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深度关注丨航天育种:把中国饭碗端得更牢

发布时间:2023-09-07  来源:中央纪委国家监委网站  字体大小[ ]

   深度关注丨航天育种:把中国饭碗端得更牢

  中央纪委国家监委网站 柴雅欣

 

  图为刘录祥(左二)与相关育种专家在新疆维吾尔自治区奇台县田间考察太空小麦品种“航麦106”长势情况。 (中国农业科学院作物科学研究所供图)

  丰收在即,眼下,全国多个粮食主产区陆续进入秋收季,沉甸甸的收获是土地的馈赠,也有宇宙的“眷顾”。中国载人航天工程办公室近日发布消息,自中国载人航天工程立项实施以来,航天育种搭载实验3000余项,育成主粮审定品种240多个,年增产粮食约26亿公斤。

  航天育种也叫太空育种,是让种子搭乘着返回式航天器到太空“暂居”,利用宇宙射线、微重力、高真空等特殊环境诱发种子基因变异,再返回地面上选择可遗传的优良变异性状用于培育优质高产多抗植物新品种的育种方法。去过太空的种子有何不同?航天育种如何助力种业创新、打好种业翻身仗?记者采访了相关专家。

  航天育种具有变异率高、育种周期短等特点,可在相对较短时间内创制出性状优良的种质资源

  在距地面400公里的轨道上,中国空间站绕地球飞行,神舟十六号航天员乘组正在里面进行“太空科研”。同样进行中的,还有种子们的“太空旅行”。

  神舟十六号载人飞船航天育种实验项目清单近日公布。此前,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,并组织专家对申报项目进行评审,遴选出53个单位的136种航天育种实验材料实施搭载。

  航天育种材料种类丰富,既有主要农作物、经济作物等种子,也有不同地方主栽特色品种和珍稀物种的种子,还有微生物菌种。它们来自全国不同地区、单位,有些侧重于基础研究,有些则侧重于品种培育。记者在清单上看到,农作物种子份数最多,共有47份,其中包括粮食作物种子12份、经济作物种子28份、耐盐碱植物7份。此外,还有林草、花卉和药用植物76份,微生物和其它13种。

  “这次我们选送了三七、诃子等10种中药材种子随神舟十六号载人飞船一起升空,都是云南特色中药材,多为药食同源植物,开展航天育种工作具有较好的应用前景。”云南省农业科学院药用植物研究所所长李荣福说。

  李荣福告诉记者,该所从2013年起开展航天育种工作,当年6月选送中药材滇龙胆种子随神舟十号飞船升空。经过7年的组培、选育、扩繁、栽种实验过程后,科研人员最终选育出了优质、高产、高抗性的“滇龙胆航天1号”“滇龙胆航天2号”和“滇龙胆航天3号”3个新品种。从2021年开始,该所通过神舟十二号、神舟十三号、神舟十四号、神舟十五号、神舟十六号载人飞船搭载了以“十大云药”为首的29种中药材种子。

  中国农业科学院作物科学研究所从1994年开始航天育种研究工作,至今已有近30年。“近两年,我们主要开展了两方面的航天育种工作,一是对前期通过‘实践八号’‘实践十号’返回式卫星批量搭载的小麦种子进行系统筛选、鉴定、测试、品种审定和推广,以及航天突变机理研究;二是持续利用高能加速器开展地面模拟航天环境诱变因素,也就是高能重离子诱变育种及机理研究、创制突变体库等。”中国农业科学院作物科学研究所党委书记、副所长刘录祥说。

  刘录祥是我国航天育种工程首席科学家、国家农作物航天诱变技术改良中心主任,曾组织发射了“实践八号”世界首颗航天育种专用卫星。他告诉记者,与传统育种技术相比,航天育种最大的优势在于空间诱变材料的有益变异率高、育种周期短,可在相对较短时间内创制出高产、早熟、抗病等性状优良的种质资源。

  “中药材传统选育耗时长、成本也高,在中药材需求量不断增加、野生药材资源有限的背景下,航天育种技术能加快品种选育和人工规模化种植进程,丰富中药材种质资源库,推动中药材产业发展。”李荣福说。

  上天只是“万里长征”一小步,更多工作还要在地面完成

  在中国农业科学院作物科学研究所大厅,各式各样的“太空种子”被装在一排排贴有品种标签的透明罐子里。这些都是刘录祥和同事们辛勤数载的结晶。

  “目前为止,我们已经育成审定了‘航麦247’‘航麦2566’‘航麦287’‘航麦501’‘航麦3290’‘航麦802’‘航麦106’‘航麦818’‘鲁原502’等多个小麦太空品种,通过与种子企业联合实现了产业化应用,产生了显著的社会经济效益。”刘录祥说。

  “太空种子”是怎样炼成的?“种子筛选是航天育种的第一步。航天器的每一克载荷资源都很宝贵,上天的种子都是精挑细选出来的,必须具备综合性状优良、遗传稳定性一致、活力强发芽率高等特点。”刘录祥介绍。

  进入浩瀚太空后,不是每一粒种子都能被宇宙射线击中,也不是所有被击中的种子都能发生基因变异,一切都是未知数。因此,并非所有上过天的种子都能成为“太空种子”。

  上天只是走完航天育种“万里长征”一小步,更多的工作还要在地面完成。种子从太空回来后,育种人员要观察种子基因有没有改变、有没有往好的方向突变,并挑选出优良突变植株进行多代筛选、鉴定、淘汰、试种、审定,最终才能获得具有优质、高产、多抗等优良性状的新品种。

  筛选培育是一个漫长的过程,奔忙于试验田与实验室之间是育种科研人员的工作常态。“育种人员想要培育出比较成熟的新品种,至少要花费8年到10年时间,这还是在每一个环节都顺利的前提下,产量、抗性、品质、市场价值等每一项检验都要过关,任何一个环节出现问题都会前功尽弃。”刘录祥说,经过多年选育的种子在最后一年的生产性测试中,如果遇到某种病害流行或者高、低温等不利情况,不能有效抵抗,最终也会被淘汰。实践证明,能够一路“过五关斩六将”并被种子主管部门审定的新品种只有百分之几甚至千分之几。

  “鲁原502”是由中国农业科学院作物科学研究所和山东省农业科学院原子能农业应用研究所合作选育的广适高产优质小麦品种,也是目前为止我国航天育种中单一品种累计推广面积最大的农作物品种。

  “它最早是在1996年10月由我国第十七颗返回式卫星搭载返回,经过连年地面选择,于2000年选出早熟抗倒伏航天突变体‘9940168’小麦,以此为母本再与济麦19小麦杂交,2006年育成稳定的‘鲁原502’小麦,后续经过繁殖种子和参加国家小麦品种区域试验,于2011年通过国家品种审定,正式成为‘太空种子’。其中,航天搭载选育突变体用了4年,航天突变体杂交再选育稳定品系用了6年,繁殖种子和参加区域试验又用了5年时间。”刘录祥说。

  航天育种的安全性如何?针对这个问题,刘录祥曾专门做实验进行验证:“我们用专业的仪器设备,对我国第17颗返回式卫星搭载过的小麦种子进行连续48个小时检测。结果显示,与地面对照组比较,从太空返回的种子并未增加任何放射性成分。”

  “航天育种在本质上和自然界的变异相同,前者加快了变异的进程,提高了变异的频率,在培育高产优质农作物新品种,特别是重大突破性种质材料方面有着不可替代的作用。”刘录祥说。

  国家植物航天育种工程技术研究中心主任陈志强也表示,航天育种加速了植物本身遗传因子的进化,产生更优良的性状;航天育种品种需经过国家各级严格的比较试验,只有更优越的品种才能通过审定并应用。因此,航天育种无论在遗传还是应用上都是安全的。

  利用飞行任务开展的航天育种实验,先后审定数百个新品种,显著提高了农作物的产量品质

  “造船为建站,建站为应用”,中国载人航天工程立项30多年来,4000余项成果广泛应用于国家各行各业。其中,利用飞行任务开展的航天育种实验,先后审定数百个新品种,显著提高了农作物的产量品质。

  1987年8月5日,我国第九颗返回式卫星搭载着精挑细选的水稻、青椒、番茄等百余个品种的农作物种子飞向太空,由此揭开了中国航天育种的序幕。返回地球后,它们被分发至各地科研机构。经过杂交选育,这批种子中培育出了青椒“宇椒1号”、番茄“宇番1号”等一批优良新品种。

  往后,中国持续研究和应用航天育种技术,利用返回式卫星、神舟飞船等航天器进行种子搭载实验,在空间诱变机理的基础研究领域获得重要进展,在种质资源创新、育成品种数量、新品种产业化应用等方面表现突出,目前已处于国际领先水平。

  2006年9月,我国“实践八号”卫星成功发射,这是迄今全世界唯一一颗专门用于农业育种目的而发射的返回式卫星,堪称“种子专列”。刘录祥负责“实践八号”的主要育种工作,据介绍,该卫星搭载了水稻、小麦、玉米、棉麻纤维、油料作物、蔬菜作物、林果花卉、微生物菌种和小杂粮等2000多种类、约208千克的种子材料和机理研究装备,为我国育种研究工作贡献了丰富资源。

  时至今日,航天育种的成果早已走出实验室、试验田。前不久,刘录祥在微信朋友圈里发了一条丰收喜讯:“‘航麦106’新疆奇台农场实收面积21.28亩,亩产量为812.6公斤。”

  “航麦106”是由中国农业科学院作物科学研究所与新疆农业科学院核技术生物技术研究所,利用航天诱变育种技术联合选育的优良冬小麦新品种,于2022年通过新疆维吾尔自治区品种审定。据了解,“航麦106”在2022年和2023年连续两年在新疆实收测产亩产均超过800公斤,目前已转让给一家种业公司,加快产业化应用与推广。

  “鲁原502”具有产量潜力高、适应性广、抗倒伏能力强、水分利用效率高、品质优良等突出优点,在国家和山东省区试中产量均居第一位,分别较对照组增产10.16%和4.99%。“它的自身调节能力强,适应区域广,推广区域覆盖山东、安徽、河北、江苏、山西、新疆等6个省(区),目前累计推广面积近1亿亩,2018年成为我国第二大主推小麦品种,2019年获得国家科技进步奖二等奖。”刘录祥说。

  种子是农业的“芯片”,航天育种在促进种质资源创新方面大有可为

  种子是农业的“芯片”,一粒良种有如一把丰收的“钥匙”,是确保我国粮食安全的关键所在。

  我国是种质资源大国,但还不是种质资源强国,面临具有自主知识产权的种质资源匮乏等难题。航天育种作为航天技术、生物技术与农业育种技术相结合的高科技育种新途径,在促进种质资源创新方面大有可为。

  在李荣福看来,利用航天搭载中药材种质材料,可以创制和储备一批航天育种种质资源,建立具备自主知识产权的中药材航天育种种质资源库,形成高效航天育种技术,从而提升我国中药材种业自主创新能力,是实现种业科技自立自强、种源自主可控的有效途径。

  “航天诱变新种质突破助力育种水平提升,航天诱变新基因源共享助力行业整体水平提升,大量的航天诱变新基因成为生物育种创新的源头活水,而优质高产抗病新品种则有力地保障了粮食安全。”陈志强说。

  2022年年底,中国空间站全面建成,进入应用与发展阶段。神舟系列载人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。这也意味着,良种飞天将有更大的施展舞台。

  关于航天育种的发展前景,刘录祥提出了自己的见解:“育种家可以通过开发空间辐射生物学舱外暴露装备与技术,开展真正的太空诱变育种,构建基于空间站的航天育种新体系。我们可以精准设计和深度解析航天诱变机理,同时还可以开展航天育种关键技术及重大基因诱变发掘与性状整合,开发多样化的新品种,引领种业创新,打造‘航天生物+新业态’,助推太空经济发展。”

  此前,中国空间站问天实验舱装载的生命生态实验柜完成了太空环境下水稻和拟南芥的全生命周期培养实验,这也是国际上首次在轨获得水稻种子。在空间站种水稻、种菜,这是航天育种的一种形式吗?

  “这个严格来说是太空栽培或者航天种植。就像在地面种植水稻、小麦品种一样,只是在空间站存在微重力效应,需要特殊的生长装置。未来,我们或将直接在太空开展育种工作。”刘录祥说。

  上天、下地,播种、收获。随着航天育种技术向更高质量、更高水平迈进,我们也会将中国种子攥得更紧,把中国饭碗端得更牢。

中国农业农村网摘编亓荃鹏

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