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[华南农业大学报]太空种子“变形记”
发布时间:2017/6/13 | 浏览:447次 | 来源:华南农业大学国家植物航天育种工程技术研究中心

http://web.scau.edu.cn/hnxb/index.aspx#conid=7632   来源:华南农业大学报

      华南农大廿年送数万种子上天:从太空到田间的植物种子,将经历怎样的突变和选育,才能成为饭桌上的新品种?

 

航天育种步骤
 

国家植物航天育种工程技术研究中心主任、华南农业大学教授陈志强


 
 
 

原品种与空间诱变品种(右)对照图

 
                                                                                                                                                                                                         
华南农业大学航天育种“威水史”

★1996年,首批参与国内返回式卫星航天搭载试验,育成的水稻新品种“华航一号”是第一个通过国家级品种审定的航天育种作物新品种

★至今共有几十个品种数万种子分20多批次搭载上天,是全国所有研究单位和企业中搭载批次最多、数量最多的单位之一

★2009年,组建国家植物航天育种工程技术研究中心,实现广东省属高校国家工程中心“零”的突破

★2001-2016年,共育成33个水稻新品种通过国家及省级审定,其中“超级稻”品种3个;累计推广面积4000多万亩,创造社会经济效益近15亿元。

★获教育部科学研究优秀成果奖二等奖1项、广东省科技进步一等奖2项、广东省农业技术推广奖一等奖4项

★国家植物航天育种工程技术研究中心主任陈志强教授被誉为“广东航天育种第一人”


      从嫦娥奔月的传说到第一次“月球漫步”,从人造卫星上天到私人订制的“太空旅行”,人类对浩瀚宇宙的探索正逐渐从梦想变为现实。富有冒险精神的人们前仆后继,渴望克服地心引力,实现自己的“航天梦”;与此同时,有一批植物种子竟率先成为了“幸运儿”,乘着返回式飞行器开启了它们的太空之旅。

在华南农业大学,水稻、玉米、蔬菜、花卉等植物种子都“上过天”。这些体积小、重量轻的“乘客”不需要光、温、水、气的照料,因此打败了许多更“娇气”的候选人,成功搭上了前往太空的“航班”。它们在太空逗留少则三五天、多则半个月,随后重返地球。

最近的一次太空之旅发生在2016年4月6日1时38分。我国首颗微重力科学实验卫星———“实践十号”返回式科学实验卫星升空,在轨道上利用太空微重力等特殊环境完成了19项科学实验。“实践十号”上,同时搭载了来自华南农业大学国家植物航天育种工程技术研究中心(以下简称“中心”)的38份材料、共计987克干种子及组培苗。作为广东省最早开展植(作)物航天育种研究的单位,中心也是国内唯一从事植物航天诱变育种的国家级工程技术研究中心。


     ◎探秘航天育种:保卫粮食安全的“秘密武器”

提起太空中的植物,在电影《火星救援》里,马特·达蒙扮演的宇航员在火星上种植土豆的一幕让人印象深刻。“在太空环境里进行生物学研究,始于前苏联和美国,”中心主任陈志强教授告诉记者,“他们的航天育种研究,主要是为了在空间站种植作物,解决宇航员的食物供给问题。”而航天育种对于中国,则有着更为深远的意义。

我国作为人口大国,预计到2020年,将面临9000万吨的粮食缺口。如何利用有限的耕地资源尽量提高单产、保障国家粮食安全,一直是科学家致力于攻克的难题。通过作物品种的升级和创新、从而获得更高产的种质资源,成为解决粮食问题的重要思路之一。

植物航天育种,是指利用航天搭载工具(返回式卫星、宇宙飞船、高空气球等)所能达到的空间环境,对植物种子诱导产生遗传变异,诱变后代通过地面筛选,选育出新种质、新材料,培育新品种的育种方法。1987年,中科院和国防科工委率先合作开展作物空间诱变育种研究。此后的10年研究发现航天育种具有独特优势:变异频率高、变异幅度大,有益变异多。

“传统的育种方式很难选育出结合高产、好吃、抗病三大优势的品种,但通过航天育种技术,我们有望诱导和创建具有突破性的优异新种质。”陈志强表示。


        ◎从地面到太空:植物种子的奇幻旅程

 太空环境有三个关键词:高真空、微重力、强辐射。

人类宇航员在进入太空之前,往往要进行漫长的适应性训练;返回地面出舱之时,则需借助轮椅代步。相关医学研究发现,他们的骨头密度在太空环境的影响下发生了变化。与此同时,科学家也在致力于破译太空种子的变异密码。

1996年9月,随着航天搭载事业部分开放,华南农业大学参与了国内首批航天搭载试验,将3个纯系水稻品种共4份4000粒种子送上了太空。“通过这次搭载产生突变的育种材料,我们选育出了新品种‘华航一号’,这是我国第一个通过国家级品种审定的航天育种作物新品种。”陈志强告诉记者。

“十五”以来,中心在国家863-2高技术航天领域项目、国家863项目和广东省重大科技攻关等项目支持下,先后利用返回式卫星、高空气球及“神舟三号”、“神州八号”飞船等搭载水稻、蔬菜、花卉种子,开展航天诱变育种试验;至今共选送几十个品种数万种子分20多批次搭载上天,是全国所有研究单位和企业中搭载批次最多、数量最多的单位之一。

“太空中的重离子辐射容易导致植物的DNA双链的断裂,在微重力状态下不易修复,更容易引起突变。”陈志强介绍道,“并且航天诱变是搭载个体内部产生的安全、具有自主知识产权的基因源,与转基因引入外源基因的做法完全是两码事。”


       ◎从太空到田间:水稻空间诱变育种新方法

 种子上天走一遭,只是完成太空育种的第一步,随后还有一系列的培育、筛选和验证等繁重的科研任务需要回归地面。

“不是每颗上天的种子都会发生基因突变。诱变率一般为百分之几甚至千分之几,而有益的基因变异仅是千分之三左右。”中心专职副主任王慧教授介绍,有的变异能通过肉眼识别,比如株高、株型、穗型、种子颜色的变异等;但有的微突变,则要通过多个世代(注:从播种到收获的一个生长周期为一世代)的种植才可见端倪。中心的首要任务,是尽快从看似无序的众多突变中,筛选出对人类有益的突变并加以利用。

起初,实验人员必须通过田间种植来识别新的突变:将经过太空搭载的种子与对照种一起播种下去———分蘖孕穗期的株型对照、抽穗开花期的花穗观察、灌浆结实期的粒实状况,都要一一记录下来,进行科学比照,将变化株型的种子搜集起来,经过再次播种形成新的株系。有的变异性状在田间无法表现或表现不明显,便很容易错失发现新突变的良机。

每天奔忙在试验田与实验室之间,陈志强领衔的团队逐渐摸索出一套水稻空间诱变育种“多代混合连续选择和定向跟踪筛选”新方法:既保留连续多代的混系种植和选择,又对突变单株进行单独种植和定向跟踪筛选。此外,中心将航天育种和现代生物技术相结合,基于HRM(高分辨率熔解曲线)的高通量基因分型技术,开发了一批目标性状功能型分子标记,实现了从传统育种的表型选择(田间选择)到生物育种的功能基因选择(实验室选择)。

“我们对20多个功能型分子即基因进行标记,找到标记则找到了突变后的基因。”也就是说,稻米好不好吃、抗不抗病等性状,只要在实验室能检测到标记,便能在田间跟踪找到相应表现的植株,从而选出符合育种目标的材料,大大提高选择准确性和准确效率。


        ◎从理论到实践:16年育成33个水稻新品种

“航天育种技术很好,要保护知识产权。”2012年,时任广东省委书记的中央政治局委员、国务院副总理汪洋曾亲自参观华农的航天育种成果,为优质高产水稻华航丝苗“点赞”。

陈志强介绍,太空种子需要经过几代的地面种植田间选择、筛选鉴定、分子检测及相关机理研究,参加两年的省级以上区域试验、生产试验,等到产量、品质、抗性三大关键指标都通关了,才能进入品种审定环节。而拿到品种审定证书后,才能进入推广环节。一般来说,从选出好的材料,到最终通过品种审定至少要两到三年。“尽管步骤严谨,但航天诱变育种周期仍比过去的杂交育种周期缩短了一到三年。利用生物育种技术,育种周期还可以再缩短。”

2001年至2016年,中心共育成33个水稻新品种(组合)通过国家或省级审定。其中,“培杂泰丰”“华航31号”“Y两优1173”3个品种被认定为超级稻品种。“培杂泰丰”是广东省第一个米质达国家优质标准的两系超级杂交稻,“华航31号”连续多年获选为广东省主导品种,“Y两优1173”则创下了平均亩产达751.7公斤的广东双季稻百亩片产量记录。

“目前中心在国内水稻航天育种领域,不仅在搭载批次、数量方面数一数二,而且在研究的广度、深度、技术的先进性和育成新品种数量、成果应用转化方面都可以说是全国第一。单单在刚过去的14个月,我们就发表了9篇SCI论文。”谈及中心的累累成果,陈志强不无骄傲地告诉记者。在科技创新和应用推广方面的显著成绩,使中心两次荣获广东省科技进步一等奖,四次将广东省农业技术推广奖一等奖收入囊中。

继主持“十二五”863项目之后,中心又顺利入选“十三五”国家重点研发计划专项,主持“水稻空间诱变育种技术创新与品种创制”研究课题。据介绍,中心还参与了国家空间站植物培育计划。

      谈及航天育种中心的未来,陈志强充满期待:“我们将继续紧跟国家战略需求,在水稻航天生物育种共性关键技术、水稻特异种质资源创建、航天诱变机理研究以及适合直播、轻简化和机械化生产的重大水稻新品种培育等方面争取新的突破。”
 
                                                                                                                                                                                    作者:□采写/陈芃辰 方玮)
 
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