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中国将种子送上太空 培育超级农作物

2022-07-26 08:35     来源:BBC     诱变育种航天育种

图像来源,CHINA PHOTOS/GETTY IMAGE

将种子送往太空短途旅行可帮助科学家培育出能适应气候变化而茁壮生长的农作物新品种,从而养活全球不断增长的人口。

初看之下,这大片麦田上生长的小麦和世界上其他麦田随风摇曳的麦穗没有什么差别。其实在中国东北广袤的田地栽种的这种小麦来头不小,绝非普通的作物,这是在太空中培育出来的崭新麦种。

称为“鲁原502”的麦种,为中国种植面积第二大的小麦。这是将小麦种子送到离地球表面340公里的轨道上空培养出来的新品种。在独特的低重力太空中,而且隔绝在保护地球生命的磁场之外,小麦种子的DNA发生了微妙的变化,产生了更耐旱和更能抗病虫害的新特性。

有越来越多的重要粮食作物新品种是在环绕地球运行的航天器和太空站上培育出来,鲁原502仅是其中一种。在近地球轨道的太空,种子会受到微重力的影响,以及宇宙射线的轰击所引发的基因变异,此过程称为太空诱发基因突变,简称太空诱变。

虽然某些突变使作物无法发芽繁殖,但也有些突变可能是有益于作物生长。有的作物在基因变异后会变得更强壮,能够经受较极端的生长环境,有的作物单一植株产量会增多,或生长得较快,或需要的水量会减少。在太空培育的农作物种子被带回地球后,再经过仔细的筛选和进一步的培育,从而培植出可大面积广泛种植的品种。

当今世界因气候变化和粮食供应链脆弱,农业生产面临越来越大的压力,这使得农作物的种植需要更靠近其食用消费的地区。现在一些科研人员认为,被称为太空诱变的太空育种法或许能帮助人类开发适应上述新挑战的农作物品种。

图像来源,XINHUA

图像加注文字,中国种植面积第二大的小麦品种鲁原502是经过太空诱变技术培育出来的品种

中国首席太空育种专家、中国农业科学院航天育种研究中心主任刘录祥说,“太空基因诱变技术产生了美丽的物种变异。”

例如,根据国际原子能总署的数据,鲁原502比中国一般小麦品种的产量要高11%,也更耐干旱,更抗病虫害。国际原子能总署有一项工作是协调国际合作采用辐射技术培育新的作物品种。

刘录祥说,“鲁原502确实很成功,产量潜力很高,适应性也很强,在各种地区各种自然环境都能种植。”

正因为鲁原502对环境的高度适应性使得这种小麦在中国这样耕种土地和气候环境丰富多样的国家广受农民的喜欢。

根据刘录祥之说,鲁原502只是中国过去30年培育的200多个经太空诱变的作物品种其一。除小麦外,中国科学家还使用太空诱变技术培育出新的水稻、玉米、大豆、苜蓿、芝麻、棉花、西瓜、西红柿、甜椒和其他蔬菜等品种。

中国在1987年首次开始农作物太空诱变实验后,是世界上唯一一个始终使用这项育种技术的国家。从该年始,中国已经数十次将作物种子送上地球轨道。中国科学家于1990年公布第一种经太空培育成功的作物,是一种名叫宇椒1号的甜椒。刘录祥说,与中国传统种植的甜椒品种相比,宇椒1号果实较大,抗病能力也更强。

图像来源,LI XIHUA/VCG/GETTY IMAGES

图像加注文字,太空中的高能射线可让植物种子出现基因变异,用此技术可改良水稻等重要农作物,培育优质品种

中国在这几十年已成为全球航天强国,因此有能力将大批的农作物种子送入地球轨道。2006年,中国用“实践八号”卫星将有史以来最大规模的一批种子和微生物(152种种子和菌种,总重量超过250公斤)送入地球轨道。2022年5月,中国载人神舟13号从中国天河空间站返回,带回来的还有作太空诱变实验的12000颗种子,其中包括几种草料、以及燕麦、苜蓿和真菌。

中国甚至在2020年11月嫦娥5号登月任务中,也载运了一批稻种,经历了一趟地球和月球的来回之旅。中国新闻报道称,这些上过月球的水稻种子返回地球后,在实验田成功栽种获得收成。

刘录祥说,“我们因中国强大的太空计划而获益匪浅。我们可以利用返回式卫星、高空平台站和载人飞船将种子送上太空,利用这些太空设施来培育改良作物,每年上太空最多可有两次。”

这些种子的太空之旅,时间从4天到几个月不等。在太空的特殊环境中,种子和植株都会发生一些变化。首先,高能的太阳粒子和宇宙射线会破坏种子本身的遗传物质,导致基因变异或染色体畸变,突变还会遗传给后代。此外,太空的低重力环境也可能导致种子发生某些变化。在微重力环境下发芽和生长的植物其细胞形状和细胞本身的组织结构上都会发生改变。

大多数情况是,中国科学家先将种子送往太空,再运回地球种植待其发芽。然后对幼苗进行筛选,找出有用的特性比传统品种更优秀的植株进行培育。中国科学家筛选寻求的基因变异是能够让作物生产更大的果实,能减少需水量,有更好的营养结构,还能抗高温和低温,以及能抗病虫害。在某些情况下,罕见的基因突变可以让作物产量或抗灾害力有很大的突破。

研究人员找到最有前途的植株后将作进一步培育,直到最终培育出一种能够满足农民需求,效果明显的改良品种。

图像来源,GETTY IMAGES

图像加注文字,欧洲太空总署(The European Space Agency)也进行了在太空中种植蔬菜的实验。

不过,尽管当今中国太空诱变技术领先全球,但中国不是第一个进行太空育种实验的国家。最早开始此技术的是美国和苏联的科学家,1975年两国科学家使用搭乘苏联宇宙782卫星进入地球轨道的胡萝卜细胞作了最早的太空诱变实验。

这种实验方法所依赖的原理与20世纪20年代末已开始的用核辐射诱发基因突变的原理相同。核辐射诱变是指将生命体暴露在核辐射下,以加速生命体DNA的自然突变过程。

原理相同,但还是有差别。核辐射诱变使用源自地球本身的伽马射线、X射线和离子束来引起生命体基因突变,而太空诱变则依赖于散布在地球轨道太空中的宇宙射线的轰击。我们地球上的生命因为受到地球磁场和厚实的大气层的保护,而免于宇宙高能射线的伤害,但在地球轨道上,航天器和卫星则是暴露在宇宙射线辐射中,这些高能射线主要来自太阳。

国际原子能总署和联合国粮农组织联合成立的植物育种和遗传学科的负责人肖巴·西瓦桑卡尔(Shoba Sivasankar)说,太空诱变和核辐射诱变这两种技术都可以帮助缩短培育新作物品种所需时间,最高可以减半。

国际原子能总署位于奥地利维也纳东南35公里的塞贝尔斯多夫的核实验室,是核辐射诱变的全球中心和培训中心。没有核设施的合作国家可以将本国的种子、植物插枝或幼苗送到西瓦桑卡尔的团队接受核辐射。

西瓦桑卡尔说,“让种子接受核辐射只要几分钟,但这需要(对核辐射诱变)有充分的了解及其专业知识。每个品种对辐射都有不同的耐受性。如果给种子的辐射量太高,将种子放在辐射器里太久,种子的生机就会被摧毁。不会再发芽生长。但要是辐射量不足够,就不会产生足够的基因突变,结果繁殖的后代就会和上代一样。”

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图像加注文字,中国科学家将种子送上太空,是期望在种子回到地球后能培育出产量高的强势新品种。

联合国粮农组织和国际原子能总署合作的“粮食和农业核应用司”成立于1964年,植物育种和遗传学科为其下属机构。20世纪20年代末,当时的核物理学家利用X射线诱导小麦、玉米、水稻、燕麦和大麦发生基因突变的实验引起了世界各地植物学家的兴趣。到20世纪50年代,大多数发达国家都有了核辐射育种计划,试验不仅采用X射线,还试验用紫外线和伽马射线作诱变。

西瓦桑卡尔说,“当时,欧洲和北美做了很多努力,公布了许多在核辐射诱变帮助下培育的新品种。但在过去的二三十年欧美许多国家放弃了这项技术。特别是美国已经改变方向,采用转基因技术,即在实验室中将其他物种的DNA片段插入植物基因组以培育新品种。”

不过核辐射诱变技术也没有过时。亚太地区的国家对此始终热情不减,领头的就是日益自信的中国。中国在继续填充国际原子能总署的核诱发基因突变作物品种数据库。目前这个数据库有3300个以此技术培育成功的农作物品种。

西瓦桑卡尔说,虽然对一些较贫穷的亚洲国家,转基因技术的成本很高可能是坚持核辐射诱变技术的主要动机,但继续使用这种被西方基本抛弃的技术还有更多的实际原因。

西瓦桑卡说尔说,“例如,美国工业化的农业会优先考虑的农作物特性是抗虫性和抗除草剂性之类。转基因技术在这方面有杰出的表现。但在亚洲国家,情况就大不相同。”

亚洲的农业生产者主要是小农户,而且农业地理环境也千差万别,育种者要为这些小农户培育改良种子,仅仅修改一两个特性是不够的。

西瓦桑卡尔说,“亚洲农作物种子需要更复杂的特性,许多与气候状况有关,比如要耐热和耐旱,或者有在贫瘠土地或盐碱地生长的能力。就我看来,这是转基因技术无法实现的。”

中国认为必须改善中国农作物的基因库。据刘录祥及其科研团队之说,到2050年全球人口预计将增加20亿,到时想要养活全球暴增的人口,就必须将至关重要的谷物产量提高70%。他的团队声称,亚太地区不断增长的人口现正面临粮食短缺的最高风险。

国际原子能总署认为,通过核辐射诱变和太空诱变技术,仅中国一国就培育和引进了与原生作物相比所有关键特性都得到改良的800多新品种。

但这里还有一个问题:如果诱发基因突变在地球上的实验室中也能实现,那么将种子送往太空又会有什么优势?

刘录祥承认,将种子送上太空的成本比放入地面辐射器的成本要高。尽管如此,把种子送上太空旅行一趟似乎有明显的好处,常常产生更有趣的结果。

刘录祥说,“实际上,我们发现太空诱变的基因突变有效率比在地球实验室接受伽马射线要高。在太空中,宇宙射线强度要低很多,而种子暴露在辐射中的时间则要长得多。我们所说的粒子的线性能量传输和整体生物效应在太空中比在实验室接受辐射要高,而种子的损伤率则要低很多。”

刘录祥说,在地球实验室的辐射器中,种子会在几秒钟内接受50至400个戈瑞(gray,电离辐射吸收剂量单位)的高剂量电离辐射。但在时间长很多的一周太空旅行中,种子所接受的辐射量只有区区的2毫戈瑞(1毫戈瑞等于1戈瑞的千分之一)。他补充说,结果是,多达50%的种子在辐射过量的地面实验室中无法存活,但是在太空旅行的种子回到地球几乎都能发芽生长。

刘录祥说,“两种技术都很有用,都能帮助我们解决一些非常现实的问题。而且把种子送往太空的机会微乎其微。因此我们不能只依靠太空诱变技术。”

图像来源,NASA

图像加注文字,美国太空总署在国际太空站实验种菜,希望今后能够为太空人提供新鲜蔬菜。

现在,世界其他地区似乎对在太空种植农作物重启兴趣。2020年11月,美国商业太空服务公司NanoRacks公布了将建立环绕地球轨道的太空温室种植计划。计划的目标?在世界面临日益恶化的气候变化危机之际,开发更适合养活全人类的新作物品种。

NanoRacks是一家以从国际太空站发射小型卫星而闻名的公司,其太空温室计划是与阿拉伯联合酋长国合作。阿联酋是一个耕地极少的国家,需要大量进口粮食。

然而,并不是所有的种子从太空返回地球后都能成为新生的超级植物。2020年,欧洲科学家送往国际空间站的一批莴苣种子在返回地球后,生长速度甚至比留在地面上的同类莴苣还要缓慢。

目前许多有关太空种植食物的研究,都是为了帮助太空人在执行太空任务时能自给自足。例如,国际太空站上的太空人自2015年以来一直在种植生菜,并成功收成和食用。2020年发表的一项研究发现,这种太空种植的生菜可以安全食用,并能为太空长期工作者提供宝贵的营养。

全世界各国的航天机构正在构想让人类重返月球和访问火星等行星,为太空人种植蔬菜粮食或许是未来长途太空之旅不可或缺的重要部分,但是对于将留在地球上生存的人类,太空食物的意义可能更为重大。

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