利用卫星、飞船等返回式航天器，将植物种子、组织、器官或生命个体送到宇宙空间，在太空高能离子辐射、微重力、高真空、交变磁场等因素的诱导下，使植物材料发生基因突变，再经过地面繁殖、栽培、鉴定试验，筛选出能够稳定遗传的优质、高产、抗逆性强的新品种，称为航天诱变育种。航天育种技术在有效创造罕见的突变体基因资源和培育作物新品种方面已发挥出越来越重要的作用，成为空间生命科学研究的重要组成部分，并凸显良好的产业发展优势。

    航天诱变育种作为解决常规育种中某些特殊问题和培育新品种的重要方法之一，对河南省选育农作物新品种和创造新种质资源及品种改良、提高产量、改善品质发挥着重要作用。河南省自20世纪80年代以来，水稻、小麦、大豆和蔬菜等多种植物，通过该技术手段已获得大量的突变体，并从中选出了一批优良的新品种。

1  国内外航天诱变育种的历史回顾

    空间环境的特点是强辐射、微重力、弱地磁、超真空和超洁净等。早在20世纪60年代初期，前苏联学者就报道了空间环境诱变对种子影响的研究。此后，德国和美国许多实验室研究了植物在空间条件下生长、发育及其生理、生化和遗传特性的变化，空间微重力、高能重粒子对植物种子和植株的影响等。20世纪80年代中期，美国将番茄种子送上太空达6a之久，在地面试验中也获得了番茄的突变体。1996-1999年，俄罗斯和美国学者在“和平号”空间站成功种植小麦、白菜和油菜等植物，到本世纪初，已经从国际植物遗传资源库中筛选出适合空间站培植的超矮小麦、水稻、大豆、豌豆、番茄和青椒等多种作物的品种或品系。

    1987年8月，伴随着我国第9颗返回式科学试验卫星的成功发射，首批水稻和青椒等作物种子被_送上太空，中国开始了作物航天诱变育种的探索。迄今，中国利用返回式卫星、神舟飞船和高空气球先后进行了22次作物种子等生物材料的空间搭载试验。2006年9月24日，还专门发射了用于作物育种的“实践八号”航天育种卫星，装载了包括152种植物、微生物和动物等2020份生物品种材料。航天诱变育种技术应用的范围越来越广，涉及粮食、油料作物、蔬菜、中药材、花卉等植物。历经20多a研究，取得了可喜的成果，育成了高产、优质、多抗的水稻、小麦等作物新品种和新品系，从中获得一些对产量有突破性影响的罕见突变体。目前世界各国利用正在建设中的国际空间站进行太空植物试验研究，其最终目的在于使宇宙飞船最终成为“会飞的农场”。

2  河南省航天诱变育种现状

    中国于1987年发射返回式卫星，将植物种子和昆虫、微生物搭载到空间进行试验研究。河南省航天诱变育种发展与国家航天诱变育种同步，已开展近20a的探索研究。通过各种航天器的搭载，将粮食作物、花卉和中药材等材料送上太空，多个新品种进入田间大面积示范种植和推广，产生了较好的社会经济效益。

    现今作物育种一方面迫切需要培育出一批高产、超高产的新品种，进一步提高产量潜力和改善品质，另一方面在育种方法上也亟需有新的途径以获得有突破性的种质资源，而把航天高新技术用于植物育种正是一种有希望的新途径。小麦作为河南主要粮食作物，在航天诱变育种中成绩突出。张世成等以豫麦13号为诱变材料，选育出了航育1号新品系，该品系比对照豫麦2号增产7.3%，穗数和粒重均有提高，增产达5%，其中1个试验点创造了9540 kg/hm²高产典型。河南省农科院雷振生、吴政卿等将6个小麦品系送入太空，对诱变后代进行多年试验选择后，选育出了优质弱筋小麦太空5号和太空6号。河南省从1991年就开始与北京航天诱变育种单位合作，利用返回式卫星和高空气球搭载小麦种子进行太空诱变试验，选育出了一批各具特色的丰产、优质、抗病新品系，标志着河南省航天诱变育种成果进入应用阶段。其中河南省农科院选育的太空5号已达到国家优质小麦标准，并于2004年通过了省级审定，成为我国第1个通过审定的“太空小麦”，并获得了“十五”国家首批品种后补助奖。通过审定的太空6号小麦在1998-2003年进行的品种比较和省区域试验及生产试验中其产量屡居首位。2003年，河南省原阳县提供的40g水稻种子搭载第18颗返回式科学与技术试验卫星，经育种专家遴选、定向培育，2007年选育获得了1个富含硒、铁、钙等微量元素，外观饱满晶莹，口感良好的水稻新品种——黄蕊一号太空营养米。经中国农业部质量检测中心检测，在含铁、钙、锌、硒等微量元素方面大大高于日本天价大米，尤其是硒的含量是日本天价大米的2倍。新乡市农业科学院将包括水稻、小麦、白菜、大葱等20个品种搭乘第20颗返回式卫星邀游太空，是该市第2次将传统特色农业品牌种子送上太空诱变育种，也是河南省历次航天育种中种子总质量最大的一次。航天诱变育种在河南省粮食作物增产和改善品质上发挥着重要作用，同时在蔬菜新品种培育上也取得了喜人成绩。郑州太空种苗部培育出的甜椒T100维生素C及可溶性糖的含量比一般甜椒高30%。2003年，经山东、江苏、河南、内蒙、安徽、黑龙江、海南等多点试验均没发现病害，对生理性病害有极强的抵抗能力，产量最低90000kg/hm²，最高达162000kg/hm²。马树彬从搭载“神舟3号”飞船归来的韭菜种子中，历时5a选择培育，最终获得突破性进展。培育的太空1号、太空2号、太空3号韭菜新品种的蛋白质、纤维、铁、尼克酸等10项检测指标均发生不同程度变化，1kg样品的维生素C含量分别达到4.49、4.7、7.56mg，与对照相比，分别高出2～3倍。郑州市蔬菜研究所在2004年的第18颗返回式卫星上搭载了白菜种子，顺利完成太空“邀游”后，郑州市蔬菜所又选送了6种蔬菜30个品种经太空搭载处理，目前有些太空蔬菜已经上市。此外，河南省航天诱变育种技术在资源创新材料上也发挥着重要作用，2003年搭载升空的南阳彩色小麦经太空综合射线辐射后，李航等从中选育出了更优质保健的小麦新品种。方城县辣椒协会、县辣椒办公室精心挑选的7g红缨椒种子搭乘中国第18颗返回式卫星邀游太空，返回地面于2004年开始在该县试种育种，经过3a的试种，太空育种后的小辣椒种子长出了大辣椒、长线型等10余种干椒系列新品种。现今在方城县扩种0.1333万hm²。试种实践已经证明，部分太空育种小辣椒呈现内部基因突变，出现新的基因型，培育出了太空6号太空椒。太空椒具有远优于原品种的抗病、抗旱、抗涝能力，其产量比普通辣椒高30%。同时，其色泽鲜艳、角大肉厚、品种多样，辣椒素及各种微量元素含量都高于原品种。2009年，内乡县农科所的研究人员对33粒豫麦70-36和30粒内农科201小麦优质品种搭乘“神舟七号”飞船邀游太空后单株进行研究，太空一代小麦品种已经发生了明显变异，可从中选育出新品系，也可作为新的育种中间材料。航天诱变育种技术在中药材上也表现出较好前景，曾搭乘第1颗航天育种返回式卫星送上太空的怀药种子在武陟县怀药种植示范基地收获后，与普通品种相比太空育种怀地黄外观发生明显变异，并具有产量高、抗病能力强的特点。河南省航天诱变育种经多年发展，成立了河南省科学院同位素研究所，该所在国内首次提出并成功应用了小麦切分技术，使种子不必整粒上天，大大提高了搭载效率，完善了航天诱变育种技术。申请的“利用航天与辐射诱变进行超级小麦材料创新和新品种选育研究”项目，经国家农业部批准后，免费搭载了优选的1500g包括13个品种在内的小麦品种，该项目的实施，对推进河南省航天育种步伐产生了重要影响。2002年随神州四号飞船升空，同位素研究所组织省内相关单位搭载了小麦、芝麻、花卉、蔬菜6类植物种子，已筛选出优异突变体。同位素研究所组织育种单位又分别利用我国第18颗和第20颗返回式科学技术与试验卫星搭载了小麦、棉花、蔬菜等植物种子，试验进展良好。2006年又于“实践八号”育种卫星上搭载了1500g小麦，太空遨游15d后，随着返回地面的交付，该单位超级小麦航天辐射育种项目全面启动。其中，该所张建伟选育的国审富麦2008在国家试验中最高产量高达10605kg/hm²。

3  航天诱变对农作物农艺性状的影响

    由于太空环境存在各种无法控制的诱变因素，因此，空间诱变处理对作物的诱变方向也具有不确定性。空间诱变水稻干种子，后代的生育期向感温性强与感光性强两极分化。结合河南省多年航天诱变育种实践，虽然空间辐射诱变的方向具有不确定性，但多种作物的研究结果也表现出一定的规律性。在空间辐射当代(SP_l)对农作物的种子发芽率和植株生长具有一定的抑制作用，第2代(SP₂)则表现较大幅度的变异，而且空间辐射产生的正向变异频率较大，变异稳定较快，有些作物在第3代(SP₃)就出现稳定的株系。空间诱变还常出现常规育种不易出现的变异类型，是其他理化因素处理较少出现的，如水稻早熟突变、大穗、大粒变异，蔬菜大果变异等。第2代变异丰富，且表现出较多的正向变异，有益突变频率高。水稻干种子进行卫星和飞船搭载进行空间诱变处理，SP₂代分蘖数、穗长、穗粒数、千粒重、粒形等农艺性状均产生较大的变异；空间诱变的水稻穗粒数增加，结实率提高，粒重增加，籽粒长宽比与剑叶增长，米质变优，蛋白质含量提高。空间诱变处理的小麦株高、穗长、有效分蘖、有效小穗数和千粒重等农艺性状都表现出广泛变异，而且正向变异较多。从这些广泛的变异中可以选育出具有特殊性状的优异新种质资源和新品种。航天诱变育种一方面可以创造出符合人类需要的变异类型，经过选择可以筛选出有益，培育新品种。另一方面，空间诱变群体中并不是所有的变异都是有利的，而且空间诱变也不是对所有性状都能产生显著的作用。因此，航天诱变对农作农艺性状的影响，需要进一步深入的理论研究，以便航天诱变育种技术体系的完善和应用。

4  存在问题及展望

    可以预测，随着航天技术的发展和相关基础理论研究的不断深入，航天诱变育种必将更多被应用到育种实践中，在作物新品种选育和特异种质的创造上具有独特发展潜力。但从发表的相关文献和育种实践来看，河南省在航天诱变育种研究还存在一些问题，一是作物航天育种的研究应用总体上还处在初级发展阶段，基础研究比较薄弱。河南省植物诱变育种研究重点是培育新品种、创造新种质，在作物空间环境响应或诱变机制、提高突变预见性和选择效率等基础研究方面明显滞后于应用研究。究其原因，一方面是研究条件差，经费少，难以满足现代科学研究的要求；另一方面是在市场经济体制下，无论管理层和研究所都要求在短时间内出品种、出效益、出成果，而基础研究短期内难以达此目的，因此被淡化，但是，从可持续发展战略地位去分析，基础研究不可忽视，特别是诱变育种基础研究多数为应用基础研究，对河南省植物育种具有重要实践意义。航天诱变育种具有起点高、周期短、创造性强等显著优点，它不仅能直接诱导新的突变，还能打破遗传连锁、促进现有优异基因向目标品种中集合。河南省利用太空育种这一手段，搭载的种子都是选择增值效益高、有当地特色，并可以大面积种植的品种，取得了显著的经济效益和社会效益。因此，应加大对这一技术体系的支撑，充分发挥河南农业大省的优势。二是不同作物航天诱变育种发展极不平衡，仅少数几种植物成绩突出，即便对于航天诱变育种技术应用较为成功的作物来说，也还没有得到大面积的推广利用。因此，空间诱变新品种在农业增产、农民增收中的作用还没充分发挥。河南省是全国农业大省，建议从目前已经育成的空间诱变新品种中选择市场应用前景好、具有后续产业化潜力的品种，纳入国家农业科技成果推广计划。委托重点科研与企业单位，精心组织，加速试验，集中示范和扩大推广，以基地带动生产，提高空间诱变技术育种的显示度。三是航天诱变育种关键技术有待突破和实用化。目前尚未育成具有突破性综合性状的品种，这除与诱变技术有关外，还与诱变材料后代的选择处理方法有关。由于作物品种的性状经过诱变发生变异后，还需要通过有效的选择使这些变异遗传下去，并且能够得到加强，这一方面取决于变异性状的遗传力，另一方面也取决于恰当的选择方法。现在的研究工作多注重对大田突变体的直接选择，对诱变后代材料的处理及选择方法上的研究还不够，在田间选择和后代材料处理上具有一定的盲目性，致使选择效率低。所以，关于变异性状特别是一些重要的农艺性状在不同世代的选择效应和选择方法的研究，对作物育种同样具有重要意义。另外，针对空间诱变后的植物材料在后代表型性状中产生的变异，可以利用分子生物学方法克隆得到特异基因，并通过基因工程手段将其转入到作物基因组中，进行定向表达；还可以利用分子标记辅助选择方法，借助与目标基因紧密连锁的遗传标记，分析基因型，鉴定分离群体中含有目标基因的个体，加快育种进程，提高育种效率。

    综上所述，随着人类向空间探索技术的不断发展，航天诱变育种技术也将会更深入、系统。航天诱变育种机制的研究对促进地面的诱变育种也会产生深远影响。植物航天诱变育种的应用范围正在逐步扩展，一个由众多学科交织发展而成的植物航天诱变育种，不仅对科学及其有关学科的发展具有强大的影响，并对其自身的发展显示了广阔的前景和许多新的生长点，尤其是随着植物航天诱变育种应用领域的扩大和其他学科新技术的结合，孕育着新的分支学科的形成和产生。展望未来，植物空间诱变的突变体，在地面通过分子生物学技术、细胞工程技术和基因工程技术等手段予以培养，可以给农业育种带来广阔的前景，相信不久的将来，航天诱变育种会成为加快植物育种进程的更为可行和实用的新技术。

    作者单位：(河南省科学院 同位素研究所有限责任公司，河南省科学院 核农学重点实验室，河南 郑州 450015)

    文章采集：caisy

    注明：国家科技支撑计划子课题（2008BAD97B01）；河南省科技成果转化计划项目（2008004）