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送数万种子“太空旅行”16年育成36个水稻新品种

来源:南方都市报     2017年04月21日        版次:GS22    作者:贺蓓

    中心培育的优质高抗水稻新品种“华航31号”。

    →原品种(左)与空间诱变后品种(右)对照图。 受访者供图

    陈志强

    华南农业大学国家植物航天育种工程技术研究中心,至今共有几十个品种数万种子分20多批次搭载上天,“应该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”

    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,在轨道上利用太空中微重力等特殊环境完成了19项科学实验,是迄今为止单次空间微重力和生命科学实验项目及种类最多的卫星任务。“实践十号”上,华南农业大学国家植物航天育种工程技术研究中心,共有38份材料(包括水稻、花卉、蔬菜等)共计98 7克干种子及组培苗进行搭载。作为广东省最早率先开展作(植)物航天育种研究的单位,华南农业大学国家植物航天育种工程技术研究中心,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。近日,南都记者走进这个“高大上”的实验室,为你揭开航天育种及背后的奥秘。

    A

    搭载

    哪些种子能上天

    1996年9月,陈志强及团队选取了3个纯系水稻品种共4份4000粒种子搭载返回式卫星飞上太空。这是广东省采用空间搭载技术开展诱变育种的第一次尝试。华农是当时高校中首批在航天育种领域“吃螃蟹”的。国家植物航天育种工程技术研究中心主任、华南农业大学陈志强教授被业界称为“广东航天育种第一人”。

    能够选上的种子分两类

    植物种子进行太空旅行是幸运的。能够选上的种子又分两类。一类用于机理研究———这类种子通常选用基因型较纯且稳定的,“以研究是不是会,为什么会产生突变。”陈志强说,大多数种子则属于第二类,即为了新品种选育,自身综合性状不错,但仍存某方面欠缺,希望送上去后得到“突变改良”。

    浩瀚太空的旅行,对于一颗种子来说,无疑是独特的。较高频率的有益变异,且稳定速度快,能诱导和创建罕见的具有突破性的优异新种质,同时确保安全且具有自主知识产权的基因源。用陈志强的话,“航天搭载下的航天诱变育种是创造新种质、产生新基因和培育新品种的有效新途径。”

    数万种子已搭载上天

    4000颗种子太空旅行回来后,陈志强和团队成员热切地等到了来年春天。1997年3月,4000粒“太空种子”与对照种一起播种。历时三年5至6个世代的选择,选出航天诱变育种第一个新品种———全国著名的华航一号。该品种是我国航天育种第一个通过国家品种审定的农作物新品种。

    除了水稻,玉米、蔬菜、花卉、大豆等植物种子也已被送往太空。至今中心共有几十个品种数万种子,分20多批次搭载上天。“应该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”。陈志强说。

    B

    突变

    植物种子的太空旅行

    太空飘着几个关键词:高真空,微重力,重离子辐射等。

    植物航天育种正是利用可返回的航天搭载工具(返回式卫星、宇宙飞船、高空气球等)所能达到的空间环境(高真空、微重力、强辐射等)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。陈志强解释,对种子突变起直接关键作用的,正是太空中的重离子辐射。“重离子辐射容易导致植物的D N A双链的断裂,在微重力下不易修复,更容易引起突变”。

    不是每颗种子都会发生基因突变

    上天后的种子会发生哪些突变?国家植物航天育种工程技术研究中心专职副主任王慧教授介绍,直观能看到的变化包括株高、株型、穗型、种子颜色、产量、生育期变化等。有些诱变后代株系与对照比较,株高矮了一半,植株分蘖更多了,穗型变大、粒数变多,也有的一下从矮个变成高个。除了常规诱变育种的变异外,也会出现较少的特殊变异类型,如大果型变异,花卉花形变异、花色变异等。

    不过,太空育种并不是每颗种子都会发生基因诱变,其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。种子太空旅行的环境条件无法预知。“不论好坏,怎么变都是未知的”。即便是同样的种子,搭载同一颗卫星,诱变结果也可能有所不同。

    “太空环境瞬息万变,不能重复”

    有人毫不客气地质疑,“航天育种是没办法重复的”。陈志强坦言,每次搭载的飞行器不一样,即使都是返回式飞行器,哪怕高度、角度、位置、运行时间都一样,人们也暂无法预计太阳黑子活动的规律。“太空的环境瞬息万变,不能重复”。

    不过,随着空间站的设立与完善,像《火星救援》电影画面看到的宇航员种土豆的场景,也将成为可能。从播种到开花到结果,可以做多次重复实验。“天宫二号已经开始养蚕种生菜啦。”陈志强一脸灿烂地说。2016年10月神舟十一号与天宫二号对接成功,中国宇航员首次在太空当起了“菜农”。

    航天诱变育种与转基因育种完全是两码事

    航天诱变的变异与转基因有联系吗?陈志强认真而坚决地说:“航天诱变育种与转基因育种完全是两码事!”他解释,航天诱变是使水稻种子内部的基因发生了突变,而转基因是将外源基因转到植物的D N A里。在自然环境中,植物种子实际上也在发生变异,只是变异过程极其缓慢,变异频率很低。他举例,过去通过X射线、γ射线搞地面辐射诱变,也是早期植物育种对自然变异的选择和利用方式之一,被证明是安全可行的。

    通过航天诱变的太空育种,则是利用空间环境条件加速生物体自身的变异过程,增加植物自身的突变率,这与自然变异在本质上没有区别。他强调,航天诱变在生物上是安全的。“太空育种并没有导入其他外来基因,这是与转基因的本质区别。”王慧也补充,“虽然会发生什么诱变是不可预知的,但后续的筛选都是筛出我们需要的有益突变。”

    C

    育种

    周期可能比过去缩短一到三年

    种子上太空走一回,只是太空育种的开始。“搭载仅仅是利用空间搭载手段去开发种子的遗传变异,最繁重和主要的任务是在地面”。陈志强说。航天诱变“有好有坏”。“从科学研究的角度没有好坏之分,好坏是从人类选种的角度谈的。”筛选鉴定“好的突变”并加以利用,这是种子太空旅行归来后的首要任务。航天诱变突变体定向筛选和利用技术成为关键。

    稻米是否好吃,实验室就能“看见"

    过去,种子发生的突变需要将其种植在田里,等水稻长成了,才能进行外观、品质、抗病性、产量等的观察与选择。“在田里找啊找半天,但有些性状因为没有满足条件,没表现出来就发现不了。”于此,中心基于H RM (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)。

    陈志强解释,通俗说,在实验室建立了一套选择系统,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。“例如96孔P C R板孔对应96个单株,假设第92孔的单株标记具有米质软、抗病强、株高适中三个性状,在实验室里能检测到,在田间也一定能跟踪找到。”也就是说,稻米好吃不好吃,香不香,抗不抗病,这些原来在田里看不出的性状,在实验室苗期便能发现,并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。“在田里种植,相当于仅是验证的过程”。

    水稻空间诱变育种新方法

    太空搭载下带来的很多突变,不是大突变可能是微突变,通过一代代慢慢积累表现出来。为了跟踪水稻空间诱变的表现,陈志强领衔团队提出了一套水稻空间诱变育种“多代混系连续选择与定向跟踪筛选”新方法。即在空间诱变的早期世代进行连续多代的混系种植和选择,发现突变单株就选出单独种植进行定向跟踪筛选,创出一种适合航天诱变育种的诱变后代处理的新方法。

    1997年3月,中心将经过太空搭载的4000粒种子与对照种一起播种下去。经过秧苗期、分蘖期、孕穗期的株型对照、抽穗开花期的花穗观察、灌浆结实期的穗粒状况观察记录,科学比照,观察论证些微的变化与异同,将变化株型的种子搜集起来,1997年7月晚造再次播种下去,形成新的株系。这些种子经过四个世代,即两年共四个生长周期后,选出来新的株系的性状就基本稳定了。陈志强曾回忆,“空间诱变后代株系之间表现出的差异令我们好奇、惊喜又质疑”。

    3个品种被认定为超级稻品种

    历时三年多时间,航天水稻优质新品种“华航一号”于2001年通过广东省品种审定,2003年通过国家品种审定,该品种是我国航天育种第一个通过国家品种审定的水稻新品种。王慧介绍,原品种的亩产在400-450公斤左右,华航一号一般亩产可到500公斤左右,高产栽培超过600公斤/亩。2001年至2016年的16年间,中心在水稻航天育种成效显著,共育成36个水稻新品种(组合)通过国家及省级审定。其中,“培杂泰丰”、“华航31号”、“Y两优1173”等3个品种被认定为超级稻品种。同时,一大批优质、高抗、高产新品系正在参加各级区试。

    陈志强总结,太空归来的当代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试(农业主管部门组织的统一试验)、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。一般来说,好的材料品种选出后,最终拿到品种审定至少要两到三年,拿到证书后,才能进入推广环节。尽管步骤严谨,“过去的杂交育种一般要5到8年,航天诱变育种周期也比过去缩短了一到三年。”

    声音

    航天搭载是不可替代的诱变技术的新途径,未来将与生物技术结合,形成一种全新的育种途径。下一步,中心将继续紧跟国家战略需求,与我国快速发展的空间高新技术紧密结合,同时吸收国内外先进生物学技术,在建立完整研究平台和生物育种产业链基础上,努力实现水稻航天生物育种共性关键技术突破,水稻特异种质资源创建突破,航天诱变机理研究突破,适合直播、轻简化和机械化生产的重大水稻新品种培育等四个突破。未来中心不仅在粮食作物上继续发力,还将在植物的全领域开拓研究。———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

    教育部在《高等学校“十三五”科学和技术发展规划》中提出,要促进世界一流大学和一流学科建设。《规划》要求,推动高水平大学牵头组建若干国际领先的国家实验室、重大科学基础设施和一批高水平协同创新平台,成为世界一流大学和一流学科建设的战略制高点。

    高校实验室是高校创新驱动的重要载体之一。今起,南方都市报推出“走进实验室”系列报道,让实验室被看见,被读懂。我们将通过一系列实验室深度观察,呈现广东高校实验室的建设水平和科研能力,让“藏在深闺的高冷君”更灵动接地气。我们试图打通实验室与社会联结的渠道,为地方经济建设发挥“智囊团”作用。

    实验室名片

    华南农业大学

    国家植物航天育种工程技术研究中心

    是广东省率先开展植物航天育种研究单位,也是国内唯一从事植物航天育种的国家级工程技术研究中心。

    该中心以国家重点学科“作物遗传育种”为依托,团队在相关领域开展了大量创新性研究,在国内处于领先地位。团队于2009年、2016年两次获广东省科技进步一等奖,四次获得广东省农业技术推广奖一等奖等多个奖项。

    2001年至2016年,共育成36个水稻新品种(组合)通过国家及省级审定。该中心选育的水稻新品种推广面积5000多万亩,创造巨大社会经济效益。

    采写:

    南都记者 贺蓓

    摄影:

    南都记者 陈志刚

    实习生 许燕玲 杨阳

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