刘录祥:太空种子在太空经历了什么
开讲啦(2020年10月24日)国家航天育种工程首席科学家刘录祥(视频)
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刘录祥，作为我国航天育种工程首席科学家，从事航天育种研究二十余年，带领团队先后育成小麦等作物新品种20余个，其中包括我国第二大小麦品种“鲁原502”，真正让航天育种技术走进田间地头，走进了千家万户的餐桌。那么一粒种子在宇宙中究竟经历了什么？航天育种到底安不安全？未来又会如何改变我们的生活？《开讲啦》刘录祥为大家揭秘航天育种的神秘世界。
说到航天育种，大多数人都会觉得遥远和“高冷”，对航天育种的印象，也仅仅停留在“把种子带上天再带回来，作物就能丰产，果实就能变大”，其实不然，“航天育种既要上天，也要入地”，刘录祥说。种子的筛选是一个非常漫长的过程，不是每一粒种子都能上天的，上了天的种子回到地面，还要经历“九九八十一难”层层筛选最终“胜出”，并获得审定的佼佼者才能被称之为“太空种子”，而这个过程一般需要4-6年的时间才能完成。
刘录祥说，其实“中国航天育种的起源来自于一个偶然”。1987年我国第9颗返回式科学试验卫星，首次将一批水稻和青椒等农作物种子送向遥远太空。科学家在实验中意外发现，极个别上过天的种子发生了一些遗传变异，由此揭开了航天育种序幕。而回忆起自己第一次接触航天育种，刘录祥坦言，当时自己觉得航天育种是不是太夸张了。直到1994年，他的同事将红小豆送上太空后，红小豆的籽粒和豆荚都发生了神奇的变化，让刘录祥深深感受到了航天育种的威力，从此跟航天育种结下了不解之缘。
在开讲现场，刘录祥带来了航天育种的蔬菜，有大果型的“宇椒九号”，有香甜可口的太空玉米，还有尚未经审定的紫色辣椒等等。刘录祥说，由于宇宙空间环境的复杂性，一粒种子经过太空飞行，它所产生的变化也是多种多样的。我们能改变的可能只有千分之一，甚至于万分之一，演讲中刘录祥给大家看了一幅种子在太空被宇宙射线击中的照片。他解释说，其实并不是每一粒种子，都能被宇宙射线击中，也不是所有被击中的种子都能发生基因变异，因此“育种家的工作充满了未知充满了挑战，但也充满了惊喜”。
那么，很多人也会质疑航天育种真的安全吗？刘录祥坦言，在过去的二十年里一直被问到这个问题，他也一边吃一边给大家解答，航天育种是非常安全的！其实，航天育种在本质上和自然界的变异相同，只不过航天育种加速了变异的过程，提高了变异的频率。1996年，刘录祥团队专门做了一个核物理的检测实验，实验证明，即便是空间搭载后直接回来的种子，也是非常安全的。而更重要的是，航天育种在培育优质的新作物品种，特别是特异性的种子材料方面有着不可替代的作用，这也是我们为什么要坚持航天育种的原因。
谈及航天育种的未来，刘录祥说未来有可能颠覆之前三十年的航天育种思路，利用空间飞船和外挂的装置把种子直接暴露在宇宙空间。虽然我们目前无法预知会带来怎样的改变，但必将为我们未来的生活，甚至食品的形态发展带来非常大的想象空间。听到这里，现场青年代表也脑洞大开，问道：那电影中在火星上种土豆的场景可以实现吗？刘录祥说在未来的未来一定可以实现！他也很期待未来自己也能在太空中进行育种。
而当主持人问道，如果真的有一天可以去太空，只给您三个选择，您会带哪三种植物的种子上天。刘录祥给出了一个，令大家都很意外的答案，让我们看到了一个科学家的艺术情怀。那么，面对青年代表问到的“太空蔬菜是否意味着营养价值更高？”“太空粮、太空菜又究竟还有多久才能真正普及？”刘录祥又会如何作答？
航天育种是一个漫长且复杂的过程。
大家好，刚才呢我们从一个太空椒开始，小撒刚才也给大家放了一些巨型果实的蔬菜，那么大家看到这个市场上或者我们在超市里面拿到的一些大果型的蔬菜，往往就会想到，这是不是太空蔬菜？上天一转，下来就像这个太空椒一样变大，上天一转，可能就下来以后像水稻小麦就高产，它不是这么回事的。实际上我们要经过严格的一个周期的筛选，那么这个筛选过程呢，它是一个漫长的，我们一般来讲，要经过四到六年的这样一个工作。
第一个阶段就是要种子筛选，我们上天的种子，不是说任何一粒种子都可以上天，首先这个种子呢，种子活力要好，达到非常饱满的这样一个状态，另外一个最为重要的——遗传稳定性，你这个遗传稳定性一定要高，它遗传上是稳定的，我们搭载上去以后才能鉴定它是不是发生了真的变化。如果你搭载上去的就是一个杂的，那么下来以后呢，你就分辨不出来是不是太空射线发挥了作用，所以说种子的筛选，这个是非常重要的第一个环节。
那么我们筛选到了这样一个准备搭载的种子以后，非常重要的就是上天诱变，那么搭载完种子以后，一般在空间飞行一周，最长的可以飞行二十七天，我们原来的返回式卫星。那么返回到地面以后，育种家就要去筛选。种子空间搭载以后，当年我们种植的呢，我们是不加任何选择的，因为我们对有一些生理性的变异我们是无法区别的，所以说我们繁殖种一年以后，我们再种下去，从第二年的一个群体里面去选，那么这个群体是非常庞大的，我们怎么样从茫茫的群体里面选择我们目标性状所要改良的个体？我们需要建立一系列的定向筛选的方法。比如说我要筛选抗病的，我一定要找一些病害去感染它，我捉一些虫子去咬它，然后呢去筛选一些能够抗虫抗病的；那么另外一个我要筛选耐旱的，我一定要把我空间搭载回来的种子，种到那个旱地里面去，我不给它浇水，我再看能够存活下来生长的，那就是有可能发生基因突变的。所以说这样一个过程的话，我们进一步地去不断地淘汰、筛选出来，那种有抗性的或者产量比较好的，生长势比较旺盛的。
那么这些个体下来以后，我们还要进一步地去繁殖种子，要多点地测试，什么叫多点测试呢？我在北京测试不行，还要在河北，还要在河南，要多个生态区去测试，测试完了以后，还要进行多个年份的测试。那么这样的话，对我们综合性状要进行一系列的鉴定以后，我们提交专门的品种审定委员会，品种审定委员会一般进行两年的这样一个正规的、多年多个生态点的测试，那么最后你表现优异，胜出者颁发一个证书，这个时候这叫太空种子。
所以说呢，太空种子不是种子上天转一圈下来就叫太空种子，而是经过了空间诱变，基因发生改变的种子，进行一系列的筛选过程，最后稳定的品系，通过审定的品种才是太空种子。所以说，航天育种的概念就是什么呢？我们把生物体，特别是植物的种子送上太空，进行诱变，基因发生改变的种子，选育以后，获得新品种的这样一个方法。
航天育种为什么会让种子的基因发生改变？
这张照片是我们早期1996年我们搭载的小麦种子，经过空间搭载以后，返回到地面做的发芽实验，大家可以看出左边的是没有飞行的种子，右边是经过空间飞行以后马上做的一个发芽实验，那么我们可以看出，我们经过空间飞行的小麦，它种子发芽的生长势比未经空间飞行的要强，但是另外一个种子，高粱的种子正好相反，那么左边是对照，右边是经过了空间飞行以后的，它的生长势得到了明显的抑制。
那么实际上我们大量的资料去进行分析整理的时候，发现空间环境对植物种子，特别是当代返回的植物种子的生长发育的影响，它非常复杂，你比如说小麦它有促进，但是高粱它是抑制的，但是水稻种子，可能搭载回来的种子生长没有明显的差别，那么这种现象呢，它也不是固定的，所以说空间环境我们也说它是一个复杂的环境。就是说一粒种子经过空间旅行以后，它会发生一系列的变化，那不一定每一粒种子都会发生变化，我们能够改变的可能只有千分之几，甚至于万分之几。
我们早期在2006年，在“实践八号”上，搭载的一些特殊的装置，那么这些特殊的装置是一系列的探知空间环境有什么神秘的东西的这样一个设备，比如说左手边上面能看见的方块，那个是一块特殊的设备，我们叫核径迹板。什么叫核径迹板呢？它实际上是一个三明治的结构，那么中间是种子，两边是核乳胶的材料，经过了空间搭载以后，我们返回到地面，把这个东西取出来以后，就能够分辨出来哪一粒种子被宇宙粒子击中了，击中在哪一粒种子的什么部位，那么这个是对于我们去鉴定这个机理是非常重要的。
大家看图片的左边，就是我们这一块核径迹板上，那么下面的四排是小麦种子，那么上面四排是水稻种子，左上角是一种模式植物拟南芥的特别小的种子，那么这样一个种子，我们经过核乳胶板，进行空间飞行以后，返回到地面以后去检测，显微镜下检测它的感光片，就能够发现有些种子上有这样像一个鱼雷样的这样的一个亮点，这个就说明什么呢？那么这一颗种子是被宇宙粒子幸运地击中的。
那我们利用这样一个办法，实际上在玉米上也做了，我们最后有一个非常有趣的统一的结果：玉米粒子种子是比较大的，那么百分之百的种子都被至少击中一次，而且我们统计下来，我们那一块板上有十九颗种子，十九颗种子全都被击中两次以上；那么水稻跟小麦的种子，它的大小是中度的，那么只有百分之四十的种子被击中一次，那么其中小麦跟水稻的种子，它种胚被击中，引起基因改变的频率更高，所以说它的种胚被宇宙粒子击中的概率的话，百分之十六；但是拟南芥这个小种子，它只有百分之十四的种子能够被击中至少一次以上，所以说这个说明了什么呢？种子的截面越大，那么它接受的宇宙粒子击中的概率就越大，那么这个充分证明了空间搭载的植物种子，确确实实，虽然呆在返回舱里面，但能够得到一个宇宙粒子的击中。所以说这是我们太空育种为什么能够引起改变，另外这种改变的道理所在。
航天育种初接触
那么其实空间搭载植物，特别是植物种子的过程，我们中国科学家从1987年开始，是1987年8月5日发射的第九颗卫星，那么搭载了一些青椒，搭载了一些水稻种子。当时大家开玩笑说，这些种子搭载上去，经过了十多天的飞行，回来会不会变成面粉呢？大家就是这样一个好奇的心，然后回到地面以后，发现经过筛选以后，有的种子确实发生了改变，那么对这些发生了改变的种子进一步地进行世代的种植，发现这些改变的性状可以一代一代地传递下去，那么很容易大家就想到了，这样一个途径能不能用于诱变育种？
那么早期的时候，我实际上第一次接触到航天育种，还是1994年，早期的时候，当我听到的航天育种的时候，给我的第一印象就觉得太遥远，在空间去诱变效果怎么样？会不会有点太夸张了？那么一直到1994年，我们的同事进行了空间搭载红小豆以后，那么红小豆经过空间搭载以后，它那个籽粒变得很大，豆荚变得很长，同样的数量的籽粒，那么能够看出明显的增大。那么我就非常好奇，我说这个技术方法，那确实看来是在创造一些特异性的种子材料方面，是非常有效的一个方法。
那么另外一个就是说，在我的研究过程中非常有趣的现象，我从传统的伽玛射线里面诱变小麦，从来没有见到过能够发生小麦叶片颜色发生改变的，但是我们经过航天搭载以后，出现的可以看出来小麦的叶片，正常的都是绿色的，它出现了一个白色条纹的突变，叫叶色的白化或者叫叶色的条纹变化，它是受核基因控制的，那么这些性状呢，都是可以传递给后代的。所以说，这说明了空间环境的诱变的话，跟我们传统的伽玛射线这种电磁辐射确实也有不同的地方，这也就是我们为什么要，一定要去坚持搞航天育种。
那么我们国家从1987年，一直到现在，那么过去二十多年，我们进行了三十多次的返回式卫星或者载人航天的搭载，我们数以万计的植物种子继而地进入太空，特别是刚才我一开始提到的“实践八号”育种专用卫星，这是我们国家，也是国际上第一颗，也是唯一一颗专门用于空间育种的卫星。
这就是我们“实践八号”，当时在发射前发射塔上进行安装我们载荷的时候，那么这个载荷总共有两百零八公斤，包括了一百五十五个物种，其中植物种类有一百三十三种，那么包括我们刚才说的甜玉米，包括辣椒、青椒，都是通过“实践八号”专用卫星搭载以后筛选出来的这样一个优良的品种，那么这些材料实际上我们可以直接培育成品种，那么更多的呢，是跟别的优良品种再杂交，把优良性状再聚合，形成新的品种，比如说我们现在目前我们全国第二大的小麦品种“鲁原502“，这就是通过我们空间诱变，获得了一个早熟的、一个秆子健壮、抗倒伏性增强的一个品种，跟我们另外一个品种做杂交，经过了多年的选择以后选出来的。
航天育种到底安不安全？
那么第二个就是说，刚才小撒老师也讲到了，这个安全不安全？1996年我们做过一个专门的实验，就是我们把经过空间搭载的种子，直接回来以后，用专门的仪器设备测试它，经过连续四十八个小时的测试，没有增加任何的这样一个放射性。所以说呢，我们从这样一个核物理检测手段来证明，不管是空间诱变，还是我们原来的核辐射诱变，都是跟自然界本身的，亿万年的自然进化的变异过程是本质上一样的。那么另外还有一种大家关心的，太空育种跟转基因是不是有什么关系？转基因，实际上是我们人为地定向给植物去导入一个优良的性状的基因，使得它的性状发生改变，那么航天育种只不过是利用了外界的环境，使得我们生物体自身的基因加速了变异，变异的范围扩大，变异的频率提高，实际上这个经过空间搭载直接回来的种子，它本身也是非常安全的，那么这个品种生产的食品，你就可以放心大胆地享用。
我们为什么要坚持搞航天育种？
那么这个实际上只是一部分，最为重要的是，通过空间这个环境的诱变，我们创造了数以千计的种质资源材料，那么这些种质资源，有的在当下是有用的，有的可能在当下可能觉得没什么用处，但是它也是一种基因改变了的性状，那么这个东西长期保存，在未来某个时候它可能发挥作用。所以种质资源，是我们农业粮食生产的，我们叫“芯片”，那么空间诱变或者航天育种，正好是创造多样化的种质资源的一种非常有效的方法。
那么另外一个就是说，我们国家为什么一定要坚持搞航天育种？那么我们国家，大家知道，十四亿人口，粮食安全是我们的长期的一个战略性重要问题，我们的土地又是非常有限的，在这种环境下，我们每年产量都要提升，靠什么？靠良种。在过去二十多年的历史里，我们育出了相当多的品种，到2019年年底的时候，我们有两百多个品种通过审定或者鉴定，那么应该说在未来里面，在创造一些特别是我们提到的一些特异性的材料——大果型、高品质、高抗性，这些材料方面非常有独特的特性。特别是我们国家载人航天，发展非常地迅速，那么我们未来有可能改变我们以前三十年的航天育种思路，怎么弄呢？就是利用空间飞船，设想一种这样一个外挂的装置，我们把种子直接装在外挂里面，直接暴露在宇宙空间，那么这种情况下种子会发生什么样的改变？现在我们也无可预知，但是这种实验的装置或者这个实验的进行，必将会带来一些不仅在科学上一些重要的发现，也会对我们创造资源、利用资源，为我们未来的人类甚至于食品的形态发展，可能带来一些非常大的一个想象空间。
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