“上天”又“入地”,太空种子有多牛?

“上天”又“入地”,太空种子有多牛?

7月24日14时22分,问天实验舱在文昌航天发射场成功发射,作为中国空间站首个科学实验舱,这次随问天实验舱一起“上天”的,还有一批神秘的科学实验柜,它们将在太空中“大展身手”,开展各类科学实验。

这其中的生命生态实验柜,将以多种类型的生物个体为实验样品,揭示微重力对生物个体生长、发育、代谢的影响。矮秆水稻“小薇”是首批实验对象之一。它只有20至30公分,和传统的水稻相比,它的身形更适合在空间站种植。如果实验顺利的话,这一次,在空间站值班的航天员可能还要时不时抽身干点农活,在太空里种上几茬水稻。

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送种子“上天”,对中国来说,早不是什么新鲜事了。自1987年以来,中国一直在进行空间诱变试验,也是世界上唯一持续使用这一技术的国家,已经执行了数十次将农作物种子送入轨道的任务。1990年,中国公布第一个经太空培育成功的作物——宇椒1号的甜椒,与传统甜椒相比,宇椒1号果实较大,抗病能力也更强。

2006年,中国用实践八号卫星将152个物种、重量超过200公斤的种子和微生物送入轨道。今年4月,作为神舟十三号载人飞行任务的一部分,1.2万颗种子在中国空间站停留6个月后返回地球。

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,这些水稻种子返回地球后,在实验田成功栽种获得收成。

为什么要把种子送上太空?

因为飘浮的空间站与地表差别很大,能提供长期的微重力、辐射等特殊研究环境,有希望发现被重力掩盖的物质本质规律。

预计到2050年,全球人口将增加20亿,到时想要养活全球暴增的人口,就必须改善农作物的基因库,将至关重要的谷物产量提高70%。

太空育种,也被称作空间诱变育种,就是将作物种子或诱变材料送入太空,利用太空特殊的环境诱变作用,使其产生变异,再返回地面培育作物新品种,这也是航天技术与生物育种技术相结合的产物。

与传统育种技术相比,它能在较短的时间内提高农产品的品质,创造出许多新品种,在现代农业的快速发展中发挥重要作用。

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嫦娥五号搭载的水稻种子。

航天工程系统复杂程度高、技术跨度大,荷载容量弥足珍贵。能够获得太空之旅资格的种子一般要具备两个条件:一是遗传性稳定,二是综合性状好。

即使是“天选之种”,还得上天后足够“幸运”,这些种子的太空之旅,时间从4天到几个月不等。据统计,一般种子在太空中的突变率仅为0.05%—0.5%,没有变化的种子更多。而且,由于基因突变具有不定向性,有变好的也有变坏的,对人类有益的突变大约只占3%。

挑选出的种子要进行多代筛选培育,同时还要经过风、虫、旱的考验,只有通过这些严苛的试验并得到权威部门审定的种子才是真正合格的“太空种子”,才能合法地推向市场。

从遨游太空到地面培育、从品种筛选到品质验证,整个过程耗时4—6年。

与核辐射诱变有什么不同?

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,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做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。区别在于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。

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美国宇航局一直在国际空间站上种植生菜,希望以此为宇航员提供新鲜食物。

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做诱变。

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这来接受核辐射。

核实验室的负责人肖巴·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并没有过时。亚太地区的国家对此始终热情不减,领头的就是中国。西瓦桑卡尔说,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,但还有更多的实际原因。“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。”

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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。”

另外,虽然将种子送上太空的成本比放入地面辐射器的成本要高,但送上太空旅行一趟往往能产生更有趣的结果。

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。

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。计划的目标是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。

太空育种植物安全吗?

从1987年中国首次把植物种子送上太空迄今,30多次返回式搭载共培育出了超过200个通过审定的新品种,种植总面积超过240万公顷,初步估算已产生直接经济效益超过2000亿元。

通过航天育种技术,有的农作物生长周期缩短了;有的增加了作物抗病性;有的增加了产量;有的植株高矮及果实的颜色大小发生了变化。

比如,太空小麦“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。

比如太空香蕉“航蕉一号”,产量接近翻倍的同时,生长周期从13个月缩短到了9个多月。此外,还有维生素C含量提升1.8倍的辣椒,产量提高三成的西红柿等。

目前,在山东、河北、江苏等地都有太空蔬菜销售市场,价格会比普通蔬菜贵一些。但太空蔬菜味道好、营养丰富,经国家相关机构对比,太空蔬菜比普通蔬菜的营养含量高约30%。

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但“基因突变”“变异”“人工诱变”……这些航天育种的术语听起来有些恐怖,部分公众会对太空种子种出来的太空蔬菜安全性提出质疑,觉得变异就是不安全。

“太空食品绝对安全,人们尽可以放心食用,”国家航天育种工程首席科学家刘录祥说。

太空育种不同于转基因,因为辐射诱变只是改变了种子的遗传序列,并没有引入新的外源基因。另外,有人担心“宇宙粒子辐射”的安全性,刘录祥介绍,其实人们用高剂量的核辐照为面包、大米、方便面、脱水蔬菜等消毒,这些食品都可以直接食用,太空育种所接受的辐照强度仅为前者的百万分之一,而且要经过数代的培育筛选后才开始食用,所以根本不用担心。

即便没有上过太空,在自然环境中种子也会发生类似的变异,但变异的速度时间是相当漫长的。而太空育种可以理解为地面上的加速变异,因此太空繁殖是安全的。

尽管太空环境无菌、无污染,但并非所有的太空食品都是绿色食品。太空食品是经过航天育种所培育出的,而绿色食品是指在无污染的条件下,施有机肥料,不用高毒性、高残留农药,在标准环境中培植加工的食品。太空种子在地面的培育阶段一样可能施化肥,所以,是不是绿色食品,还要看是否有相关部门颁发的绿色食品标志。

7月25日,问天实验舱已经和天和核心舱成功对接,3个月后,第二个实验舱梦天实验舱也即将前往太空。此时此刻在我们头顶上方,又有一批新的种子在太空遨游,或许几年后,太空就可以让我们再次“大饱口福”了。

编辑丨南方

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