航天育種：來自太空的神奇！
文/奇雲
1、航天工程給力航天育種
2022年4月16日，神舟十三號航天員翟志剛、王亞平、葉光富完成六個月的飛翔使命後，搭乘神舟十三號載人飛船返回艙安全回家。4月17日下午3時，返回艙開艙活動在北京進行，雲南省政府、寧夏回族自治區政府、陝西榆林市政府、中國農業大學、北京林業大學、北京市農林科學院、中農發種業集團股份有限公司、航天育種產業創新聯盟等單位搭載的作物種子順利出艙。
雲南此次選送的太空搭載樣品主要是「十大雲藥」和雲南特色中藥材，包括：雲木香、鐵皮石斛、天麻、薏苡仁等10種雲南特色中藥材種子，重量是61.8克。
搭載神舟十三號返回的不僅有中藥材種子，還有水稻、食用菌、生菜等各類糧食、蔬菜種子，以及紫花苜蓿、燕麥、中間偃麥草、紅三葉等牧草種子，它們來自不同地區、單位，有些側重於基礎研究，有些則側重於品種培育，可謂「八仙過海、各顯神通」。
我國航天育種始於1987年。當年的8月5日，我國第九顆返回式衛星搭載著精挑細選的小麥、水稻、青椒等百餘個品種的農作物種子，順利完成了首次「太空之旅」。返回地球後，它們被分發至各地科研機構。經過雜交選育，這批種子中培育出了大豆「鐵豐18」、棉花「魯棉1號」等一批獲得國家發明獎的優良新品種。
2006年9月9日，中國長征2號C火箭又成功地將實踐8號育種衛星送入太空。這是世界上第一顆專門服務於農業科技、應用於航天育種的衛星。
實踐8號育種衛星把糧、棉、油、蔬菜、林果花卉等9大類2000餘份約215千克農作物種子和菌種帶到200～400千米的太空進行空間環境下的誘變飛行試驗，共包括了152個物種，其中植物133種、微生物16種、動物3種。其主要任務用於航天育種試驗和研究，進而探索出航天育種方面的規律。
目前，我國航天育種的育成品種數量和推廣應用範圍處於世界第一位。
我國共開展了30餘次植物種子、菌種、試管苗的搭載升空，培育出近千個航天育種新品系、新品種，建成近百個具有一定規模的航天育種技術試驗基地和新品種產業化示範基地，航天工程育種正在農業、林業、微生物製造業等眾多產業領域發揮著重要的牽引和帶動作用。航天種子年推廣面積超過5000萬畝，產生直接經濟效益超過2000億元。
近年來，我國全面實施載人航天工程與月球探測工程等國家科技重大專項，為航天育種提供豐富的試驗環境和有力的技術支持。我國獨立自主的載人空間站的建成，也為航天育種的科技研究提供豐富的空間資源和太空研究環境。月球探測工程的實施，也將為解決種子基因在近地空間輻射條件下不能得到很好變異等問題，提供有力的科學研究手段和月球空間實驗環境等。
2、太空環境誘變地球來客
航天育種的規範名稱是「航天誘變育種」，又稱「太空育種」、「航天工程育種」等。它是通過返回式太空飛行器把農作物的種子帶到太空環境當中，利用太空微重力、高真空、宇宙輻射和弱磁場等特殊太空環境，對植物、微生物的誘變作用，使植物種子或菌種的基因產生變異；太空飛行器返回地面後對搭載物進行培育、篩選，最後培育出優質高產的新品種。
與傳統育種方式相比，航天育種具有變異頻率高、變異幅度大、有益變異多、變異穩定性強、育種周期短等特點。
據統計，空間誘變育種的變異率可達4％以上，而地面自然變異的概率僅為二十萬分之一。傳統育種方式一般需要6-10年，而航天育種通過太空多種特殊條件的誘變，能縮短至4-5年。
例如常見的水稻，在地面自然條件下，其變異率約為20萬分之一，即使在實驗室里開展化學誘變，變異率也不過千分之幾，而擁有太空經歷的水稻種子變異率可達百分之幾。突變的數量多了，出現有益突變的概率自然也就越大。
受太空誘變因素影響，航天育種不但能出現一些如產量、株高、生育期、品質、抗病性等常規誘變育種的變異，還能出現一些其它理化因素處理較少出現的特殊變異類型。如：水稻早熟突變，大穗型變異；蔬菜大果型變異，不育性突變；花卉變形變異，花色變異等。
目前，人們對航天育種產品的安全性還存在一定程度的誤解，把它和轉基因食品混淆起來。實際上，二者是完全不同的概念。轉基因產品是將人工分解和修飾過的外來基因直接導入另一個生物體基因組中，引起生物體性狀發生變化，比如，把小麥的基因移植到水稻上，甚至有時是從某種微生物、動物身上提取基因，轉到農作物上。航天種子在太空誘變因子作用下發生突變的結果，是沒有外界基因的注入，生物物種原來的基因組沒有改變。航天育種本質上只是加速了生物界需要幾百年甚至上千年、萬年才能產生的自然變異。
早在上世紀80年代初，世界糧農組織、世界衛生組織、國際原子能機構三家聯合發布過一個聲明:輻射誘變產出和深加工的產品對人體是安全的，所以航天育種也是安全的。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。
3、三道程序培育航天種子
在大多數人的印象里，在太空轉過幾圈並返回到地面進行種植的種子就是航天種子。其實，這種「航天種子」不是真正意義上的航天種子。
因為經過太空「點化」的種子，有的發生變異，有的不發生變異；有的發生好的變異，有的發生壞的變異。即使出現優異突變，也不可能即刻就能穩定遺傳。
想分清楚哪些是我們需要的，就必須先把它們播種下去，連續繁育三四代，才有可能獲得遺傳性狀穩定的優良突變系。
每撥種子都要經過連續幾年的篩選、鑑定，其中的優良突變系再經過考驗和權威部門的審定，才能稱其為真正的「航天種子」。
具體說來，航天種子的培育需要經過三道程序：
第一道程序是「種子篩選」。
送上太空的種子必須是遺傳性狀穩定、綜合性狀好的種子,這樣才能保證航天育種的意義。在把篩選出的種子帶上太空之前,研究人員還要在地面留下相關對照種子。之後,與從太空帶回來的種子同時種植,平行進行,這樣才能進行外觀、抗病等不同性狀的對比。
第二道程序是「天上誘變」。
利用衛星和飛船等太空飛行器將種子送上太空,再利用其特有的太空環境條件,對植物的誘變作用產生各種基因變異。誘變表現得十分隨機,不是每顆種子都會發生基因誘變,其誘變率一般為百分之幾甚至千分之幾。而有益的基因變異，僅是千分之三左右。種子搭載只是走完萬里長征的一小步,整個研究最繁重和最重要的工作是在後續的地面上完成的。
第三道程序是「地下攻堅」。
搭載回來的種子叫做「第一代種子」，由於這些種子的變化是分子層面的,想分清哪些是我們需要的,必須先將它們統統播種下去，不做任何篩選。第一代植株收穫的種子全部再種下去，長出來的叫第二代，這才開始選長得「好」地做種子，例如篩選變矮稈的，以便增強抗倒伏性能；篩選穗子變大的，以提高產量；篩選變早熟的，以提早收穫期等等。選擇出第三代種子繼續再播種、篩選,讓它們自交繁殖,目的是看這些突變性狀是否真正能夠穩定遺傳。經過進一步篩選，再進行一定規模的群體比較試驗，有時還要拿到多個試驗點去異地試種鑑定，看看在不同自然環境下是否都能表現出優良性狀。如此繁育三、四代後,才有可能獲得遺傳性狀穩定的優良突變系。其中的優良突變系再經過考驗和農作物品種審定委員會的審定，才是真正的「航天種子」，才可以進行推廣應用。
4、航天育種結出累累碩果
早在20世紀60年代初，前蘇聯及美國的科學家就開始將植物種子搭載衛星上天。
1984年，美國將番茄種子送上太空，逗留時間達6年之久，返回地面後經科研人員試驗，獲得了變異的番茄。
1996年至1999年，俄羅斯等國在「和平號」空間站成功種植小麥、白菜和油菜等植物。
到2009年底，美國國家航空航天局所屬的作物生理學實驗室，已經篩選出適合空間站培植的超矮小麥、水稻、大豆、豌豆、番茄和青椒等作物品種或品系。然而，美、俄搭載種子進入太空的目的不是為了進行航天誘變育種。美國前期的搭載項目主要是利用植物種子探測空間環境的安全性，為載人航天進行前期準備。
到20世紀80年代空間站建立後，美、俄等國開始進行種子太空栽培實驗，主要目的是研究種子在空間的生長情況，探索空間條件下植物生長發育規律，完成種子在空間特殊環境下的播種和生長，為太空人長期在空間居留提供食物供給。
我國的航天育種始於1987年。1987年8月5日，我國第九顆返回式科學試驗衛星將水稻和青椒等農作物種子送上了太空。當然，這次試驗的主要目的並非誘變育種，而是研究空間環境對植物遺傳性的影響。
1996年，農業部正式將「作物空間誘變育種」列為「九五」部級重點課題。
2002年，科技部將農作物航天誘變育種課題正式列入國家「十五」863計劃。自此，航天誘變育種的概念在世界上首次被正式提出，中國開始致力於發展育種衛星。
2003年4月22日,國務院批准《關於審批航天育種工程項目可行性報告的請示》，航天育種工程項目正式立項。
2005年7月26日,國防科工委正式批准《航天育種系統工程研製總要求》,工程開始實施。
2006年9月9日，中國第一顆、也是迄今世界上唯一一顆專門用於航天誘變育種的衛星——「實踐」八號成功發射，標誌著航天誘變育種從零星搭載到研究和技術應用的質的飛躍。
2011年，航天工程育種技術及產業被納入我國「十二五」戰略性新興產業規劃。國家相關支持政策紛紛出台，核心內容為加強航天工程育種技術研發並推進其產業化進程；形成空間搭載的長效機制；推進航天育種服務現代農作物種業體系。
如今，中國航天育種已經結出累累碩果，產生了良好的經濟效益和社會效益。
在水稻方面，水稻種子經衛星搭載育種試驗獲得了株高、分粒力、穗型、粒型和生育期等性狀變異。經選育試種已獲得增產20%的豐產優質品系，畝產可達400～600千克,有的達750千克，且蛋白質含量增加8%～20%。例如：「II優航1號」成為全國首個百畝畝產突破900公斤的「超級稻」；「華航一號」水稻成為我國首個通過國家農作物品種審定的航天誘變新品種，目前由該品種再次繁育而成的，具備豐產、抗稻瘟病、矮稈等種質的新水稻品種已達42個。
在小麥方面，已獲得矮杆、早熟和豐產材料，培育出了矮杆抗倒伏、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。利用航天突變系「9940168」和「濟麥19」進行常規雜交後系統選育出的高產小麥新品種「魯原502」，年推廣面積超過1500萬畝，累計推廣面積超1億畝，成為我國三大主推小麥品種之一。
在穀子方面，經太空處理的種子誘發多種變異，如穗粗長、穗型奇特（雞爪形、球形）、不育型等，為進一步培育穀子新品種提供了可行性。
在西部大開發戰略的實施中，國家林業局用航天育種技術為西部地區的防沙、治沙培育優良草種，支援了西部地區的生態建設。為使航天育種產業化，擴大培育優良品種的範圍，中國農業部門利用返回式衛星技術，發射了專用於農業的衛星實踐8號，使我國的航天育種工作再上一個新的台階。
此類例子不勝枚舉，諸如：
「航豐1號」棉花平均畝產皮棉180千克,比常規棉花多出70千克；
「航椒1號辣椒」，維生素C含量為234毫克，比一般辣椒提高了183%左右；
「太空5號小麥」口感好，產量超過傳統品種10%以上；
「太空萬壽菊」花期延長，能達到9個月。
「宇航二號」水稻，穗長由18厘米增加至22厘米，每穗總粒數由80粒增加到158粒，每畝增產稻穀155千克；粗蛋白含量由原品種的8.7％提高到12.08％。
「航天芝麻1號」，個大、抗病、抗倒伏，平均株高比其它品種高2．2米，單株蒴果98粒，培育成功後，就被一家上市公司以100萬元買斷了生產和全國經營權。
太空黃瓜「航遺一號」，藤壯瓜多，瓜體奇大，最大單果重1 800克，長52厘米，直徑為6厘米，維生素C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％。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，平均單果重在350克左右，最大單果重375克，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。目前，僅「太空番茄」的細分品系就多達500餘個
「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。
太空菜葫蘆，長達75厘米，平均單果重4千克左右，最大單果重8千克。
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。
還有抗病番茄、速生林木、優質中草藥、高產小麥等航天種子也相繼誕生。
在微生物菌種選育方面，我國已經選育出多種效益高、品質優的抗生素和微生物菌種。太空靈芝抑瘤效果極為顯著，胺基酸總量達10.3％，子實體產量提高75％，優極品率達88.9％。
經過近35年的發展，我國航天育種在培育一批穩定、高產、優質新品種方面，已經取得突出進展。通過航天育種，我國還培育出了一些新的突變類型和具有優良農藝性狀的新品系。目前，我國航天育種的育成品種數量和推廣應用範圍處於世界第一位。空間誘變機理的研究水平和航天育種技術成果在農業上的推廣應用水平，已經達到世界領先。
5、航天育種需要科學發展
人們往往對航天育種的神奇充滿嚮往，實際上不是所有的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。當然，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。
對於航天育種未來發展前景，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。
航天育種本是一項嚴肅的科研和產業，但在中國市場經濟大潮的衝擊下，有被兒戲、被神化的趨勢。
近年來，一些假借「太空產品」之名，對蔬菜、水果和藥材新品種大肆進行虛假和誇大宣傳，攪亂了航天育種科研的清淨。
以辣椒為例，近年國內出現了一種果實碩大的甜椒，被稱作「太空甜椒」。事實上，這種辣椒品種在以色列等國家早已存在，只是近年被引進到國內種植，種植戶與消費者往往信以為真。
有的「太空南瓜」也因個體龐大曾名噪一時，其實國內早就擁有了這個品種。
有些企業，讓酒麴菌種到太空轉一圈，就聲稱生產出「太空酒」；讓螞蟻到太空轉一圈，就聲稱製造出靈丹妙藥；售價幾十元一粒的「太空西瓜」種子，結出來的卻是普通西瓜。
前些年，更有些糊塗的專家聲稱，有了航天育種，傳統的育種方法可以淘汰了，袁隆平可以告老還鄉了。
不可否認，航天育種作為生物育種研究的一個方向是被肯定的，但值得注意的是要去偽存真，不能草率地將科研成果與商業推廣對接。
另外，航天育種的產業化還不盡如人意，一些航天良種推廣得不快、不廣，許多成果只停留在中試階段和小規模生產。以航天育種最多的水稻為例，最好的品種也只推廣了100多萬畝，這和雜交水稻上億畝的規模有天壤之別。
（全文終，約7000字）
[1] 奇雲. 航天育種:來自太空的"魔力"[J]. 生命世界, 2012(4):34-41.
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[4] 奇雲. 邁向太空的腳步[J]. 發明與創新:綜合科技, 1992(9):21-23.
[5] 奇雲. 邁向太空的腳步(續)[J]. 發明與創新（綜合科技）, 1992(10):19-21.
[6] 奇雲. 到太空去……[J]. 飛碟探索, 1992(6):22-23.
[7] 奇雲. 航天生理學的研究進展[J]. 生物學教學, 1995（10）1-3.
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備註：
1、參考文獻僅列出作者在科技期刊公開發表的與本文相關的文獻。
2、以上參考文獻的全文，可在國內外多家文獻資料庫瀏覽或下載
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