空间生命科学与太空育种

1957年原苏联发射第一颗人造卫星，人类开始进入空间。载人航天飞机、飞船和空间站的建立，为探索宇宙奥秘以及利用空间条件为人类服务提供了有利条件。目前，美国、俄国、中国、西欧等国都拥有完整的航天系统，美俄等国正试图在太空中建立永久居住的空间城。但空间条件极其复杂，例如高真空(10—8pa)、微重力(10—4g)、强辐射(尤其是危害性极大的HZE)，以及一些未知的条件使人进入这种环境就产生一系列问题：例如生理机能的变化、食品选择、气体的排供、废物的处理以及宇航员的安全等。科学家们围绕诸多问题开展多方面 的研究建立了一门新兴边缘学科——空间生命科学，它主要包括空间医学基础研究和空间生物学研究。前者主要是为人进入空间服务的。由于地球上生活的人进入空间后，生存条件不同会发生一系列变化：心血管功能受阻，“造成瘀血症”甚至死亡，血不均造成上下体失衡，微重力条件下生物自身的节律紊乱，骨质脱钙造成骨质软化，重离子对人致癌性损伤等等。后者主要是围绕空间条件对动植物细胞分裂、分化、形态建成以及微生物的生长发育规律的影响研究。特别是空间条件对生物体遗传稳定性影响研究为太空育种提供了科学依据。
进化论告诉我们，环境变迁，生物体也会发生相应的突变，以保证生物体本身适应新环境。科学家们研究发现，植物种子空间飞行后在地面种植，发现根尖分生细胞内染色体断片及染色体桥频率增加，发芽率、生活力、育性均降低(Nevzgodina 1982, Horneck G 1992, Delone 1964, Eowles 1984, kostinao 1984, Maksimova     1985, Vauloa 1984)。引起染色体畸变进而导致生物突变的原因，目前还不是很清楚。宇宙辐射是可能的原因之一。在空间飞行的生物被置于一个与地球生物圈完全不同的辐射环境中，主要包括来自地磁场俘获带的电子、质子及低能重粒；来自银河系的宇宙射线例如质子、粒子及更重的高能重粒子；来自太阳磁暴的质子及重离子等(杨垂绪，梅曼彤 1995)。高能重离子(HZE)辐射生物学研究表明，它比低能(LET)辐射更能有效引起细胞内遗传物质DNA分子的双链断裂，其中非重接性断裂所占比例更高(Chatterjee等，1992；梅曼彤等，1996)。曾比较研究了重离子束和６０Co-γ射线处理干种子后的生理损伤及遗传变异效应，发现高能氩离子、铁离子对当代生理损失及后代性状变异的诱导能力均高于γ射线，对处理第一代及第二代植物的结实率及花粉母细胞的染色体畸变分析发现重离子辐射，特别是较高剂量的铁离子处理后，M1代植物结实率下降，M2代明显回升(～85%)，而花粉母细胞染色体畸变率仍维持较高水平。高剂量的γ射线处理后第2代植株的结实率仍较低(～5%)，但其花粉母细胞染色体畸变率明显低于M1代，说明重离子辐射在生殖细胞引起的遗传物质损伤较难修复。对已稳定的突变株系及原始品种进行RFLP分析发现存在多个酶切位点多态性。说明DNA存在较大片断的结构变异。国外早期的实验表明，在飞行器的发射及着陆过程中引起的振动和压力变化也能增加染色体的畸变频率(Halstead TO等 1984)。值得一提的是空间微重力环境对生物体生理状态的影响，许多实验表明微重力引起酶活性改变，从而导致生物体生长发育及器官建成发生改变(Hacstead 1984)，还有可能干扰DNA损伤修复(Horneck 1987, Pross 1993, Amkeeva 1983)。因此认为空间诱变的主要因素就是宇宙中的高能重粒子(HZE)等导致细胞中的DNA双链断裂，微重力、高真空环境又进一步抑制损伤DNA的修复，从而引发广幅的遗传变异。据此认为太空育种将成为现代育种新途径之一。
        自1986年以来，我国不少科学工作者在“863”高技术航天领域应用生命科学专题组的资助下，利用返回式卫星或高空气球搭载植物种子、微生物、种苗及昆虫样品，开展了农作物、抗生素及酶制剂苗种和家蚕等诱变育种研究，取得较好的成绩，受到国内外的关注。
    从1987年开始，进行多种植物种子卫星或高空气球搭载试验。经多年的地面种植、观察、选择后发现了不少的新的变异类型，并初步选育出一批性状优良、在农业生产上具较大应用潜力的新品系。1988年广西农业大学与中科院遗传所合作，首次利用卫星搭载感光型水稻种子“包选2号”，然后于地面种植。M1代仅存活一株，M2、M3代均出现广幅变异，并从中选育出感温性的丰产品系。江西宜丰地区农科所与中科院遗传所 合作，利用卫星搭载水稻品种“农垦58”种子，经地面种植观察，选出大粒型新品系，并用RAPD分析突变体与原始品种的多态性，所用140个随机引物扩增出2000多条DNA带，仅5个条带显多态性，变异率为0.25%。对差异带进行克隆鉴定，其中4个片断为重复序列，一个片断为双拷贝序列。利用水稻(窄叶青8号×京系17)F1花药培养的DH群体为作图群体，将该片断定位于第11号染色体与分子标记CDO520和PTA818紧密连锁观察到绿豆种子经卫星搭载后选出的变异株系也出现RAPD带型差异。1987年秋，广西农业大学与中科院遗传所合作，又首次利用高空气球搭载粳稻种子“中作59”和“海香”两个品种，第二年春于地面种植，在M1代出现生育期、结实率、株高等性状变异，并进行单株留种，M2代株系仍出现广幅分离并从中选育出一些熟期短、丰产的优质米品系。特别是利用突变体与籼粳稻不育系测交选育出能恢复籼、粳稻不育系的特异突变体。再经过连续多代定向选择，目前已获得能恢复籼稻细胞质雄性不育系育性的亲籼恢复系和恢复籼粳不育系的广亲和恢复系。中科院上海植生所于1988、1989年利用卫星搭载普通小麦种子和经辐射敏化剂乙二胺四乙酸(EDTA)处理的种子试验。结果表明，空间飞行后的种子在地面种植，根尖细胞出现染色体畸变，而且经EDTA预处理的种子根尖细胞染色体畸变率增加，并从中选育出抗赤霉病、高产、高蛋白含量的小麦新品种。江西省农科院旱作所，河南省农科院小麦所经卫星搭载的小麦种子在地面种植，后代也出现多种变异类型并从中选出了优良品系。黑龙江省农科院园艺所与中科院遗传所合作利用卫星和高空气球搭载青椒种子，地面种植M2代出现变异，并从M3代选出超高产青椒新品系，目前已推广试种上万亩。此外利用卫星或高空气球搭载的番茄、甜菜、石刁柏、黄瓜、油菜、大豆、白莲、百合花、棉花、红麻、玉米、谷子、绿豆、红花草、苜蓿、沙打旺等农作物种子也产生遗传性变异，大部分作物均选出了优良突变系。