太空育種(航天育種):育種介紹,概念簡介,特點分析,總體概況,研究領域,育種原理,

太空育種即航天育種，也稱空間誘變育種，是將作物種子或誘變材料搭乘返回式衛星或高空氣球送到太空，利用太空特殊的環境誘變作用，使種子產生變異，再返回地面培育作物新品種的育種新技術。

基本介紹

中文名：太空育種
別稱：航天育種
又稱：空間誘變育種
利用：利用太空特殊的環境誘變作用

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育種介紹

概念簡介

太空育種：也稱空間誘變育種，就是將農作物種子或試管種苗送到太空，利用太空特殊的、地面無法模擬的環境(高真空，宇宙高能離子輻射，宇宙磁場、高潔淨)的誘變作用，使種子產生變異，再返回地面選育新種子、新材料，培育新品種的作物育種新技術。太空育種具有有益的變異多、變幅大、穩定快，以及高產、優質、早熟、抗病力強等特點。其變異率較普通誘變育種高3-4倍，育種周期較雜交育種縮短約1倍，由8年左右縮短至4年左右。世界上只有美國、俄羅斯、中國成功地進行了衛星搭載太空育種。我國是1987年開始將蔬菜等搭載上天。

太空育種是集航天技術、生物技術和農業育種技術於一體的農業育種新途徑。是當今世界農業領域中最尖端的科學技術課題之一，通過已進行的太空農業試驗，植物、動物等生物體的許多特性奧秘被揭示。世界上只有美國、俄羅斯、中國三個國家擁有返回式衛星技術。在這方面，中國走在世界前列。

特點分析

科學家認為，太空育種主要是通過強輻射，微重力和高真空等太空綜合環境因素誘發植物種子的基因變異。由於億萬年來地球植物的形態、生理和進化始終深受地球重力的影響，一旦進入失重狀態，同時受到其他物理輻射的作用，將更有可能產生在地面上難以獲得的基因變異。綜合太空輻射、微重力和高真空等因素的太空環境對植物種子的生理和遺傳性狀具有強烈影響，但是究竟主要是哪些因素產生影響，以及如何產生影響，至今還沒有定論。經歷過太空遨遊的農作物種子，返回地面種植後，不僅植株明顯增高增粗，果型增大，產量比原來普遍增長而且品質也大為提高。到目前為止太空育種取得了不錯的成效，但仍無法控制種子的變異方向，只能是任其發展，這是當今世界的科學空白區，等待著科學家們去做進一步的探索。

太空環境對植物基因產生影響已經得到各國科學家的證實，但是對太空育種原理的解釋仍在爭論之中。

總體概況

2002年6月，美國威斯康星大學空間實驗室開始開展空間誘變工作。把玫瑰帶上天，目的是獲得玫瑰油含量高的玫瑰突變體；同時還有大豆，主要是為了獲得優良的大豆性狀。俄羅斯曾把做聖誕樹的青桿或白桿(松科冷杉亞科雲杉屬植物)帶上天，西伯利亞和哈薩克斯坦地區大面積種植，從太空回來的聖誕樹長得非常高大。美國曾放棄空間誘變工作，正在加緊研究。利用太空環境研究植物生長發育和遺傳變異的工作始於20世紀60年代。我國的太空育種始於1987年，最初只是想了解種子經過太空搭載會發生什麼變化。我國自1987年8月5日第1次利用返回式衛星搭載植物種子以來，已成功進行了10餘次太空育種試驗。先後共有70多種植物的l 000多個品種的種子進行了太空育種試驗，共吸引全國23個省(市)的70多個單位參與種子搭載試驗。通過太空育種，水稻出現了大穗、大粒、優質、高產新品系，如經太空誘變育種培育出的航育1號水稻新品種株高降低14 cm，生長期縮短13 d，增產5%～10%；水稻新品種華航一號穗大、粒多、結實率高，可增產10%，產量達7 500 kg/公頃。此外，通過太空育種還獲得了許多矮稈、豐產、早熟的小麥新品系，其產量較一般品種高10%～15%；在青椒育種方面，通過太空育種培育出l批高產、優質、抗病的新品系，如8-2青椒的單果重>250g，產量751300kg/公頃，維生素C含量增加20%。

據不完全統計，迄今為止，中國已經有22個省(市)參與了航天育種工作，通過國家審定的品種已經有38個，80多個品種在大面積推廣。以前太空育種多集中於水稻、小麥及蔬菜，而現今已經延伸至林業中的用材林木、城市森林景觀的園林植物、還有當今被稱為能源植物的油料植物，其中部分品種已經大面積推廣，特別是在廣西、福建、甘肅都有大面積種植。1994年和1996年四川農業大學玉米研究所率先在國內開展玉米空間誘變育種研究，從中獲得1份具有矮化作用的由隱性單基因控制的細胞核雄性不育新材料，為遺傳學研究和育種利用提供了寶貴資源。該不育材料的雄穗不發達，分枝少，分枝頂端有退化跡象，不育株無任何花葯外露。不育花葯瘦癟、細小，只有可育花葯的1/3大小。擠壓不育花葯使其破裂，沒有花粉散出，敗育徹底，育性表現穩定，不受光照和溫度等環境條件影響，是1個“無花粉型”的雄性不育。生物在太空環境中性狀發生改變的主要原因是，太空環境因素引起染色體損傷，導致生物體對受損部位進行修復，在大量修復過程中造成修復出錯，使染色體DNA結構發生改變而造成表達性狀的變異。

研究領域

早在20世紀80年代，林木遺傳育種界就接到航天部門的徵詢，是否有林木種子送上天。出於試驗周期長和輻射難以改變數量性質等認識，此事並沒有得到回響。如今，專家逐漸開始關注林木種子上天一事，是因為種種原因發生這樣2個變化：①林木遺傳育種目標改變。由過去單一的追求林木生長量轉變為追求多種經濟效益和適應性；②對太空的認識也發生了變化。

學術界意識到太空有許多輻射是人類試驗難以模擬的。因此，專家們越來越期待通過林木種子上天，來改變林木種子的質量性狀，如色彩和粒性等由單基因控制的性狀，以期在林木遺傳育種領域尋求新的突破。這是時代發展的結果，也是林木遺傳科學發展的結果。

早在20世紀50年代，林業界就開始了人工誘變的研究。對毛白楊進行人lT輻射誘變後，葉子出現了缺刻現象，葉面無毛，但生長沒有變化。林木生長周期長，十幾年甚至幾十年才半個輪伐期，輻射後產生的影響很難在短期內得到證實。但在從事其他科研的同時，應選擇適當的林木種子和植物材料送上天，經過太空輻射後對其效果進行研究應該是有理論價值和實踐意義的。小粒的種子及花粉送上天是現實舉措。為了試驗方便，最好是不同樹種的花粉、不同大小的種子一起上天，以便進行對比研究。儘管難以說清林木種子上天的問題，但對其前景充滿信心和期待。

育種原理

安全性

太空食品和普通食品沒有什麼區別，是很安全的食品。關於太空食品安全性的問題，專家普遍認為，太空育種並沒有將外源基因導入作物中使之產生變異。作為誘變育種技術，太空育種可使作物本身的染色體產生缺失、重複、易位、倒置等基因突變。這種變異和自然界植物的自然變異一樣，只是時間和頻率有所改變。太空育種本質上只是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。太空中宇宙射線的輻射較強，這是植物發生基因變異的重要條件。人工輻射育種中的輻射劑量只是國際食品安全輻射量的幾十分之一，而太空中的輻射劑量還不到輻射育種輻射劑量的百分之一。宇宙射線引起的基因變異經常會讓人想到轉基因食品。轉基因作物是將外源基因導入植物體內而培育出的新品種，如轉基因大豆是將非大豆植物甚至動物、微生物的基因導入而產生的變異。而太空育種則是讓作物的種子自身發生變異，沒有外源基因的導入。我國頒布的有關轉基因安全管理規定中特別排除了對自身通過突變產生的新物種的管理，這也說明太空育種是非常安全的，不用擔心其產品的安全性。太空食品是按照人類需要選擇出來的，不是轉基因食品。至於污染，則是栽培方法和使用農藥、化肥的問題。

套用實例

太空育種已得到一定程度的套用。太空椒的果實比在陸地上培育的果實要大得多，口味、重量和外形發生了變化。太空黃瓜航遺一號早已通過了國家品種審定，最大單果重1 800 g，長52 cm，Vc含量提高了30%，可溶性固形物含量提高了20%左右，鐵含量提高了40%。說明太空誘變可以獲得高營養成分、口感好的突變體。太空菜葫蘆長達75 CITI，平均單果重4 kg左右，最大單果重8 kg，含有可治糖尿病苦瓜素。太空番茄平均單果重在350 g左右，最大單果重375 g，產量75 000 kg/公頃左右。此外，太空搭載的長形茄子，單果重達350 g，口感非常鮮嫩。太空甜椒872可溶性固形物含量提高了20%，在太空甜椒中獲得了1個黃色後代和1個紅色後代，可以獲得太空五彩椒系列，而不同於以往五彩椒通過太空誘變獲得的黃色甜椒和紅色甜椒。雖然太空育種前景誘人，但這項事業的產業化還不盡如人意，許多成果還停留在中試階段和小規模生產階段。據統計，以套用太空育種最多的水稻為例，最好的品種也只推廣了20萬公頃，這和雜交水稻推廣上千萬公頃的規模有天壤之別。

應當看到，太空育種是1個全新的交叉學科，涉及諸多領域，如航天技術、輻射技術、生物技術等，其本身還不是十分成熟和完善。太空搭載畢竟很少，主要是水稻和小麥。因為我國是1個農業大國，太空育種技術受到重視，我國在太空技術方面雖然不是第1位的，但是在太空農業育種方面應該是第1位的。常規育種中的雜交技術一般需要8 a才可以獲得新品種，太空育種可以縮短一半時間，太空搭載回來以後，在地面上必須要進行不少於4代的培養。太空育種是1個很好的能夠縮短育種周期的方法。

影響因素

種子純度

在國內外，種子搭載之前首先要進行種子的純度檢測，保證種子的純度。搭載回來以後要進行地面第1次試種，出苗時形態性狀，如株高、長勢等肯定會表現很多性狀分離，要對每1株進行檢測。選擇有良好變異的單株進行第2代種植，仍然出現非常大的性狀分離，把性狀不好的全部淘汰掉，把好的突變體後代再進行第3代種植。第3代種植後，把最好性狀的種子蒐集起來種植第4代，一般第4代很穩定，即獲得了1個穩定的新品種。

生長環境

要特別注意種子生長過程中的生長環境問題，很多品種表現型上的退化不是真正的品種退化，而是因為周圍授粉環境不好。比如太空椒，旁邊種的不是太空椒的花粉傳過來，其後代又有可能返回原始性狀。因此，要保持太空椒的優良性狀，關鍵是要為其創造良好的繁殖環境。

太空停留

對於在太空停留時間對太空育種結果的影響這一課題，華南農業大學做過以下試驗：把種子按照順序排在核激板上，等種子回來之後，從核激板上可以探測出種子經過高能離子輻射的次數。由於太空育種的精確度上難以控制，帶有一定的盲目性，因而種子被高能離子擊中的次數並不是越多越好，在太空中停留時間並不是越長越好。只要高能離子能夠準確擊中種子的DNA鏈條，並且是向著人類需要的方向組合就可以。太空育種結果與在太空停留時間沒有太大關係。俄羅斯將在和平號空間站搭載6 a的番茄種子贈送給我國，其後代表現並不優於我國太空飛行器搭載20多天的結果。這正是由於太空有許多輻射條件是人類試驗難以模擬的，人為控制太空受輻射的強度或劑量是不可能的。畢竟高能離子的輻射是隨機的。太空育種必須要配合田問觀察和選擇等常規育種手段，這是不可分割的，同時還要採用分子檢測手段。

研究進展

據統計，一般種子太空中突變率僅在0.05%———0.5%之間，一點變化都沒有的種子有很多。

原中國科學院遺傳所研究員，被稱為“中國空間育種第一人”的蔣興村告訴記者，太空育種主要是通過強輻射，微重力和真空等太空綜合環境因素誘發植物種子的基因變異。由於億萬年來植物的形態、生理和進化始終受地球環境的影響，因此一旦進入太空將有可能產生地面上難以獲得的基因變異。從衛星搭載回的物品中精選出優質的品種，植物的果實大小、營養物質的含量以及抗病蟲害等方面均有顯著改善。植物的種子只要送上太空就能產生突變？種出的蔬菜瓜果就能增產嗎？對於太空育種的宣傳，往往讓人對太空育種的神奇充滿嚮往。大連海事大學環境系統生物研究所所長孫野青教授說，不是說只要種子上過太空，就一定會發生突變。並且不同品種其突變率也有很大差別。經過統計，一般種子突變率是在0.05%———0.5%之間，一點變化都沒有的種子有很多。在所發生的突變中，也並非全都是抗病能力增強、高產和早熟等有益變異，甚至從總體上來看，減產、抗病能力減弱等不利於生產的劣性突變表現得更多，因為太空畢竟是一種特殊的極端環境。

實際上，種子所謂“好”與“壞”的突變都是人為選擇的，突變本身是無所謂優劣，做基礎研究時，很多“劣性突變”更有利於進行研究種子對宇宙空間環境的敏感性，以及種子在基因修復機制上的研究。

成果簡介

自1987年以來，我國利用返回式衛星和神舟飛船，先後進行了10多次搭載，有1000多個品種的種子和生物材料上天。

由於植物種子體積小，攜帶方便，在選育新品種方面具有較大的選擇空間。已進行搭載的有糧食作物類：小麥、水稻、大豆、玉米、綠豆、豌豆、高粱等；蔬菜類：西紅柿、辣椒、黃瓜、甜菜、茄子、蘿蔔等；經濟作物有棉花、菸草等；花卉有萬壽菊、雞冠花、三色堇、龍葵、荷花、百合等；中草藥材有黃芪、甘草；樹木種子有油松、白皮松及石刁柏，還有草坪種子。

通過太空育種，培育出了一批新的突變類型和具有優良性狀的新品種。例如水稻種子經衛星搭載，獲得了植株高、分孽力強、穗型大籽粒飽滿和生育期短的性狀變異。增產20%，單季畝產400--600千克，最高達750千克。蛋白質含量增加8%--20%，胺基酸總含量提高53%。太空小麥培育出矮桿、早熟、抗倒伏、抗病害、蛋白質含量高的豐產類型。

太空青椒枝葉粗壯，果大肉厚，免疫力強。單果重350--600克，單季畝產3500--4000千克，最高可達5000千克，比普通青椒增產20%--30%，經中科院遺傳研究所檢測分析，太空青椒所含維生素C提高20%，可溶性固形物提高25%，病情指數減輕55%。太空黃瓜，藤壯瓜多，瓜體奇大，單果重850-1100克，抗病力強。特別是雌花開得多，是地面瓜秧的1.5倍。雖然它的皮厚了點，但瓜肉非常清涼爽口、汁多肉嫩。

太空番茄長勢尤為喜人，株高莖粗，果穗增多，比常規番茄增產15%以上，最高可增產23.3%。黑龍江農科院園藝所選育的“宇番一號”，在全國推廣種植面積已超過100萬畝。

“太空櫻桃番茄”，含糖量高達13%，與柑桔含糖量相當，口感鮮甜，可當水果食用。

太空西瓜的顯著特點是含糖量達13%以上，可溶性固形物增多，纖維少，個頭大，吃起來沙甜可口。

太空玉米能結出6-7個“棒子”，可長出5種顏色，而且味道也比普通玉米好。

太空搭載的雞冠花、麥稈菊、蜀葵、矮牽牛等，都表現出開花多、花色變異、花期長等特點。尤其是粉色的矮牽牛，花朵中出現了紅白相間的條紋。更令人驚奇的是萬壽菊的花期竟延長到6個月以上。

游過太空的大蒜能長到近半斤重，太空蘿蔔的幼苗讓害蟲敬而遠之，本來無法雜交的秈稻和粳稻自從週遊過太空後也能雜交了。

太空育種的效益和成果吸引了美國、俄羅斯，保加利亞、菲律賓等國家，都希望與我國合作。上天“修煉”回到“塵世”的太空種子，具有十分廣闊的市場，必將灑播廣袤的大地，生產出更多更好的太空食品，給人類帶來無限的福音！

食品安全

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。很多人都有些不放心，這些東西敢吃嗎？經科學家檢測分析，可以非常負責地告訴大家：經過太空育種的水稻依然是水稻，青椒依然是青椒，並無外來生物基因導入與整合，物種沒有發生本質的變化。這就比如DNA的基因排列是“1、2、3、4”，經太空育種後的基因排列是“1、3、4、2”，只是排序發生變化。而轉基因植物里則有“5”進來，所以就出現了"土豆吃出牛肉味"，"豬肉吃出菠菜味"之說。可見，太空育種與轉基因有著根本的區別。

明白了這個道理，當你看到經太空遨遊後的黃瓜像胳膊一樣粗，茄子如籃球一般大時，大可不必過於擔心，完全可以放心食用。

美國曾對哥倫比亞號太空梭搭載的番茄種子及果實進行化驗分析，結論是：“無毒，可以食用。”聯合國的國際糧農組織、國際衛生組織、國際原子能機構已經聯合認定：太空種子是安全種子，太空種子培育出的農作物是健康食品。

意義分析

人類的生存、生產活動隨著科學技術和國民經濟的發展從最初的陸地、海洋、大氣層進入地球軌道空間和外層空間，並且開始適應、研究、認識、利用和開發太空環境，這是人類文明史上的一次偉大飛躍。

太空環境蘊藏著極其豐富和多種多樣的資源。太空育種這一選育良種新手段，具有不可低估的經濟效益和社會效益。太空育種也是利用太空資源的一次成功的嘗試。

先進的航天技術為快速培育優良品種及特異種質資源開闢了一條新途徑，為人類進入太空農業時代展示了美好前景。太空蔬菜培育的二代、三代已經表現出高產、抗病、維生素含量很高等特性；太空花卉普遍在花期、花型、株型、顏色等方面發生了變化。有的花期變長，有的縮短，原來紫色的花，能成為白色、紅色。

人類是要利用這些新品種帶來的特殊價值。一般來講，各地搭載的種子都是選擇當地增值效益高、有當地特色，並可以大面積種植的品種。獲得優良品種後，達到產業化就會對當地的農業經濟有直接而顯著的促進作用。比如中科院遺傳與發育生物學研究所在北京培育的紫花苜蓿、沙米、紅豆草、冰草匍匐，四種草有這樣的特點：特能抗寒抗旱。尤其是紫花苜蓿還有較高的蛋白質含量，能像韭菜一樣，一茬一茬地割，與未經搭載的對照株相比，它的存活期變長了，而且不易枯萎。據介紹，專家們將繼續對呈現變異特徵的太空"草民"進行篩選和接種，一旦它們的變異特徵穩定下來，將被大面積種植在我國西部地區及北京周邊，用來防止草地荒漠化，堵截沙塵暴。

優質的品種就有可觀的市場價格，據悉美國的太空番茄比優質蘋果還貴。

太空育種可以縮短育種周期。據專家介紹，正常的農業育種一般需要8年時間，太空育種可以縮短一半的時間。但從太空搭載回來以後，在地面必須要種植四代，才可以選育出性能穩定的品種。

發展前景

對於太空育種未來發展前景，應重點選擇用於西部開發的生態恢復的植物。因為支援西北地區，要有大量飼草、固沙的草本植物和灌木、抗寒和抗旱的樹種，同時還要搭載能源植物和中草藥。蔬菜要選擇精品蔬菜種子搭載。花卉主要是搭載試管苗和高附加值的花卉。林木方面，神舟4號飛船搭載了美國紅櫨、楊樹和紅豆杉3種經濟樹種，今後我國還應繼續搭載林木樹種，同時還應從俄羅斯引進經過和平號空間站搭載的樹種。

種子產生突變後的效果主要和在太空中接受輻射的劑量多少、時間長短和所處的位置有關，和本身是什麼種子沒有關係。

從太空回來的種子經過培育，挑選出的優良品種要經過不少於4代的種植，其中的每一代遺傳性狀都有所分離。如果4代後有幸篩選出一個新品種，還需要國家有關部門的品種審定，這一過程至少需要3年，之後專家審定合格後才能拿到證書。

客觀地說，對於是否搭載木本花木種子的問題，林木遺傳育種界的反響並不很迫切。原因是多方面的，其中最重要的是木本植物自身的特性。許多林木遺傳育種專家認為，由於1、2 a生植物的種子對外界刺激比多年生木本植物更敏感。林木生長周期長並凝聚著很高的生物量，使林木遺傳育種的研究與農作物相比要困難得多。誘變育種在草本花卉育種中也有很大價值，誘變後可使花卉變得奇形怪狀，提高花卉的觀賞價值。而林木育種則不同，人們對林木的期待，更多的是對數量性狀的要求，特別是生長量的要求，而這是由數量基因控制的。根據微效多基因假說，林木的數量基因是眾多的，其中某個或某幾個基因的改變對提高林木數量性狀的效益並不顯著。專家所做的大量試驗已證明了這一點，這可能正是長期以來，林木遺傳育種專家並不看好搭載林木種子的原因之一。

太空育種