本文来自微信公众号:我是科学家iScientist(ID:IamaScientist),作者:赵辉,监制:吴欧,策划:麦芽杨,编辑:李霄、徐子婧,头图来自:VPhoto

大家好,我是赵辉,从事航天育种的工作。

说起航天育种,很多人都会自然地联想到大南瓜。因为在很多类似的园子里,还有展会上,都会把一个大南瓜放在中间给大家看。

其实大南瓜它原本就那么大,不是航天育种把它搞大的。世上有一种南瓜品种,它就叫“大南瓜”。

它有多大呢?

国际上有很多类型的大南瓜种植比赛,有的比赛已经持续进行了近50年。2019年,最大的一颗南瓜是美国人种出来的,单个南瓜重达1141公斤。

还有比它更大的,2016年的时候,一个比利时农民种出了一个1190公斤的南瓜。

但是,确实有大南瓜的种子上过天。上过天的南瓜种子回到地面以后,也确实有专家用它进行杂交和选育,培育出了新的品种。但如果我们把大南瓜的大的因果关系,直接关联到航天育种上,还是不太科学。

那么就说到什么是航天育种了。

航天育种是借助返回式卫星、飞船这类航天器,搭载植物种子和种苗,还有其他一些生物材料进入到外太空,并利用辐射、微重力等各种外太空环境因素的复合作用,使这些植物种子和种苗等生物材料产生突变。

这些突变的材料回到地面以后,不同专业领域的科学家会利用它们进行科学研究。这里至少涉及到空间诱变机理的研究,还有生命科学、生物学、植物科学、材料科学和生物医药等等领域。

其中农业科学家和育种专家会用这些材料,去发现和获得有益的突变体。再用它去做农作物的新品种、新种子、新品系的创制,去创制新的种质资源,丰富和积累育种材料。

航天育种的品种运用在农业领域当中,可以获得高产,增强抗性和早熟等等优异的农业性状。

有些种子上了天,还会回到地面,用作农业育种和林木等很多的领域。但也有些种子上了天,它是不回来的。

在前几年有一部电影叫《火星救援》,讲的是宇航员马克和他的团队失联后,被困在了火星上,想办法返回地球的故事。

其中有一个桥段,就是他在火星上营造了一个小的环境去种土豆,以此来获得食物来源,然后等待自己的伙伴来救他。

现在,这种在太空环境下种植作物、获得食物的方法和技术已经比较成熟了。

实际上,我们人类在进行宇宙空间探索活动的同时,植物就跟随着航天技术的发展,进入到了这项技术当中。

航天技术未来的发展,是在探索新的超级地球生存空间、开展深空探测。

但研究和建设地外的人的生存系统,在受控生态系统的建设当中,植物是必不可少的参与的主要对象——通过植物的光合作用、呼吸作用,我们去获得氧气、水分和食物来源。

现在人们会讲火星移民或者外太行星的移民生活,包括我们还在建设月球基地。而我们正在使得植物能够在空间环境中,生长发育、获得收获。这是我们为人类进入外太空,为这项研究做的基础性的准备。

生物材料就是植物的种子进到外太空、再回来。为什么会有这些变化?主要是空间环境因素对它起的作用。

最主要的是辐射和微重力。

外太空的辐射和地面的辐射,其实不太一样。在地面,从1928年开始,人们就已经掌握了用辐射技术去搞农业育种的技术,到现在已经有90多年了。但是在地面用辐射育种这个方式,辐射剂量比较难掌握——剂量小了,很难获得有益的突变体;剂量大了,致死率又很高。

但是在外太空的辐射,使用中国航天搭载和空间实验的这个方法,我们得到的结果是什么?

成活率很高,获得的有益突变也非常多。特别重要和难得的是,辐射和空间微重力共同对生物体产生影响。通过现在科学家们的研究,这是让它产生这些有益变异体的一个很重要的原因。

很多空间的环境在地面其实是可以建立和模拟的,比方空间的高真空、超洁净、大温差。但是还有一些空间因素在地面难以模拟和实现,比方说辐射,因为辐射的条件差异很大。再比方说微重力,由于地球重力的影响,在地面上就无法实现一个微重力环境的再现。

我们在空间搭载生物材料的方式多种多样,有作物种子的搭载,有活体的苗和愈伤组织的搭载,还有各种微生物的搭载。

这些搭载的方式是怎么产生的?

实际上在每一次航天发射当中,各个学科的科学家都想方设法地想捎带一些材料参与到空间科学实验中。但是很珍贵一个空间资源就是载荷重量。

载荷重量怎么来?

航天人也想了一个办法——每次航天发射对火箭发射的卫星飞船,都有很严格的质心的约束条件和限制。为了保证卫星的质心的要求,以前是通过配重去调整和稳定的。

而航天人就用生物实验的各种实验材料去替代下一部分配重块。这就为这些科学家开展空间科学的研究提供了条件和创造了条件,我们的搭载其实也由此而开始。

除了搭载生物材料送到天上去,回来做这个研究以外,我们也直接在空间站开展了很多的实验,都获得了一些成功。

在这里面给大家讲一个具体的实验例子。

我们曾经在神舟八号飞船上做过一个番茄试管苗在空间环境下开花结实的实验。这个实验主要是揭示高等植物在空间环境下生长发育的规律、机制。

神舟八号飞船当时设计的飞行时间是17天。17天,其实很难实现一粒种子从萌发、生长到开花、结实、坐果的全过程。

我们怎么去设计这个实验呢?

我们把番茄苗在地面培育到它带着花蕾但还没有开花的阶段,然后把它们装在试管瓶子里面,然后捆扎。我们飞船的技术人员给它装在返回舱里面,然后升空。

17天以后,它们回到地面上,我们惊奇地发现:

第一,10只管子里的番茄苗都是活的。

第二,这8个番茄苗都已经开了花结了果,而且有的已经转红,接近成熟了。它的对照组,同时期生长于地面的番茄苗,生长状态还不如它。

在当时,国际上还是第一例做出这样的实验。

我们还在天宫二号的空间实验室里面做了拟南芥和水稻种子全生命周期的生长实验,也获得了成功。

很多的搭载材料,拿到地面来,主要是用于解决我们农业生产希冀解决的问题。

我们在主粮作物如水稻、小麦、玉米、大豆,和几乎所有的蔬菜和经济作物上面,都进行了用空间诱变的材料进行选育实验,取得了很好的效果。

再给大家讲一个故事。

大家都知道,牛吃的是草,挤出的是奶。但是要想它牛奶的品质高,蛋白质含量高,它一定要吃高蛋白质含量的草。

我们国家本土的主要牧草品种之一叫紫花苜蓿。但我们的紫花苜蓿,蛋白质含量比较低,所以牛吃了它,奶就不是那么很好。

我们通过大概6个批次的搭载实验,获得了很多的实验材料。然后由中国农科院的专家们,专门来做了牧草的航天育种的实验研究,最后获得了很多的变异。

从照片上看到,它从三叶变成了五叶,甚至有七叶。

叶片的增加有什么效果?

在单位面积当中,种植紫花苜蓿的植株数量是一样的。但是一棵植株,如果叶子长得多了,一个是产量增加了;再一个紫花苜蓿蛋白的有效成分都是在叶子上,所以它的有效成分也获得了提高。

通过培育这个品种,我们现在就使它获得了比以往传统品种更多的产量,它的蛋白质含量也提高了很多。

这个品种在2018年经过了国家的审定,已经在主要的牧草产区进行了大面积的推广。从这个故事来讲,我们可能使奶品质的提高有了一个基础的保障。

还有一个故事,讲的是莲子。

莲子,是江西广昌是一个白莲的主要的种植产区。我们1984年、2002年、2006年,三次用返回式卫星进行了莲子的搭载实验,到地面去选育。

目前航天育种的太空莲产品在主产区已经大面积的推广,给当地带来很好的经济收益。

此外,在很多的林木花卉上,航天技术也有很好的应用。

特别好玩特别惊喜的事,就是给花卉做空间诱变。

因为它不像农作物这种吃的东西,还要做很多其他方方面面的研究、测试和实验。花卉上天以后,只要它一变,就是一个新品种,就是一个好东西。

它有可能花色变了,有可能花型变了,也可能花期变长了,所以我们现在经历过空间诱变育种的花卉品种有很多。

现在,航天育种在主粮作物、蔬菜、林木和各种水生动物、微生物方面都有很多很多的应用。我们很多的食用菌、甚至很多酿酒的酒曲都通过搭载,获得了很多效价很高的生物菌种。

说到这么多的应用,实际上我们航天有的农产品已经走进了超市,端上了餐桌,围绕在我们生活的周围。

经过空间诱变、航天育种的产品安不安全?

这个回答是肯定的。

航天育种它是自身的一种物理诱变,所以它的安全性是确定的。从1928年人类采用辐射育种技术培育新品种以来,目前全世界登记的、用这种技术育成的农作物新品种已经达到了3200多个。

在这期间,从来没有发生过由于航天育种产品或者辐射诱变育种的产品,导致食用的安全性出问题,或者对环境不友好的案例。这些新品种也从来没有受到联合国卫生组织和环保组织的质疑。所以,我们可以放心地食用航天育种的产品

说到我从事这项工作,是从做搭载开始的。

1985年的4月,有一位美国华裔的宇航员叫王赣骏,他在参加挑战者号第17次飞行的时候,带了一面中国的国旗进入太空。1985年的7月,他到中国来访问,把他带到太空的这面国旗送给了我们。

当然我们看到这个新闻的时候,对王赣骏博士充满了敬佩和感谢。

但是我和航天五院的一些伙伴们在说起这件事的时候,心里多少有点小小的不忿——我们自己已经具备了进入太空的能力,我们自己的卫星也正在太空遨游,怎么就不能用我们的卫星,去搭载一面我们的国旗上天呢?

我们还想,要搞就搞一个大的。

我们当时就一起策划和实施了把天安门广场国旗放到我们的卫星里面发射升空,回到地面以后,在天安门广场再把它升起来这个事儿。

我们是在1996年10月20号,把天安门广场的国旗装进了第17颗返回式卫星,那是一颗国土普查卫星。11月4号,返回舱回到地面。1997年的1月1号,这面国旗在天安门广场升起。后来,这面国旗被国家博物馆给收藏了。

也就是从那个时候,我开始做航天搭载的工作,后来进而又开始做航天育种的工作,一直做到现在。

探索茫茫的宇宙和浩瀚的太空,是我们人类一种不懈的追求和梦想。航天技术的发展,为我们深空探测和各种活动提供了条件和机会。

在这其中,航天育种一直参与着航天事业的发展。它也为我们人类的美好生活,做出应有的贡献。

非常感谢大家。

演讲嘉宾赵辉:《在火星上种土豆,对我们来说这一点也不稀奇》 | 摄影:VPhoto

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