从水车上的豆子到航天育种

——简述人类良种选育的发展

Space Exploration - - 航天育种专题 - □郭锐

人类早期的作物良种选育科技专家总是在以各种方式主动探索、不断研究。200多年前英国的托马斯·安德鲁,出生于1759 年,在不到50 岁的时候就因为在园林园艺和水果蔬菜等植物的生理研究上成就卓著被封为爵士。

他为了了解为什么所有的种子在土壤中开始启动“发芽工程”后,都是根须朝下钻、茎叶往上长的原因,把一种四季豆,固定在早期英国到处可见的那种水车上了!那时欧洲的水车通常都很大,有的高达近70米。把豆子固定在水车轮子的边缘上,豆子相对于车轮是不动的,但相对于外部却是不停地转动的,一会儿向上、向右,一会儿向下、向左。而且,豆子们还都随着水车的转动具有了离心力,因而在某段路程上,也就有了那么一点点“失重”的感觉。他在世界上第一次把水车系统变成了一个“模拟微重力实验场”。

真正意义上的微重力系统,是由德国一位名叫朱利叶斯·冯·萨克斯的植物学家发明的。英国的托马斯先生去世时,朱利叶斯先生才刚刚6岁,但却已经开始痴迷于植物、真菌等的观察、研究、绘画、记录和标本收集了。与托马斯先生相似的是,两个人在这方面的研究都很扎实,成果也很多,而且都搞出了能够“搞乱”植物“方向感”的系统。具体讲,朱利叶斯的成就是建造了世界上第一台回转仪,用来消除地球对植物的重力效应。

不过,不论是托马斯,还是朱利 叶斯,他们所借助或创造的“微重力系统”都是二维的,就是只能在一个平面上旋转,要么垂直,要么水平,而且转速也都不是很高,所以虽然在植物生理研究领域有了一些发现,但其成果都尚未达到广泛应用的程度。

真正的推动力是科技

到了 20世纪,意大利、日本、荷兰的科学家们,都成功研制出了各自的三维回转仪,而且都是高速。有 的回转仪已经非常成熟,作为商品在植物科研市场上销售了。

三维回转仪等微重力系统的发明和发展,是人类植物学家主动出击,打破亿万年来大自然对植物变异的完全“垄断”,开始干扰、影响和控制植物生长过程,甚至是基因分子层面变异变化的全新探索。

这种全新探索,并不只是对地球引力的反抗和干扰。或者说,科学家们不约而同地发现,地球从全局宏观意义上、对植物种子生长过程大规模

施加影响的“武器”,除了引力,还有磁场呢!那好,那我们就再探索一下,如果让植物种子感受不到地球磁场,会发生什么样的变化吧!

随着现代科技的飞速发展,尤其是磁场屏蔽材料及技术的提高,科学家们能够得到一个尽可能将地球磁场和其他电磁信号屏蔽在外的小小空间环境,叫做“磁屏蔽室”。这样的磁屏蔽室,美国、荷兰、日本、芬兰和德国等国家在20多年前就已建成,并且进行了多个领域的科学实验和研究攻关。

我国也在 1989年在北京的中国地震局地球物理研究所,建成第一个国家“零磁空间实验室”。虽然这个实验室的主要任务是精密仪器校正及消磁等,但也使得针对模拟脱离地球磁场情况下的生物效应研究逐步成为现实,国家攀登计划课题“零磁空间对农作物的生物遗传效应研究”等项目得以深入开展。

在此期间,先后有江西省农业科学院旱作物研究所、黑龙江省农业科学院作物育种研究所、哈尔滨师范大学生物系等科研、教学单位的专家学者,在中国地震局、地球物理研究所和零磁空间实验室等的协作下,自1999年开始,利用零磁空间环境,先后对大麦、小麦、大豆、玉米、芝麻、花生、油菜、水稻、牧草等作物种子,进行零磁空间对种子基因诱变效应及作用机理等方面的研究,取得了大量 宝贵的数据资料,也为人类探索新型育种技术积累了丰富的实践经验。

此外,还有一种出现较早、一直在用的诱变育种技术,就是辐射诱变。具体讲,就是利用伽马射线、X射线、紫外线等等去照射、轰击作物种子,促发其细胞、基因等发生变化。其中用得较多的,是伽马射线,因为这种射线能量很高,波长又较短,所以具 有很强的穿透能力,能够把能量直接作用到作物种子的细胞、分子层面。

中国的科学家特别是农业科技专家,对这种辐射诱变技术已经运用得非常成熟。如中国农业科学院作物科学所、湖南省原子能农业应用研究所、浙江省农业科学院作物与核技术利用研究所等单位的专家,都曾利用伽马射线辐射技术,从现代生物学效应及

诱变效果系统分析的角度,对多个类别的水稻品种进行诱变实验,育成一批优质水稻新品种。这些品种,普遍表现出早熟、抗倒伏等优良性状。

此外,自 1987 年起,中国的科学家们就开始大规模、成系统地利用高空气球来进行诱变育种探索研究。几十年来,已经先后对水稻、小麦、大麦、玉米、油菜、棉花、谷子等重要作物种子和食用菌菌种进行了高空诱变,成功地获得了一批优良品种、品系,成为我国农作物“种子库”中的重要补充。

植物种子和菌种,为什么会在高空中出现异常变化,有些还能够将这些变异遗传给下一代呢?这是因为,当高空气球携带植物种子升到几十千米以上的高度时,所处环境的大气结构、空气温度和密度、压力、地磁等条件,所经受的宇宙射线、紫外线等的强度,都与地面有着显著的差异,必然会对种子细胞和基因产生重要影响,进而促发变异。而这,正是农业育种专家们所期望出现的。

事实上,对上述微重力、弱磁场和高空气球等几种诱变育种技术,农业育种专家们几十年来一直都在加以综合利用,目的就是进一步加强各种“非正常因素”对种子细胞和基因的影响,促发更频繁、更深刻的变异,以便得到更多更好的新品种。

但是,这很麻烦,耗时很长,很难从宏观意义上做大做强。分布在全国各地的农业科研院所、大专院校的农业育种专家,也不容易做到不论什么项目都能提前周知、统一步调、协作进行。更关键的是,像零磁空间实验室、三维回转微重力系统等场所和设备,也并非任何一个科研单位、任何一名农业专家,都能随时买得起或用得起的。我们的农业科学家,尤其是一些经济欠发达地区的育种专家,虽然责任更大,但条件却相对并不那么优越,有的甚至一直在科研上过“苦 日子”和“紧日子”。所以,不能不另想办法——那种事半功倍、一箭多雕的好办法。

超级实验室就在天上

于是,大家就不约而同地想到了一个地方——科学家们在地面上费尽力气创造或模拟出的这样或那样的极端环境,而在那个地方这些条件却是无处不在、无时不有,同时具备、更加强大——那就是太空。

太空,它就在地球的周围,就在我们的头顶上,而且已经存在亿万年了。最近几十年来,人类逐步实现了从“航空”到“航天”的“龙门之跃”。虽然最远只是去了几趟月球,连载人飞去火星这样的“近邻”都尚未做到,但人类的“飞天”之梦,毕竟已经成为现实了。这一步,已经迈出,包括人造卫星、返回式飞船、往返式航天飞机……这些技术都已经非常成熟,这是不争的事实。

对农业育种科技来说,这一步,就已经足够了,因为育种专家们的目的就是“较短时间实现变异,拿回地 面进入选育”。所以,我们所说的对育种科技最为合适的、最大最强的“超级实验室”,主要就是指当前人类各种航天器能够顺利到达、而且能够安全返回的地外空间,也就是已经离开地球大气层,但又不必跑得太高太远,距离地面几十千米到几百千米的区域。

那里,正是育种专家们梦寐以求的地方,人类科学家上百年来努力创造和模拟的、能够超越地球表面自然状态的极端环境,那里都有,全都是现成的,而且一直都有,永远都有,除非宇宙消亡。

历史比地球年龄还要久远的“太空超级实验室”、逐步成熟的航天科技,促使人类育种科技发展史上一个全新的概念横空出世,这就是“航天育种”。

所谓航天育种,目前科学家们已经给出明确的定义:航天育种又叫空间诱变育种,是指利用航天器将农作物种子、组织、器官等诱变材料送入太空,利用空间特殊环境的诱变作用,使其产生变异,再返回地面选育新种质、新材料、培育新品种的作物育种新技术。★ 责任编辑:夏丹

▲为种子包上“外衣”

▲种子吊装进卫星

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