原品種(左)與空間誘變后品種(右)對照圖。 受訪者供圖
陳志強
華南農業(yè)大學國家植物航天育種工程技術研究中心，至今共有幾十個品種數(shù)萬種子分20多批次搭載上天，“應該是全國所有研究單位和企業(yè)中搭載批次最多、數(shù)量最多的單位”
2016年4月6日1時38分，我國首顆微重力科學實驗衛(wèi)星———“實踐十號”返回式科學實驗衛(wèi)星升空，在軌道上利用太空中微重力等特殊環(huán)境完成了19項科學實驗，是迄今為止單次空間微重力和生命科學實驗項目及種類最多的衛(wèi)星任務。“實踐十號”上，華南農業(yè)大學國家植物航天育種工程技術研究中心，共有38份材料(包括水稻、花卉、蔬菜等)共計98 7克干種子及組培苗進行搭載。作為廣東省最早率先開展作(植)物航天育種研究的單位，華南農業(yè)大學國家植物航天育種工程技術研究中心，也是國內唯一從事植物航天誘變育種的國家級工程技術研究中心。近日，南都記者走進這個“高大上”的實驗室，為你揭開航天育種及背后的奧秘。
A
搭載
哪些種子能上天
1996年9月，陳志強及團隊選取了3個純系水稻品種共4份4000粒種子搭載返回式衛(wèi)星飛上太空。這是廣東省采用空間搭載技術開展誘變育種的第一次嘗試。華農是當時高校中首批在航天育種領域“吃螃蟹”的。國家植物航天育種工程技術研究中心主任、華南農業(yè)大學陳志強教授被業(yè)界稱為“廣東航天育種第一人”。
能夠選上的種子分兩類
植物種子進行太空旅行是幸運的。能夠選上的種子又分兩類。一類用于機理研究———這類種子通常選用基因型較純且穩(wěn)定的，“以研究是不是會，為什么會產生突變。”陳志強說，大多數(shù)種子則屬于第二類，即為了新品種選育，自身綜合性狀不錯，但仍存某方面欠缺，希望送上去后得到“突變改良”。
浩瀚太空的旅行，對于一顆種子來說，無疑是獨特的。較高頻率的有益變異，且穩(wěn)定速度快，能誘導和創(chuàng)建罕見的具有突破性的優(yōu)異新種質，同時確保安全且具有自主知識產權的基因源。用陳志強的話，“航天搭載下的航天誘變育種是創(chuàng)造新種質、產生新基因和培育新品種的有效新途徑。”
數(shù)萬種子已搭載上天
4000顆種子太空旅行回來后，陳志強和團隊成員熱切地等到了來年春天。1997年3月，4000粒“太空種子”與對照種一起播種。歷時三年5至6個世代的選擇，選出航天誘變育種第一個新品種———全國著名的華航一號。該品種是我國航天育種第一個通過國家品種審定的農作物新品種。
除了水稻，玉米、蔬菜、花卉、大豆等植物種子也已被送往太空。至今中心共有幾十個品種數(shù)萬種子，分20多批次搭載上天。“應該是全國所有研究單位和企業(yè)中搭載批次最多，數(shù)量最多的單位”。陳志強說。
B
突變
植物種子的太空旅行
太空飄著幾個關鍵詞：高真空，微重力，重離子輻射等。
植物航天育種正是利用可返回的航天搭載工具(返回式衛(wèi)星、宇宙飛船、高空氣球等)所能達到的空間環(huán)境(高真空、微重力、強輻射等)對植物種子誘導產生遺傳變異，誘變后代通過地面篩選，選育出新種質、新材料，培育新品種的育種方法。陳志強解釋，對種子突變起直接關鍵作用的，正是太空中的重離子輻射。“重離子輻射容易導致植物的D N A雙鏈的斷裂，在微重力下不易修復，更容易引起突變”。
不是每顆種子都會發(fā)生基因突變
上天后的種子會發(fā)生哪些突變？國家植物航天育種工程技術研究中心專職副主任王慧教授介紹，直觀能看到的變化包括株高、株型、穗型、種子顏色、產量、生育期變化等。有些誘變后代株系與對照比較，株高矮了一半，植株分蘗更多了，穗型變大、粒數(shù)變多，也有的一下從矮個變成高個。除了常規(guī)誘變育種的變異外，也會出現(xiàn)較少的特殊變異類型，如大果型變異，花卉花形變異、花色變異等。
不過，太空育種并不是每顆種子都會發(fā)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。種子太空旅行的環(huán)境條件無法預知。“不論好壞，怎么變都是未知的”。即便是同樣的種子，搭載同一顆衛(wèi)星，誘變結果也可能有所不同。
“太空環(huán)境瞬息萬變，不能重復”
有人毫不客氣地質疑，“航天育種是沒辦法重復的”。陳志強坦言，每次搭載的飛行器不一樣，即使都是返回式飛行器，哪怕高度、角度、位置、運行時間都一樣，人們也暫無法預計太陽黑子活動的規(guī)律。“太空的環(huán)境瞬息萬變，不能重復”。
不過，隨著空間站的設立與完善，像《火星救援》電影畫面看到的宇航員種土豆的場景，也將成為可能。從播種到開花到結果，可以做多次重復實驗。“天宮二號已經開始養(yǎng)蠶種生菜啦。”陳志強一臉燦爛地說。2016年10月神舟十一號與天宮二號對接成功，中國宇航員首次在太空當起了“菜農”。
航天誘變育種與轉基因育種完全是兩碼事
航天誘變的變異與轉基因有聯(lián)系嗎？陳志強認真而堅決地說：“航天誘變育種與轉基因育種完全是兩碼事！”他解釋，航天誘變是使水稻種子內部的基因發(fā)生了突變，而轉基因是將外源基因轉到植物的D N A里。在自然環(huán)境中，植物種子實際上也在發(fā)生變異，只是變異過程極其緩慢，變異頻率很低。他舉例，過去通過X射線、γ射線搞地面輻射誘變，也是早期植物育種對自然變異的選擇和利用方式之一，被證明是安全可行的。
通過航天誘變的太空育種，則是利用空間環(huán)境條件加速生物體自身的變異過程，增加植物自身的突變率，這與自然變異在本質上沒有區(qū)別。他強調，航天誘變在生物上是安全的。“太空育種并沒有導入其他外來基因，這是與轉基因的本質區(qū)別。”王慧也補充，“雖然會發(fā)生什么誘變是不可預知的，但后續(xù)的篩選都是篩出我們需要的有益突變。”
C
育種
周期可能比過去縮短一到三年
種子上太空走一回，只是太空育種的開始。“搭載僅僅是利用空間搭載手段去開發(fā)種子的遺傳變異，最繁重和主要的任務是在地面”。陳志強說。航天誘變“有好有壞”。“從科學研究的角度沒有好壞之分，好壞是從人類選種的角度談的。”篩選鑒定“好的突變”并加以利用，這是種子太空旅行歸來后的首要任務。航天誘變突變體定向篩選和利用技術成為關鍵。
稻米是否好吃，實驗室就能“看見"
過去，種子發(fā)生的突變需要將其種植在田里，等水稻長成了，才能進行外觀、品質、抗病性、產量等的觀察與選擇。“在田里找啊找半天，但有些性狀因為沒有滿足條件，沒表現(xiàn)出來就發(fā)現(xiàn)不了。”于此，中心基于H RM (高分辨率熔解曲線)的高通量基因分型技術，開發(fā)了一批目標性狀功能型分子標記，實現(xiàn)了從傳統(tǒng)育種的表型選擇(田間選擇)到生物育種的功能基因選擇(實驗室選擇)。
陳志強解釋，通俗說，在實驗室建立了一套選擇系統(tǒng)，對20多個功能型分子，即基因進行標記，找到標記則找到了突變后的基因。“例如96孔P C R板孔對應96個單株，假設第92孔的單株標記具有米質軟、抗病強、株高適中三個性狀，在實驗室里能檢測到，在田間也一定能跟蹤找到。”也就是說，稻米好吃不好吃，香不香，抗不抗病，這些原來在田里看不出的性狀，在實驗室苗期便能發(fā)現(xiàn)，并選出符合育種目標的材料，大大提高選擇準確性和準確效率。“在田里種植，相當于僅是驗證的過程”。
水稻空間誘變育種新方法
太空搭載下帶來的很多突變，不是大突變可能是微突變，通過一代代慢慢積累表現(xiàn)出來。為了跟蹤水稻空間誘變的表現(xiàn)，陳志強領銜團隊提出了一套水稻空間誘變育種“多代混系連續(xù)選擇與定向跟蹤篩選”新方法。即在空間誘變的早期世代進行連續(xù)多代的混系種植和選擇，發(fā)現(xiàn)突變單株就選出單獨種植進行定向跟蹤篩選，創(chuàng)出一種適合航天誘變育種的誘變后代處理的新方法。
1997年3月，中心將經過太空搭載的4000粒種子與對照種一起播種下去。經過秧苗期、分蘗期、孕穗期的株型對照、抽穗開花期的花穗觀察、灌漿結實期的穗粒狀況觀察記錄，科學比照，觀察論證些微的變化與異同，將變化株型的種子搜集起來，1997年7月晚造再次播種下去，形成新的株系。這些種子經過四個世代，即兩年共四個生長周期后，選出來新的株系的性狀就基本穩(wěn)定了。陳志強曾回憶，“空間誘變后代株系之間表現(xiàn)出的差異令我們好奇、驚喜又質疑”。
3個品種被認定為超級稻品種
歷時三年多時間，航天水稻優(yōu)質新品種“華航一號”于2001年通過廣東省品種審定，2003年通過國家品種審定，該品種是我國航天育種第一個通過國家品種審定的水稻新品種。王慧介紹，原品種的畝產在400-450公斤左右，華航一號一般畝產可到500公斤左右，高產栽培超過600公斤/畝。2001年至2016年的16年間，中心在水稻航天育種成效顯著，共育成36個水稻新品種(組合)通過國家及省級審定。其中，“培雜泰豐”、“華航31號”、“Y兩優(yōu)1173”等3個品種被認定為超級稻品種。同時，一大批優(yōu)質、高抗、高產新品系正在參加各級區(qū)試。
陳志強總結，太空歸來的當代種子需要經過幾代的地面種植田間選擇、篩選鑒定、分子檢測及相關機理研究，參加兩年的省級以上區(qū)試(農業(yè)主管部門組織的統(tǒng)一試驗)、生產試驗，等到產量、品質、抗性三大關鍵指標都通關了，才能進入品種審定環(huán)節(jié)。一般來說，好的材料品種選出后，最終拿到品種審定至少要兩到三年，拿到證書后，才能進入推廣環(huán)節(jié)。盡管步驟嚴謹，“過去的雜交育種一般要5到8年，航天誘變育種周期也比過去縮短了一到三年。”
聲音
航天搭載是不可替代的誘變技術的新途徑，未來將與生物技術結合，形成一種全新的育種途徑。下一步，中心將繼續(xù)緊跟國家戰(zhàn)略需求，與我國快速發(fā)展的空間高新技術緊密結合，同時吸收國內外先進生物學技術，在建立完整研究平臺和生物育種產業(yè)鏈基礎上，努力實現(xiàn)水稻航天生物育種共性關鍵技術突破，水稻特異種質資源創(chuàng)建突破，航天誘變機理研究突破，適合直播、輕簡化和機械化生產的重大水稻新品種培育等四個突破。未來中心不僅在糧食作物上繼續(xù)發(fā)力，還將在植物的全領域開拓研究。———國家植物航天育種工程技術研究中心主任、華南農業(yè)大學教授陳志強
教育部在《高等學校“十三五”科學和技術發(fā)展規(guī)劃》中提出，要促進世界一流大學和一流學科建設?！兑?guī)劃》要求，推動高水平大學牽頭組建若干國際領先的國家實驗室、重大科學基礎設施和一批高水平協(xié)同創(chuàng)新平臺，成為世界一流大學和一流學科建設的戰(zhàn)略制高點。
高校實驗室是高校創(chuàng)新驅動的重要載體之一。今起，南方都市報推出“走進實驗室”系列報道，讓實驗室被看見，被讀懂。我們將通過一系列實驗室深度觀察，呈現(xiàn)廣東高校實驗室的建設水平和科研能力，讓“藏在深閨的高冷君”更靈動接地氣。我們試圖打通實驗室與社會聯(lián)結的渠道，為地方經濟建設發(fā)揮“智囊團”作用。
實驗室名片
華南農業(yè)大學
國家植物航天育種工程技術研究中心
是廣東省率先開展植物航天育種研究單位，也是國內唯一從事植物航天育種的國家級工程技術研究中心。
該中心以國家重點學科“作物遺傳育種”為依托，團隊在相關領域開展了大量創(chuàng)新性研究，在國內處于領先地位。團隊于2009年、2016年兩次獲廣東省科技進步一等獎，四次獲得廣東省農業(yè)技術推廣獎一等獎等多個獎項。
2001年至2016年，共育成36個水稻新品種(組合)通過國家及省級審定。該中心選育的水稻新品種推廣面積5000多萬畝，創(chuàng)造巨大社會經濟效益。
采寫：
南都記者 賀蓓
攝影：
南都記者 陳志剛
實習生 許燕玲 楊陽
