2022三农问答丨太空漫游提供的未来

　　一粒种子离开大地，进入茫茫太空，经历无垠的宇宙之旅，重新回归人间，会发生怎样的变化？
　　2022年12月4日，神舟十四号在经历了近半年的太空之旅后平安回归，和航天员们一起回家的，还有在太空中完成了整个生长周期的水稻＂小薇＂，以及更多完成空间诱变的种子。
　　航天育种，也叫空间诱变，我国自1987年8月5日，第一次搭载农作物种子上天，迄今已有35年。35年中，从搭载科学卫星，到发射我国自己的育种卫星，再到完成全周期种植的太空实验，我国航天育种领域，已经走在世界的前列，通过空间诱变，育成的审定品种，约有300种，涵盖粮食、油料、水果、蔬菜等各个食物种类。2023年，将是中国航天育种继续飞速发展的一年。
　　2021年11月，广州华南农业大学科研基地，华航48号水稻。受访者供图
　　首次收获稻种，在星辰大海中种田
　　2022年7月25日，凌晨3点左右，中国空间站问天实验舱与核心舱组合体成功对接，为空间站带来了一份特别的＂快递包裹＂，＂包裹＂中，藏着一份来自中国农科院钱前院士团队育成的矮秆水稻品种小薇。
　　小薇是经历十多年攻关，利用现代育种技术育成的超矮秆水稻，＂个子很小，但种子不小＂，兼具株形小、生物量少、空间利用率高、产量稳定等多种优势，可以实现在植物工厂中种植，是未来都市农业、植物工程的重要种质资源。
　　这也是小薇获选进入空间站种植的基础之一，为未来人类真正踏入星辰大海，做好基础准备。在那时候，人们可以在太空中种植粮食、蔬菜和水果，而不必全部依赖地面的供给，这将大大扩展人类在太空中活动的范围。
　　事实上，类似的实验，在上世纪六七十年代，已经由美国、苏联展开，也就是太空搭载植物的最初目的。
　　粮食是人类生存的基础，食物是获取营养最主要的来源，在探索太空时，食物等补给，如果全部从地球上运输，成本将会极为高昂。来自美国科学家的测算显示，把1磅食物送上太空，仅仅到达空间站，就需要花费约1万美元。在未来更遥远的太空探索中，这一成本会变得更高，因此，建立太空农场，是探索宇宙必备的一环。
　　在此之前，国外已经实现了小麦、油菜、豌豆、拟南芥等植物的全周期太空培养，也就是从种子到种子，在太空环境中，完成一个生长周期。这其中，小麦、油菜、豌豆都是人类主要的食物之一，而拟南芥，则是重要的模式植物，因它的全基因组早已被完整测序并进行了更充分的鉴定，所以常被作为生物实验的媒介。
　　太空水稻丰收，不只是一次实验
　　水稻是人类的主粮之一，全球超过一半的人以水稻为主食，2021年，全球稻谷产量接近7.57亿吨。我国是水稻产量第一大国，2021年，稻谷产量2.13亿吨，占全球稻谷产量的28%以上。
　　水稻在太空种植，不仅仅是一次简单的植物种植实验，更关系到未来太空农场是否可以真正完善。
　　2016年7月，广州华南农业大学科研基地，太空水稻田。受访者供图
　　进入空间站的水稻品种小薇，格外适合太空农场的种植，株形矮、产量高、空间利用率高。这一实验由中国科学院植物科学卓越创新中心郑慧琼研究团队承担，培养周期为120天，也就是4个月。
　　从问天舱传回的视频中可以看到，小薇生长在一个特殊的培养舱中，如同地面上的实验室种植一样，有特定光照，为水稻提供光合作用的条件。这些水稻在太空中，株形变得更松散，其中，矮秆水稻变得更矮，开花时间略有提前，但灌浆时间延长了10多天。值得注意的是，此次种植在空间站的水稻，不仅完成了＂从种子到种子＂的全周期生长，还完成了再生稻的生长过程。在第一次收获后，仅20天，就从稻茬上再生出两个稻穗。
　　再生稻是我国南方普遍种植水稻的方法之一，利用水稻本身特性，在一次收割时候，稻茬上残留的休眠芽，再次发芽生长，再收一季稻谷。
　　这是人类在太空中首次完成水稻种植全周期的实验，也是首次进行再生稻种植的实验，这个人类的主粮，在太空中生根发芽、开花结实，为人类摆脱大地，踏入星辰大海，打开了新的开端。
　　未来还很遥远，航天育种的新阶段
　　对水稻小薇来说，在太空中完成全周期的生长，仅仅是一个开始。事实上，它在太空中的性状如何？结果是否令人满意？在回到地面后，还有很多工作要做。
　　和小薇一同回来的，还有更多完成了太空漫游的种子，只是它们并没有在太空中种植，而是待在＂太空仓库＂中，接受宇宙射线的辐射、诱变，然后再回来，经历科学家们鉴定、利用、培育出新的优良品种，为地球上的人类提供更好的食物。
　　2022年12月5日，我国在国际上首次完成水稻＂从种子到种子＂全生命周期空间培养实验。这是空间水稻原生稻和再生稻的图片，显示空间稻穗与颖壳张开的表型。图/新华社
　　如果说小薇是为了未来而服务，为太空时代服务。那么进入太空中进行空间诱变的种子，则为当下的人们服务，为地面上的农业服务。
　　众多回归的种子中，有来自黑龙江的蔓越莓种子，也有来自广东的籼稻种子。这些种子在经过一定的程序之后，会再一次回到送它们进入太空的科学家手里，进行地面的育种实验。
　　来自华南农业大学的郭涛教授，即是其中之一。郭涛是设立在华南农业大学的国家植物航天育种工程技术研究中心副主任。他和他的团队，在神舟十四号上，搭载了多份水稻材料。在太空中，这些种子一直处于休眠状态，接受空间环境的考验，诱发遗传物质发生改变，等回到地面，再进行进一步的鉴定实验。
　　几乎所有航天育种活动，都是这一模式，不必在太空中完成生长周期，可以最大程度地利用宝贵的空间资源，完成对作物遗传物质的影响。
　　我国航天育种起源于1987年，当年8月5日，我国第九颗返回式科学卫星首次搭载一批水稻、番茄、青椒等农作物种子成功发射。其目的是获取更丰富、有价值的变异材料，为地面育种服务，同时，也进一步验证＂空间环境对植物的遗传性状会有什么样的影响。
　　种子登上太空，只是育种的一小步
　　尽管在航天育种中，航天格外引人注目，但实际上，航天，只是航天育种中的一环，是获得变异的关键环节，在此之外，真正育成一个品种，还需要做很多工作。
　　航天育种，也叫空间诱变育种，其目的是为了通过宇宙高能粒子辐射，诱导种子基因变异，并从中找到好的变异基因，比如高抗病性、高产性等，在育种中加以利用。
　　郭涛所在的团队，是我国从事水稻航天育种较早的科研团队，已有30多年航天育种的研究经历。他告诉记者，此次搭载的水稻材料，在上天之前，经历过多轮的选育、提纯。
　　＂航天育种有一个完整的科学流程，要对科学意义、研究方法、研究目的进行系统评估，具有重要价值的研究才能通过专家评审并且前往空间站进行实验。＂郭涛介绍，此次他们团队搭载的水稻种子，目的是开展水稻品质的改良育种，在搭载之前，已经在地面上进行了4年的选育，选出综合性状优良的新品系，收获种子并提纯后，送入空间进行诱变，期待在后代中通过定向选择获得优良品质的新品系。
　　在太空之旅中，种子被安置在特定的仓库中，处于休眠状态，接受粒子射线、微重力等空间环境的影响。郭涛介绍，＂空间独特环境可以诱发基因突变，从而可能在品种选育中得到应用。＂
　　结束太空之旅，种子会再一次回到科学家手中，郭涛介绍，更多、更复杂的工作将进一步展开。这些种子需要经过基因鉴定，并在田间种植，大量观察、筛选，找到那些对育种有利的变异。
　　＂基因变异有很多可能，但并不都对我们有利，只有那些展现出更好性状的变异，如抗病、抗逆、高产、优质等，才会被选择出来，作为材料，进一步进行培育，最终育成一个新的优良品种。＂郭涛说。
　　掌握种源安全，我国航天育种成果突出
　　和美国等国家不同，我国人多地少，粮食需求突出，这对育种提出了更高的要求，也促使一大群育种科学家们，在航天育种方面做出了更多的探索，获得了更多的成就。来自中国农科院的调查显示，在航天育种领域，我国已经处在世界前列。
　　在郭涛的科研基地中，还种植者神舟十三号搭载的水稻种子，目前已经种植了两个世代，一些新的性状，正在被鉴定。
　　数据显示，三十多年中，我国通过航天育种，育成的审定品种接近300个，其中水稻占了三分之一。而郭涛所在的团队，育成的水稻新品种，已经有66个。郭涛介绍，其中有4个超级稻及5个广东省主导品种，目前推广面积超过6000万亩。
　　华航31号，是郭涛所在团队育成的超级稻之一，超级稻是农业农村部认证的高产水稻品种称号，一般来说，需要单次亩产超过720公斤以上。郭涛介绍，华航31号育成于2010年，在百亩实验中，创造了730公斤以上的亩产。
　　华航48号，是广东省水稻主导品种，该品种抗病性强，且品质优良，口感软糯。＂一般来说，籼稻口感相对比较硬，我们育成的华航48号，就是一种口感优良的籼稻。此外，华航51号，是一种宜机性较好的机播品种，可以通过水稻播种机直播，不用育秧、插秧，对部分区域解决劳动力短缺，实现机械化耕作有很好的帮助。＂
　　除了水稻之外，小麦、蔬菜等，航天育种的成果同样突出。除了进入太空进行空间诱变，科学家们还通过在地上建设＂微重力实验室＂＂零磁空间实验室＂＂地面离子加速器＂等方式，以获得更多的遗传变异，为育种提供基础。
　　＂把种源掌握在自己手里，就是要进行更多的育种创新，满足未来产业对品种、品质等各个方面的需求，当前我们做的也是这样的工作，育种是有前瞻性的，育种的过程很长，必须考虑在育成之后，符合市场的需求，符合人们对食物的需求。＂郭涛说。
　　对话
　　国家航天育种工程首席科学家、中国农业科学院作物科学研究所党委书记刘录祥：
　　我国航天育种在全球处于领先地位
　　当原本应该扎根在土地中的种子，被送到遥远的太空中时，会发生什么？从上个世纪八十年代开始，我国就踏上了太空育种的探索之路，三十多年中，从小麦、水稻等口粮作物，到棉花、油料、蔬菜、水果，乃至花卉，无数种子踏入太空，在宇宙空间中接受＂洗礼＂，又回到地面。
　　太空育种究竟有何奥秘？三十多年中，太空育种创造了怎样的成绩？为此，新京报采访了国家农作物航天诱变技术改良中心主任、国家航天育种工程首席科学家、中国农业科学院作物科学研究所党委书记刘录祥。
　　航天育种是一个伟大的转折
　　新京报：航天育种每每受到关注，神秘的太空和一直以来依靠土地生产的农业，是怎样结合在一起的？
　　刘录祥：航天育种又叫空间诱变育种，科学家们将作物种子或诱变材料，搭乘返回式的卫星或高空气球，送到太空之中，利用太空特殊的环境进行诱变，使种子产生变异，再返回地面进行鉴定、培育新品种的技术。航天育种是诱变育种技术的一种，同类的诱变技术，还有传统的杂交诱变、核能诱变等。诱变育种的本质，是通过各种方式，诱发种子的变异，然后在众多的变异中，找到那些好的变异，进一步加以培育。所以，诱变其实是育种过程中的一环，还有大量的鉴定、筛选、培育的环节，并不是去一趟太空，回来就是太空种子。
　　新京报：和其他的诱变方式相比，航天育种有何特殊之处？
　　刘录祥：核心区别是变异的来源不同。杂交育种中，变异来自于种质库中原有的基因资源之间的互相重组，产生新变异。核能诱变育种，变异来源于核能电磁辐射。航天育种中，变异来自于宇宙粒子辐射。宇宙粒子主要是高能重离子，能量穿透种子的时候，同时也会有质量留在种子中，诱发新的变异。相比杂交育种，这种诱变更具创新性，变化更复杂。相比核能诱变，这种诱变对种子的损伤更小，事实上，核能诱变中，适宜剂量辐射后的生物损伤率可能达到50%以上。也正是因为如此的奇妙，在2006年9月，我们发射了专业的育种卫星＂实践八号＂，这是航天育种更具标志性的转折。
　　300多种航天新品种改变生活
　　新京报：我国的航天育种，有哪些成果？
　　刘录祥：1987年，我国第一次把水稻等农作物种子送到太空，开始了早期的航天育种探索。有了专业的育种卫星之后，航天育种开始快速发展。到现在，根据不完全统计，审定品种有300个左右，其中包括粮食、油料、棉花、蔬菜、花卉、牧草等，可以说，当前人们的食品中，已经有相当一部分都有航天育种的经历。从具体的例子看，水稻、小麦等主粮比较多，推广面积也比较大。如我们与山东农科院原子能所合作育成的航天小麦鲁原502，具备优秀的高产性、稳产性和广适性，2011年通过国家审定，2018年推广应用面积超过2000万亩，成为我国第二大小麦品种和农业农村部主导品种，到现在，累计推广面积已经超过1亿亩。水稻方面，航天育种审定的品种更多，有100个左右，占全部审定品种的1/3。如福建省农业科学院谢华安院士团队，培育出特优航1号、宜优673等十几个高产优质超级稻和再生稻品种，其中再生稻最高亩产超过1400公斤，累计推广应用3000多万亩。
　　新京报：在全球范围内，我国的航天育种成绩如何？
　　刘录祥：国外最早开启空间搭载植物种子的是美国、苏联，在上世纪六七十年代就开始探索，发现空间飞行可以引起种子细胞学变异，而且这种变异可以遗传。我国起步较晚，但发展较快，目前在全球已经处于领先地位。例如在国际合作交流中，我国自2003年以来一直是国际原子能机构亚太区域核科技合作的牵头主导国。我们在每两年一轮的国际原子能机构核技术国际合作项目中都把航天育种技术纳入其中，面向20多个成员国开展技术合作，至今已经实施了五轮项目计划。同时，我国还通过开设培训班等方式，在航天育种领域进行技术输出。
　　为未来世界未雨绸缪
　　新京报：此次实验中，问天实验舱内，一株名叫＂小薇＂的水稻引起了很多关注，这是一个怎样的实验？
　　刘录祥：＂小薇＂等水稻种子在问天实验舱，完成了从种子到种子的完整生长周期，这是水稻在天上首次实现这一过程。值得注意的是，这个实验，和普通的航天育种并不一样。这一次完成全周期生长的水稻，它的目的，是为未来人类在太空中生活时，可以自给自足而准备的。事实上，美国、苏联最初在太空中做种植试验，即是这个目的，我国由于人口众多，粮食需求迫切，所以很长一段时间，都是通过太空诱变，为地面上的人们培育更好的种子。
　　新京报：为什么要做这样的实验？
　　刘录祥：科技的发展正变得越来越快，在未来，人类在太空中更长周期生活，可能不再是梦想，那时候，他们所需要的物资、粮食，是否继续都要从地面上运上去呢？未必如此，如果他们可以在太空中自己种粮种菜，就不仅可以解决物资的问题，更能够在太空中创造更好的生态链。所以我们现在要做这样的实验，就是为将来做好准备，而那一天，或许并不会很远。
　　新京报记者 周怀宗
　　编辑 张树婧 校对 赵琳