太空“出差”半年的农作物种子回家了，航天育种有啥不同？

4月16日，神舟十三号载人飞船载着三位航天员顺利返回地球。和三位航天员一起“回家”的，还有一批同样在太空“出差”了半年的农作物种子。

到太空走上一遭，部分种子会发生脱胎换骨的变化。在基因型层面，表型产量及品质明显提升、成熟速度加快、抗病能力变强，都是种子身处复杂宇宙环境作用下可能产生的有益突变。先“上天”再“入地”，经过筛选、杂交、鉴定形成新种质资源的过程，便是航天育种。

航天育种产业创新联盟秘书长、中国空间技术研究院原航天生物总工程师赵辉已在航天搭载领域耕耘了30余年，见证了我国航天育种的起步、成长和壮大。1987年至今，中国已经先后30余次利用返回式卫星、神舟飞船等航天器开展航天育种，培育出700余种航天品种作物以及林草花卉、中草药新品种和制药、酿酒等微生物新菌种。

4月24日，一年一度的中国航天日即将到来，今年庆祝航天日活动的主题是“航天点亮梦想”。在赵辉看来，航天育种正是通过空间诱变育种技术“将梦想照进现实”：它能在较短的时间里，创造出目前其它育种方法难以获得的罕见突变基因资源，快速培育出突破性的优良品种，进一步保障国家粮食安全，“打好种业翻身仗，小种子也可以迸发大能量”。

赵辉

飞天

幼苗在太空也能开花结果

1975年，我国首颗返回式卫星顺利完成发射、回收任务，标志着我国成为世界上第三个独立掌握航天器进入太空并可控返回的国家。

中国空间技术研究院承担着我国卫星、飞船等空间飞行器的设计研发任务。上世纪90年代，赵辉作为中国空间技术研究院研究员，投身航天搭载领域的科研工作。

在航天器设计时，工程师往往会保留一定的载荷工程余量，这正是赵辉和同事开展航天搭载工作的基础。这些余量是弥足珍贵的空间资源，用好它，能够更好地发挥航天器的效益，“但起初，找我们开展搭载实验的都是外国企业”。

中国航天，必须服务于国民经济。“我们自己也要送点东西上天！”航天科技人员的这一想法，开启了我国航天育种的进程。

在“国家863高科技计划”的支持下，1987年8月5日，我国第九颗返回式卫星搭载着精挑细选的小麦、水稻、青椒等百余个品种的农作物种子，顺利完成了首次航天育种“太空之旅”。返回地球后，它们随即被分发至各地的科研机构，再次被栽入土地。果然，种子的基因突变率和突变类型都有显著增加。

经过杂交选育，科研人员陆续从这批种子中培育出了大豆“铁丰18”、棉花“鲁棉1号”等一批获得了国家发明奖的优秀新品种。这些珍贵的基因资源，在自然界中是极难获得的。

一粒种子在没有萌发时，人们往往意识不到它内部涌动着的磅礴生命力。进入太空，航天器内部的温度通常维持在50摄氏度至零下15摄氏度之间，平均温度可以保持在25摄氏度，这对种子来说是个安全的温度区间。在航天器的庇护下，不用额外提供生存保障，这些“小生命”也能平安地完成太空旅行。

在绝大部分情况下，航天器都有着首要飞行任务，航天育种则需要“搭车”。如从1999年神舟一号发射任务开始，历次载人航天工程发射都会从珍贵的载荷资源中拿出一部分余量，用于作物种子和植物材料的空间搭载诱变实验。也正因机会难得，要想成为航空器的“乘客”，必须经过严苛的选拔。除了科研单位的项目要通过创新性、技术可行性评审，等待飞天的种子也必须通过纯度、净度、发芽率等标准的筛选。

珍贵的“船票”，只会交给基因型纯合、遗传稳定、综合性状优异的种子。

时间来到2006年，我国的农作物种子第一次拥有了太空专属“座驾”——实践八号返回式卫星成为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。当时，赵辉和同事面向全国各地征集了大量主栽作物和特色品种，在直径约1米、高约1.5米的小巧卫星返回舱内，满满地搭载了粮、棉、蔬菜、林果、花卉等九大类、2000余份种子，以及16种微生物、3种动物，总重量超过200千克。

30多年间，我国已经对几乎所有的农作物种子、大部分的林木花卉种子开展了航天器搭载。而除了干种子外，娇嫩的愈伤组织、活体苗、菌种甚至动物胚胎组织，也都经受住了复杂宇宙环境的考验。

在神舟八号与天宫一号的无人交会对接试验中，赵辉和同事希望利用这次飞行，开展高等植物在空间环境开花结实的实验。但神舟八号仅仅17天的飞行时长，显然不足以让一株番茄完成从发芽、开花到结果的全生命周期，于是赵辉团队在地面提前进行了番茄植株育苗。在严格的无菌环境下，番茄植株在小小的试管中萌发、抽芽。

当然，育苗过程要与发射时间精准契合。赵辉团队根据番茄的生长周期精确计算，选出一批适宜搭载、正结出花蕾的番茄植株材料“登船”。这些番茄也不负众望，乘坐神舟八号在飞行过程中成功开花，枝头也挂上了红彤彤的果实。

入地

种子辐射诱变如“开盲盒”

辐射诱变的原理其实并不深奥，一束射线恰好击中种胚的遗传物质结构，种子内部首先会启动损伤修复机制，尝试愈合“伤口”，这便是染色体片段插入、缺失、倒位、易位等突变产生的机会。

科学家早已发现，在地球上制造辐射环境，同样能够诱导种子产生突变，为什么还要费时费力到太空走上一遭？赵辉解释，这并不是白费工夫，太空中的环境更为复杂，经历真空、微重力、复杂磁场等宇宙环境的作用，接受太空宇宙射线的“洗礼”，种子的突变几率能得到大幅提升。更重要的是，比起经地面物理辐射的植物材料，太空种子的死亡率会大大降低。

例如常见的水稻，在地面自然条件下，其变异率约为20万分之一，即使在实验室里开展化学诱变，变异率也不过千分之几，而拥有太空经历的水稻种子变异率可达百分之几。突变的数量多了，出现有益突变的概率自然也就越大。实践证明，不少罕见的独特基因源就是通过航天搭载创制出来的。

在诱变过程中，种子的遗传物质为什么变、什么时候变、变成什么样，这其中存在着极大的随机性和不可控性。航天器所处的轨道高度不同，航行时长不同，诱发的变化就会不同。赵辉举例，返回式卫星通常在400公里左右的近地轨道飞行，而嫦娥五号“奔月”的飞行距离超过38万公里，期间还会穿过一条强辐射带，诱变条件自然迥异。不同品种的种子发生突变的概率也不同，要靠尽量大的搭载数量换取更多的变异。

这是“撞大运”吗？“其实这么说也没错。”赵辉笑道，航天诱变的过程就像是“开盲盒”，在实际培育前，谁也不清楚种子存在怎样的突变。但整体来看，在太空环境中种子可能出现的变异幅度大、突变点位多，变异的稳定性更强。

随着我国的航天活动越来越密集，科研人员不仅有能力把种子送上天，还能同时探测记录种子所处的空间环境。通过相关基础研究的开展，赵辉和同事在一层层地拨开航天搭载生物材料空间诱变的迷雾，探究不同的辐射剂量、辐射性质，究竟会对种子产生怎样的影响。“航天活动开展得越丰富，实验数据和实践经验积累得越深厚，我们就越有可能揭示出其背后的机理。”

一粒种子“上天”后，还要“入地”——重新扎根到泥土中。

“绝不是说一粒种子上过太空，回来之后直接种到地里，就叫航天育种了。”赵辉说，航天诱变只是航天育种漫长过程中的第一步，“我个人觉得最奇妙的事情在于，一粒种子进入太空再返回地球，经过短暂的旅程，它已不再是原来的那粒种子，而成为了全新的生物材料。”

在种子进入太空时，科学家在地面实验室同步保存一批和它们一模一样的“兄弟”种子。返回后的种子经过播种、种植，并与它的“兄弟”进行比对，寻找出发生变异的植株，再经过至少三四代的繁殖，才可能得到优势明显、性状稳定的突变谱系。

历经短则三五年、长则十余年的筛选鉴定、优中选优，最终由农作物品种审定委员会审定，“太空种子”才算得到认证。听起来这是个漫长的培育过程，但相比于常规的地面育种过程，其实已经按下了“快进键”。“以前要想找到一个新的育种材料，可能要历时十年、二十年，甚至得翻山越岭寻找自然突变植株，而短短几十天为一个周期的航天发射，就能带回大量的突变材料。”赵辉说，“我们常说‘巧妇难为无米之炊’，航天诱变就是为育种家们提供尽可能多的基因源材料，缩短育种周期。”

收获

“太空种子”已在全国广种

其实在百姓的餐桌上，太空作物早已不是稀罕物，水稻、小麦、番茄、草莓……平日里我们习以为常的食物，其种子很可能就曾有过“飞天”的经历。

有过航天经历的“太空作物”，是不是都会出现“奇形怪状”的外观？走进位于通州区于家务国际种业科技园区的神舟绿鹏农业科技有限公司，在种植栽培试验大棚里茁壮生长的“太空番茄”，外观与普通的品种无甚区别。吃上一颗才发现，这种小番茄不仅酸甜可口，嘴里还满溢着属于儿时的“番茄味”。

这正是神舟绿鹏公司通过航天育种，在2017年培育出的“草莓番茄”新品种，它不仅口味独特，产量也提升了两至三成。该公司2015年育成的“航椒S605”品种，更是已推广种植到了北京、河北、甘肃、新疆等地，新品种产量高、效益好、省人工，菜农表示“种两棚辣椒比一棚西红柿还轻松”。

在神舟绿鹏公司的种质资源库里，仅“太空番茄”的细分品系就多达500余个，此外航天辣椒、航天甜瓜、航天草莓等种子、果实也依靠优异的品质销往全国各地，北京市民在家门口的超市就能买到这些“航天品质”的农产品。

在神舟绿鹏公司，工作人员正在大棚内采收“太空番茄”。

也有人表示担忧，航天育种这项技术是否安全？赵辉说，航天育种的原理与自然界物种产生的变异相同，只是通过环境条件的改变加速了自身变异，没有导入外来或内源基因。科研人员也早已通过实验证明，“太空种子”没有增加任何放射性。

“航天育种最终要服务于农业生产，植株大小、颜色的改变只是表面现象。”赵辉说，在新品种的培育过程中，他们更看重的是农产品品质的提升。高产、抗病、早熟、优质……这些性状的变化，是科研人员最渴望的新型种质资源。例如植株的抗病性得到改良，其结出的果实在普通消费者眼中看不出区别，但能对农业生产起到极大助力，同时还能减少农药的使用。

一粒种子，通常只能长出一株幼苗，一茬茬地种、一茬茬地收，新品种的繁育，需要育种专家付出大量时间和精力。

但通过种源快繁技术，这个过程可以变得更轻松。在神舟绿鹏公司的组培工场里，数十种作物种苗正在进行组织培养，一个月前只有针尖大小的植物组织，已经在无菌容器中茁壮成长为几丛根苗。神舟绿鹏公司科研人员李珊珊说，植物的叶片、根系都能成为种源快繁技术的培养样本，通过组织培养，几十天内便能实现上千棵植株的繁育，让新品系、新品种的育成提速。

这里的实验室中也培育着仿佛被“太空魔杖”点过的新奇品种。一株仅有十几厘米高的粉红色月季正在密封的玻璃容器中盛放，这可不是艺术品模型，而是货真价实的月季活体植株。这便是经过神舟四号飞船搭载，又经神舟绿鹏公司选育而成的太空微型月季新品种。

而同样生长在培养皿中，仅有指甲盖大小的嫩绿太空芦竹幼苗，其实是个大家伙，其成熟植株能长到六七米高。在乘坐神舟十号上天后，太空芦竹摆脱了曾经“体弱多病”的标签，耐寒、耐旱、耐盐碱，还不怕病虫害，无需精心照料就能实现高产。它既能作为纸张板材原料，也具备极好的燃烧值，种植一亩相当于产出6至8吨褐煤，同时还避免了煤燃烧时产生的硫化物污染，因此获得了“植物煤炭”的称号。

“一粒种子改变世界”，赵辉表示，神舟绿鹏公司发展目标之一便是要搭建从实验室到产业的桥梁，成长为产学研相结合的现代种业企业和现代农业高科技企业，搭建航天工程育种平台，促进产业链的完善。

展望

“在火星种土豆”有望成真

目前，我国太空育种作物种植总面积已超过240万公顷，生产了130多万吨食品。据初步估算，航天搭载育种已产生直接经济效益超过2000亿元。

2003年8月，“华航一号”水稻成为我国首个通过国家农作物品种审定的航天诱变新品种，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。此外，高产小麦新品种“鲁原502”成为我国三大主推小麦品种之一；“Ⅱ优航1号”成为全国首个百亩亩产突破900公斤的“超级稻”；神舟三号搭载的苜蓿育成的新品种高产多叶、蛋白质含量高，填补了我国优质牧草品种的空白……

目前，我国航天育种的育成品种数量和推广应用范围处于世界第一位。空间诱变机理的研究水平和航天育种技术成果在农业上的推广应用水平，已经达到世界领先。

作为农业“芯片”，种质资源可谓是农业发展的命脉。赵辉说，在国家提出种业科技自立自强、种源实现自主可控的背景下，航天育种成为重要的种质资源创新技术手段，能帮助各专业领域的育种家、科学家获得更多的种质资源和育种材料。

在于家务国际种业科技园区，中国航天育种种质资源库正在逐步建立完善。在前期收集保藏突变体材料的基础上，种质资源积累由植物作物种子扩展至微生物菌种，种质资源创新将从以往的随机发射任务搭载，向空间诱变实验规律化定期搭载转变。

不过，航天育种的终极目标并不在地球之上。

在科幻电影《火星救援》中，宇航员在飞船损毁后为了生存，在火星上成功种出土豆。但在赵辉看来，这个情节“一点儿都不科幻”，我国在太空获得食物和营造生态系统的过程中，已经取得了诸多科研成果。

几天前，神舟十三号航天员乘组顺利返回地面，执行空间站建造阶段两次载人飞行任务的航天员乘组也已经选定，正在开展任务训练。未来，中国空间站将长期有人驻留生活、工作。

赵辉说，其实我国在实施载人航天工程和深空探测计划的同时，就开始着手研究地面高等植物在空间环境下的生长发育，以营造受控的空间生态系统，让人在太空环境下获得氧气、水分和食物来源。在“天宫二号”实验室中，航天员就已经成功种出了绿油油的生菜。未来，月球基地、火星基地的设想很可能变为现实，“会飞的太空农场”“在火星种土豆”等场景将不再是异想天开，人类的足迹有望延伸到更深邃的太空。