牌兴建的航天育种基地也已超过60个,广东深圳、海南文昌等地早已雄心勃勃地兴建了太空育种主题公园。

    在淘宝上,更多商家看到了太空种子蕴藏的商机。叫卖太空种子的店铺已多达127个。这些店铺分布在山东、河北等省,贩卖的种子包括太空番茄、太空丝瓜、太空南瓜、太空豆角……只要是蔬菜,几乎都有太空种子在卖。[4]

    国家航天育种工程首席科学家刘录祥认为,太空种子不是一个“随便”的称呼,有着严格的定义。因为太空种子不是简单“搭载”出来的,而是经过搭载诱变,一代一代筛选培育,并得到种子管理部门审定的优良新品种。这一过程顺利的话也至少要6-8年的时间。

    引发争议/太空育种 编辑

    方舟子曾经发表言论质疑太空育种方舟子曾经质疑“太空蚂蚁”

    著名科普学者方舟子曾经表示,“太空诱变”和其他诱变方法在本质上是一样的,不可能有任何优势。所谓“太空育种”并不比地面育种更有优势,反而占用了宝贵的航天资源,完全是一种炒作。

    方舟子表示,突变没有方向性首先是在遗传学实验中观察到的一个事实,之后又被分子遗传学的基础研究所证实。当我们用辐射、药物处理种子时,是在盲目地攻击种子中的DNA,DNA序列或结构会发生什么样的变化无法预知,那么它们会如何改变生物体的功能也是随机的。

    由于生物体经过长期的进化之后,其结构和功能之间的关系已相当的完善、协调,盲目地改变它,在绝大部分情况下会是有害或无用的。只有非常偶然的情况会出现个别我们乐于见到的有益突变。

    香港浸会大学生物系副教授张建华表示,参与太空育种的科学家解释他们的成功时说,太空的失重和说不清的一些辐射诱导了种子遗传物质的变异,从而“蜕变”成了具有优良性状的品种。

    其中至少有两个问题被回避了。一是如果种子的遗传基础真的由于辐射发生了变异,按照辐射是破坏DNA的原理,他们应该先看到大量的“ 变坏”的变异才对,变好的变异应是极少极少的。几十年来在地面上一直进行的用放射性来诱导变异的辐射育种一直未有好的成功例子,就说明了这一点。而目前的太空育种仅用上数十克或百余克种子(远少于在地面上进行辐射育种实验时所用的数量),也从未向大家展示大量“变坏”了的变异植株。第二个问题是这些种子是如何获得射线的。如果在太空舱内就能接受到射线,那太空飞行对动物和人是否安全?

    相关文献

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    参考资料
    [1]^引用日期:2011-10-01
    [2]^引用日期:2011-10-01
    [3]^引用日期:2011-10-01
    [4]^引用日期:2012-08-16
    扩展阅读
    1西南园艺,2005年第4期
    2潘光辉 尹贤贵 杨琦凤 张赞(重庆市农业科学研究所,400055)
    3王俊敏,魏力军,等 航天技术在水稻诱变育种中的应用研究(252~256)4
    4庞伯良,彭选明,等 航天诱变与辐射诱变相结合选育水稻新品种(284~285)4
    5张玲华,田兴山,等 空间诱变育种的研究进展(294~296)4
    6方金梁,邹定斌,等 航天诱变选育高产高蛋白质水稻新品种(280~283)4
    7郭亚华,谢立波,等 辣椒空间诱变育种技术创新及新品种(品系)培育(265~268)4

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