隨著我國空間站時代的到來，航天育種將開辟一個連接太空和地面、未來與現(xiàn)實的全新領(lǐng)域，定期的發(fā)射和返回、艙內(nèi)外的空間誘變環(huán)境、更多的重要載荷，必將為育種研究提供更加豐富的航天資源和保障，必將創(chuàng)制出更多的新材料、新種質(zhì)、新資源，從而為我國解決種源“卡脖子”問題，實現(xiàn)種業(yè)科技自立自強、種源自主可控，更好地發(fā)揮作用。

這不是科幻電影中的橋段，而是近幾天備受關(guān)注、正在中國空間站問天實驗艙上演的情景。擬南芥幼苗已長出多片葉子，高稈水稻幼苗已長至30厘米左右，矮稈水稻也長至五六厘米高。

這是“太空同款”擬南芥培養(yǎng)單元中擬南芥開的花。 新華社記者 張建松 攝

科學(xué)家們還無法判斷，這次空間微重力條件下水稻“從種子到種子”全生命周期的培養(yǎng)實驗?zāi)芊癯晒?。就?5年前，科學(xué)家們想不到我國農(nóng)作物種子的首次太空之旅會帶來什么一樣。

時間自會給出答案。當天上和地下相連，當逐夢蒼穹的航天與扎根大地的育種相遇，“航天育種”的奇妙軌跡就此開啟。

偶然的發(fā)現(xiàn)，開啟育種新空間

9月1日，神舟十四號航天員乘組進行首次出艙活動?！疤焐稀钡囊慌e一動都牽引著國人的目光，中國人離飛天夢從未這么近。

與此同時，我們的“太空之家”里，還安靜地躺著萬余顆種子，等待被宇宙射線擊中；在地面的實驗室、試驗田，有更多不同植物的種子上天后又鉆入地下，接受著育種專家們細致入微的選育。

航天員蔡旭哲細心“呵護”在軌實驗生物樣品。（來源：中國載人航天工程辦公室官方平臺）

如今，科研領(lǐng)域?qū)τ诤教煊N的認知和應(yīng)用已較為系統(tǒng)和成熟。然而，35年前，卻是一次看似偶然的舉動，開啟了一個全新的領(lǐng)域。

1987年8月5日，我國第九顆返回式科學(xué)衛(wèi)星首次搭載一批水稻、番茄、青椒等農(nóng)作物種子成功發(fā)射。當時的科學(xué)家已經(jīng)掌握了地面輻射育種技術(shù)，試圖借助航天技術(shù)，通過航天搭載及其空間誘變獲得更豐富的、有價值的變異材料，同時也進一步驗證“空間環(huán)境對植物的遺傳性狀會有什么樣的影響”。

返回地球的種子，進行一系列試驗后，科學(xué)家們驚喜地發(fā)現(xiàn)，發(fā)生了一些意外的基因遺傳變異。更關(guān)鍵的是，有些變異正是人們一直期盼的。由此，拉開了我國通過空間誘變進行植物航天育種的序幕。

1994年，劉錄祥的同事將紅小豆送上太空。返回地球種植后，紅小豆的籽粒和豆莢都發(fā)生了神奇的變化。這讓劉錄祥深深感到了航天育種的威力，從此跟航天育種結(jié)下不解之緣，成為我國最早一批從事航天育種的科學(xué)家。

太空紅小豆粒。（來源：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所）

“航天育種看上去很神奇，但其實并不神秘。”如今已是國家航天育種工程首席科學(xué)家、國家農(nóng)作物航天誘變改良中心主任、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所黨委書記的劉錄祥說，航天育種又叫太空育種、航天誘變育種，是將種子置于太空特殊環(huán)境中，在微重力、弱地磁、強輻射、高真空、超低溫、極潔凈等極端條件作用下，種子內(nèi)在基因可能會發(fā)生變異?！安还苁呛教煊N，還是其他育種，歸根結(jié)底都是發(fā)現(xiàn)變異，然后利用變異的過程。”

千百年來，人類從吃飯到生產(chǎn)生活都要依賴植物，一直在尋找更優(yōu)良的作物品種?！坝N家”們從自然界收集具有優(yōu)異性狀的種質(zhì)資源，通過品種選育，讓滿足生產(chǎn)需求的性狀固定下來、傳播開去。但一代代的育種都只能在地面進行，直到現(xiàn)代航天科技發(fā)展起來，為誘發(fā)種子變異帶來了可能，也為獲得更豐富的種質(zhì)資源提供了可能。

不過很少有人知道，“航天育種”是我們國家航天技術(shù)在種業(yè)科技創(chuàng)新領(lǐng)域獨具特色的應(yīng)用。中國的航天育種相比較美國、俄羅斯這樣的航天大國，開展的研究范圍、應(yīng)用成果更加突出。

早在20世紀60年代，美國、蘇聯(lián)就認識到太空環(huán)境能夠誘發(fā)植物種子基因發(fā)生變異，開始探索空間條件下植物生長發(fā)育規(guī)律，目的是建造“會飛的農(nóng)場”，解決宇航員及未來地球星際移民在太空中長期生存和生活。美俄等國可耕土地多，農(nóng)作物產(chǎn)量大，服務(wù)地面育種的緊迫感并不強烈；中國則完全不同，人口眾多，耕地偏少，保障糧食安全的任務(wù)更加緊迫。端穩(wěn)“中國飯碗”，實現(xiàn)種業(yè)科技自立自強、種源自主可控，尤其需要更多更優(yōu)質(zhì)的種質(zhì)資源來解決現(xiàn)實問題。

“先天不足”更要“后天努力”。始于偶然的發(fā)現(xiàn)，便成為了特殊國情之下創(chuàng)新種質(zhì)資源、保障糧食安全的必然。

“上天”只是第一步，關(guān)鍵是“下地”后

種子跟隨航天器到太空遨游，回來就能變成優(yōu)良的“太空種子”嗎？這顯然是不可能的，也是不現(xiàn)實的。

“太空種子并不是簡單搭載出來的，而是在返回地球后，經(jīng)科研人員多代篩選、培育出來的?！眲浵榻忉尩?，根據(jù)多次試驗的累計統(tǒng)計，送入太空停留數(shù)天的種子，基因突變雖然高于自然變異的水平，但平均也只有千分之幾的概率。而在這些變異種子中，朝著抗倒伏、抗病蟲害、早開花、早成熟和高產(chǎn)量等人們所期待的方向轉(zhuǎn)化的，更是少數(shù)。更多的則是某些重要基因被宇宙高能射線破壞掉，反倒使植物的活力降低了?！斑@些都是隨機發(fā)生的，不是人類所能主導(dǎo)的?！?/p>

上天只是走完“萬里長征一小步”，最繁重和最重要的工作是后續(xù)在地面完成的。以小麥為例，搭載回來的種子叫作“第一代種子”，要全部種下去。第一代植株有時會表現(xiàn)出一些生理變異性狀，但科研人員只是觀察記錄下來，不做任何篩選，因為第一代選擇誤差大。收獲的種子再種下去，長出來的叫第二代，這才開始選長得“好”的種子，例如篩選變矮稈的，以增強抗倒伏性能；篩選穗子變大的，以提高產(chǎn)量；篩選變早熟的，以提早收獲期等。變異是隨機的，但可以根據(jù)育種目標進行定向選擇。通過篩選，選擇出第三代具有性狀突變的植株，收獲種子繼續(xù)播種，目的是看這些突變性狀能否真正穩(wěn)定遺傳。經(jīng)過進一步篩選，再進行一定規(guī)模的群體比較試驗，還要拿到多個試驗點異地試種鑒定。經(jīng)過反復(fù)培育、層層篩選和驗證等科學(xué)研究，種子如果連續(xù)幾年都表現(xiàn)很好，產(chǎn)量和品質(zhì)超過對照品種，才可以申請國家或省級的品種審定。經(jīng)過審定認可的品種才能叫“太空種子”，并推向市場。

在劉錄祥看來，航天育種只是一種方法，回到地面后的選育方法與常規(guī)育種沒有太大區(qū)別。“育種過程中最首要的工作是確定育種目標，要圍繞育種目標進行篩選，建立自己的體系。變異是隨機的，但選擇必須是定向的。比如說，要選擇抗旱節(jié)水的材料，就需要種植在限制灌水或干旱條件下篩選；要選擇抗白粉病、抗赤霉病、抗葉銹病的突變材料，就需要在接種這些病菌的條件下鑒定篩選；而選擇優(yōu)質(zhì)、營養(yǎng)多元的突變材料，則需要輔助品質(zhì)營養(yǎng)成分測試等?！?/p>

劉錄祥研究員田間調(diào)查太空小麥。（來源：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所）

“不管是做哪種育種方法，下地是最基本的核心要素。下地次數(shù)及下地質(zhì)量與品種產(chǎn)出、品種成果質(zhì)量高度正相關(guān)?！眲浵檎f，“即便結(jié)合了分子標記輔助選擇的方法，最終能否選出品種，還是要靠育種家的眼睛在田間‘面試’。突變篩選有時就像海選演員一樣，海選幾率雖然不是很高，但如果能篩選到一些具有重要育種價值的突變基因，就有可能帶來育種工作的重大突破。”

為了觀察誘變后代的性狀變異，每天奔忙在試驗田與實驗室之間，是育種科研人員的工作常態(tài)。育種家往往要經(jīng)歷4到8年甚至更長時間，結(jié)合生物優(yōu)選方式，經(jīng)過多代篩選、淘汰、試種、審定，將誘變優(yōu)良的基因在常規(guī)種植中穩(wěn)定遺傳，每一個環(huán)節(jié)都要過關(guān)，最終才能獲得具有優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、早熟、多抗性等優(yōu)良性狀的新品種。

尋求更多種質(zhì)新材料，航天搭載從未中斷

設(shè)立在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的國家植物航天育種工程技術(shù)研究中心（以下簡稱“航天育種中心”）的試驗基地，一株株跟隨嫦娥五號“奔月”的水稻種子后代，這幾天再次進入分蘗期，長出了細小的稻葉。

2020年11月24日，40克約2500?！昂骄巯憬z苗”水稻種子搭乘嫦娥五號探測器升空，歷經(jīng)22天21時29分的飛行后，隨嫦娥五號返回器順利返回地球。與以往不同的是，此次搭載實現(xiàn)了水稻種子深空環(huán)境誘變育種的首次突破。這些種子內(nèi)含4萬個基因，通過定向跟蹤，發(fā)現(xiàn)可利用的優(yōu)良基因。

“現(xiàn)在是第四個世代的種植了?！焙教煊N中心主任郭濤告訴記者，“目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了在產(chǎn)量、品質(zhì)和抗病性上的一些特殊變異，共有近120個新材料。有一些重要的材料，我們正在進行比較試驗，預(yù)期可以很快形成一些品系。”

2021年3月29日，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)國家植物航天育種工程技術(shù)研究中心王加峰博士為剛剛插秧太空稻的試驗田插上寫著“CE-5”的標識牌，這是嫦娥五號的拼音縮寫。當日，嫦娥五號搭載的太空稻種離開研究中心溫室，移栽到試驗田基地。新華社記者 劉大偉 攝

航天育種產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟秘書長、中國空間技術(shù)研究院原航天生物總工程師趙輝介紹說，“自1987年以來，每一次返回式衛(wèi)星發(fā)射都搭載了種子。載人航天工程實施以來，在神舟飛船、天宮實驗室、天舟飛船、空間站天和核心艙、問天實驗艙等每一次飛行任務(wù)中都安排了航天育種搭載實驗項目，至今已經(jīng)完成40多次航天育種搭載實驗，是世界上唯一持續(xù)借助航天技術(shù)開展育種研發(fā)的國家，取得的科研成果和應(yīng)用效果也是最為顯著的?！?/p>

值得一提的是，2006年9月9日，中國首顆、也是全球第一顆專門用于航天育種研究的返回式衛(wèi)星“實踐八號”被發(fā)射上天。這顆“史無前例”的衛(wèi)星，一次搭載了糧棉油菜果花等9大類2000余份、約208千克的種子，包括水稻、麥類、玉米、棉麻、油料、蔬菜、林果花卉和微生物菌種等152個物種，在太空飛行15天后順利返回地面。由劉錄祥領(lǐng)銜的這項工程，還在衛(wèi)星上裝載了多項空間環(huán)境探測裝置，用于探測空間環(huán)境輻射、微重力和地磁場等環(huán)境要素，開展空間環(huán)境要素誘變育種的對比研究。

這次“專乘”堪稱我國航天育種領(lǐng)域的里程碑式事件。除此之外，航天育種更多時候只能“搭乘”。“每次搭載利用的是載荷余量。”趙輝解釋說，“發(fā)射航天器時，要求質(zhì)心垂直，為解決這個問題，需要在航天器里加上配重。如果把配重替換，放入同樣重量和比重、并且還有用途的東西，比如實驗裝置，就能實現(xiàn)空間資源的充分利用?！?/p>

劉錄祥（右二）和工作人員在實踐八號育種衛(wèi)星發(fā)射前完成載荷安裝。（來源：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所）

由于航天系統(tǒng)工程復(fù)雜程度高、技術(shù)跨度大，每一點荷載容量都彌足珍貴?！百Y源有限”的情況下，可以跟隨航天器進行“太空旅行”的種子需要經(jīng)過“千挑萬選”，把具有明確研究目的和育種方向、具有重要研究和應(yīng)用價值，真正能夠代表同類植物“最先進、最優(yōu)秀、最強大”性能的種子找出來。這就好比要組織運動員去參賽，總得把體能最好、體質(zhì)最強、訓(xùn)練最多的運動員選出來。因此，帶上太空的種子，必須是遺傳性穩(wěn)定、活性好、綜合性狀優(yōu)異的種子。

也有人質(zhì)疑，性能優(yōu)異的種子就算不上天，選育出的后代也不會差，而且與太空誘變相比，在地面人工誘變環(huán)境下，輻射、氣壓、磁場等可以做得更可控，航天搭載有必要嗎？

上世紀八九十年代開始，各種地面誘變試驗相繼開展。通過“微重力實驗室”“零磁空間實驗室”“伽馬射線”“高空氣球”等手段，加強各種“非正常因素”對種子細胞和基因的影響，促發(fā)更頻繁、更深刻的變異。劉錄祥說，航天搭載的實驗機會畢竟有限，為實現(xiàn)一年多次實驗，育種家會選擇在地面利用高能加速器模擬宇宙粒子等輻射技術(shù)開展種子誘變工作?！斑@樣我們做實驗的機會更多，處理的種子量可以更大，有機會不斷改進?！?/p>

“空間誘變和地面人工誘變互為補充，各有優(yōu)勢。”趙輝說，太空環(huán)境是地面無法模擬的，也是難以長久保持的。研究表明，航天誘變的成活率比地面輻射誘變高很多，一般能達到90％以上?！芭c傳統(tǒng)地面誘變育種相比，航天誘變具有變異率高、變異幅度大、有益變異多、穩(wěn)定性能強等特點，能夠極大豐富育種材料?！?/p>

航天育種逐步多元化，農(nóng)產(chǎn)品早已走上餐桌

提起“航天育種”，許多人的印象是果實個頭超大，茄子像南瓜、南瓜磨盤大、豆角幾尺長、甜椒大如梨。

“航天育種走過35年，一大批新品種早已走進市場、走上餐桌，服務(wù)著人們的生活?！壁w輝笑說，“但同時，多數(shù)航天品種在外觀上并沒有那么夸張?！?/p>

自1987年以來，我國先后利用各類航天器，搭載植物種子、菌種、試管苗等4000余種，培育的小麥、水稻、玉米、大豆、棉花和番茄、辣椒等園藝作物新品種，經(jīng)過國審和省審的航天育種新品種超過200個，累計種植面積1.5億畝，產(chǎn)業(yè)化推廣創(chuàng)造經(jīng)濟效益2000億元以上。在牧草、林木、花卉等領(lǐng)域也有一定規(guī)模推廣應(yīng)用，還獲得了一些對產(chǎn)量、品質(zhì)有突破性影響的材料。

從糧食作物、到蔬菜水果、再到花卉牧草等，航天育種方向越來越多元化，在關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)、重要種質(zhì)創(chuàng)新、品種選育及成果產(chǎn)業(yè)化方面取得諸多成果，為攥緊“中國種子”、端穩(wěn)“中國飯碗”貢獻著力量。

福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院謝華安院士團隊利用航天誘變育種技術(shù)創(chuàng)制出航1號、?；?73等一系列強優(yōu)恢復(fù)系，進一步與雜種優(yōu)勢利用技術(shù)相結(jié)合，培育出特優(yōu)航1號、Ⅱ優(yōu)航1號、宜優(yōu)673等十幾個高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)超級稻和再生稻品種。再生稻最高畝產(chǎn)超過1400公斤，累計推廣應(yīng)用3000多萬畝，獲福建省科學(xué)技術(shù)進步一等獎2項。

Ⅱ優(yōu)航1號。（來源：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所）

目前我國航天育種單個品種推廣面積最大的小麥品種，是劉錄祥團隊和山東農(nóng)科院李新華團隊合作育出的魯原502。它是利用航天突變系“9940168”和“濟麥19”進行常規(guī)雜交后，系統(tǒng)選育出的高產(chǎn)小麥新品種。由于具備優(yōu)秀的高產(chǎn)性、穩(wěn)產(chǎn)性和廣適性，2018年當年推廣應(yīng)用面積超過2000萬畝，成為我國第二大主推小麥品種，增產(chǎn)效果顯著，也因此獲得2019年國家科技進步二等獎。截至目前，“魯原502”累計推廣面積超1億畝。

魯原502太空小麥。（來源：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所）

此外，利用航天誘變育種技術(shù)培育的牧草、花卉、林木、微生物等不同領(lǐng)域，都有成功的品種問世。

“中天1號”紫花苜蓿是以2002年“神舟3號飛船”搭載的紫花苜蓿種子為基礎(chǔ)材料選育而成，2018年通過國審，登記為牧草育成品種?！啊刑?號’營養(yǎng)物質(zhì)和產(chǎn)草量都很高，葉片以5葉為主，品種多葉率達35.9％，而國外引進的主要多葉品種的平均值僅為6.31％。干草產(chǎn)量平均為每畝1035.33公斤，比對照組平均高產(chǎn)12.8％，國家區(qū)域試驗最高干草產(chǎn)量達每畝1789.9公斤?！闭劦健爸刑臁毕盗校袊r(nóng)科院蘭州畜牧與獸藥研究所抗逆牧草育種與利用團隊首席科學(xué)家楊紅善很是自豪，“‘中天2號’‘中天3號’苜蓿和‘中天4號’燕麥，都相繼通過了國家或地方品種審定登記，在牧草的品質(zhì)、產(chǎn)量以及抗性等方面各有側(cè)重，都有不俗表現(xiàn)。如‘中天2號’在多葉率、干草產(chǎn)量和粗蛋白質(zhì)含量等指標上，相對‘中天1號’又進一步提高了，在形成苜蓿產(chǎn)業(yè)化方面具有品種資源優(yōu)勢，推廣應(yīng)用前景廣闊?！?/p>

楊紅善介紹說，團隊牧草航天育種研究，至目前已經(jīng)先后通過不同太空飛行器10次搭載了10類80份主要的草類植物種子進行航天誘變，其中神舟11號飛船上搭載的紫花苜蓿試管苗實驗獲得成功。

航天育種搭載試驗仍在繼續(xù)，對于新材料、新種質(zhì)的探索也在持續(xù)進行中……

今年5月份，神舟十二、十三號航天育種實驗項目清單公布。88家單位的上千件（份）作物種子、微生物菌種等航天育種實驗材料可謂豐富多樣。其中有不少搭載實驗材料在軌駐留六個月以上，時間最長達326天，是我國航天器搭載實驗在軌時間最長的一個批次，相關(guān)搭載單位和專家期待后續(xù)能有新的發(fā)現(xiàn)。

6月5日，搭載神舟十四上天的種子，除了主糧作物種子外，還有新疆的蘇丹草、駱駝刺、伊犁絹蒿和駝絨藜等牧草種子，福建的福鼎白茶、福州龍巖的杉木和米老排種子，湖南的辣椒種子，黑龍江的甜菜、蔓越莓種子等，這些實驗材料涵蓋諸多學(xué)科和領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究、種質(zhì)資源創(chuàng)制、新品種選育。

“就藥用植物來說，神舟十三號帶回了云木香、鐵皮石斛、天麻、薏苡仁等10種云南特色中藥材種子，重量是61.8克?！痹颇鲜∞r(nóng)業(yè)科學(xué)院藥用植物研究所所長李榮福告訴記者，下一步將對搭載返回的種子進行生活力測定，選留部分種子保存在低溫庫中進行長期貯藏，其余種子按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范進行育苗和大田栽培。

中國空間站時代，為航天育種開辟新領(lǐng)域

就在一個月前，問天實驗艙成功與天和核心艙交會對接。這次，問天實驗艙裝載了生命生態(tài)實驗柜，開展擬南芥和水稻在太空“從種子到種子”（在太空發(fā)芽、開花、結(jié)實）全生命周期實驗。目前擬南芥和水稻種子均已長出幼苗。

這是“太空同款”水稻培養(yǎng)單元中水稻生長的稻穗。 新華社記者 張建松 攝

實際上，此前我國已開始著手研究地面高等植物在空間環(huán)境下的生長發(fā)育。在“天宮二號”實驗室中，航天員成功種出了綠油油的生菜；10株番茄苗隨神舟八號上天，17天后返回地面，科研人員驚奇地發(fā)現(xiàn)，番茄苗都是活的，有8棵已經(jīng)開花結(jié)果，而且有的已經(jīng)轉(zhuǎn)紅接近成熟。

據(jù)了解，過去60余年中，國外科學(xué)家對于在空間種植和栽培植物進行了大量研究，研究重點逐漸從植物幼苗階段擴展至種子生產(chǎn)研究。然而截至目前，只有油菜、小麥、豌豆等少數(shù)幾種作物在空間完成了“從種子到種子”的實驗。

中油5628太空油菜。（來源：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所）

劉錄祥表示，“會飛的農(nóng)場”“在火星種土豆”與航天育種是兩個不同的目標和方向。航天育種致力于服務(wù)地面人類，培養(yǎng)產(chǎn)量更高、質(zhì)量更優(yōu)、抗逆性更強的作物品種；而“在火星種土豆”則是為人類逐夢深空提供空間生命支持系統(tǒng)，搶占未來太空長期居留和科技生活制高點。

當航天員需要在太空長期工作生活時，甚至進行奔向月球、火星等深空探索時，生活問題將如何解決？當人類最終需要向外星球移民，或者在月球、火星上建立用于科學(xué)研究等永久基地時，如何解決植物生長和農(nóng)作物自給問題？這些指向人類未來的問題，都對農(nóng)業(yè)育種研究提出了新課題和挑戰(zhàn)。

但現(xiàn)階段，航天育種的主要任務(wù)仍然是著眼國家糧食安全，打破育種瓶頸。種子是農(nóng)業(yè)的“芯片”，種質(zhì)資源已經(jīng)成為重要的戰(zhàn)略資源，航天育種是發(fā)掘優(yōu)異種質(zhì)資源的新途徑，一旦成功，不僅可以為糧食安全再加一層保障，也能極大程度創(chuàng)造出社會效益。

隨著我國空間站時代的到來，航天育種將開辟一個連接太空和地面、未來與現(xiàn)實的全新領(lǐng)域，定期的發(fā)射和返回、艙內(nèi)外的空間誘變環(huán)境、更多的重要載荷，必將為育種研究提供更加豐富的航天資源和保障，必將創(chuàng)制出更多的新材料、新種質(zhì)、新資源，從而為我國解決種源“卡脖子”問題，實現(xiàn)種業(yè)科技自立自強、種源自主可控，更好地發(fā)揮作用。