全 文 ：文章编号 :100028551 (2004) 042241206
天地结合开展我国空间诱变育种研究
温贤芳1 　张　龙2 　戴维序2 　李春华2
(11 中国农业科学院原子能利用研究所 ,北京　100094 ; 21 中国空间技术研究院总体设计部 ,北京　100086)
摘 　要 :本文着重介绍了自 1987 年以来 ,我国空间科学家和农业生物学专家 9 次利用返回式卫
星、2 次利用神舟号飞船和 4 次利用高空气球搭载了 70 多种植物近 50kg 的种子 ,涉及粮、棉、
油、蔬菜、瓜果、牧草和花卉等植物。经国内 22 个省、市、自治区 70 多个研究单位多年的地面
选育 ,已培育出一批具有高产、优质、抗病经审定的新品种 19 个 ,其中水稻新品种 5 个、小麦 2
个、棉花 2 个、青椒 1 个、番茄 1 个、芝麻 1 个、西瓜 3 个、莲子 3 个、灵芝 1 个 ;另外还选育出新
品系 50 多个 ,还有一大批种质资源。在航天育种机理方面也做了不少研究工作 ,航天诱变的
生物学效应 ,在细胞和分子水平上研究了航天新品种的遗传物质变异 ,地面模拟试验进行了许
多研究 ,均取得了一定的进展。在全国许多省市建立了航天育种示范基地 ,累计示范推广航天
新品种 (系)面积 270000hm2 ,取得了很好的科技成果和社会经济效益。我国空间诱变育种的研
究工作走在世界的前列。
本文还介绍了我国前 3 代返回式卫星在空间科学方向所做的成果及贡献。列出前 3 代返
回式卫星与空间诱变育种研究相关的基本参数。报道了返回式卫星回收舱的空间环境的数
据。我们还对今后空间诱变育种提出了展望。
关键词 :空间诱变 ;航天育种 ;农作物 ;育种机理 ;返回式卫星
收稿日期 :2004204222
作者简介 :温贤芳 (1938～) ,男 ,广东梅州市人 ,研究员 ,中国原子能农学会理事长 ,一直从事核农科学研究和管理工作。
STUDY OF SPACE MUTATION BREEDING IN CHINA
WEN Xian2fang1 　ZHANGLong2 　DAI Wei2xu2 　LI Chun2hua2
(11 Institute For Application of Atomic Energy , Chinese Academy of Agricultural Sciences , Beijing , 100094 ;
21 Department of Comprehensive designs , Chinese Institute of Space Technology , Beijing , 100086)
Abstract :This paper described the status of space mutation breeding in China. It emphasized that since 1978 Chi2
nese space scientists and agricultural biologists have send 50 kg seeds of more than 70 crops including cereals , cot2
ton , oil , vegetable , fruit and pasture to the space using the facilities such as return satellite 9 times , Shenzhou air2
craft twice and high balloon 4 times. New varieties of 19 with high yield , high quality and disease2resistance , have
been bred though years of breeding at the earth at more than 70 Chinese research institutes in 22 provinces. The new
varieties include five rice varieties , two wheat varieties , two cotton varieties , one sweat pepper , one tomato variety ,
one sesame variety , three water melon varieties , three lotus varieties and one ganaderma lucidum variety. In addition
more than 50 new lines and many other germ plasm resources have been obtained. Study on space breeding mecha2
nism , such as biological effect of space induction , genetic variation by cell and molecular techniques and simulated
study at the earth , has been conducted , and some progresses have been achieved. Many space2breeding bases have
been established in some provinces. Space varieties have been extended up to 270000 hectares , and some useful
scientific achievements and social economic benefit had been made. The study of Chinese space mutation breeding is
going ahead in the world. The paper also introduced the contribution and results made by return satellites of the first
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three generation in space science. Some basic parameters involved in the study on space mutation breeding of return
satellites were listed.
Key words :space induction ; space breeding ; crops ; breeding mechanism ; return statellite
宇宙空间的物理环境与地面有很大的差异 ,其主要特征是 :长期微重力状态、空间辐射、超真空和超
净环境等。空间辐射的主要来源有地球磁场捕获高能粒子产生的地磁俘获带辐射 (geomagnetically
trapped particle radiation ,简称 GTPR) 、太阳外突发性事件产生的银河宇宙辐射 (galactic cosmic radiation ,简
称 GCR)及太阳爆发产生的太阳粒子辐射 (solar particle radiation ,简称 SPR) 。由于来源不同 ,粒子的能谱
范围也不同。如 GTPR 粒子和 SPR 粒子的能量最高为数百兆电子伏特Π核子 (MevΠu) ; GCR 粒子的能量
则可高达数千亿电子伏特Π核子 ( GevΠu) 。在空间辐射所包括的多种高能带电粒子中 ,质子的比例最大 ,
其次是电子、氦核及更重的离子等[2 ] 。
中国是目前世界上有能力发射返回式卫星的 3 个国家之一 ,到 2003 年底已经成功地发射了 18 颗
返回式卫星。卫星从起飞到返地可分为动力飞行阶段 (又称主动段) 、轨道运行阶段和返回飞行阶段。
在主动段有强烈的振动和冲击力 ,但这一阶段只有几分钟 ;在轨道运行阶段 ,卫星高度近地点为 200km ,
远地点在 400km 左右 ,飞行时间为 8～20d ,其微重力水平为 10 - 3～10 - 6 g ,真空度 10 - 3～10 - 6 g Pa、质子、
电子辐射积分通量均较高 ;在返地阶段 ,振动及冲击力 ,特别是飞行物着陆遇到硬物时的剧烈振荡 ,虽然
时间很短 ,却常常是造成生物体死亡的重要因素之一。
空间诱变育种又叫航天育种或太空育种 ,是指利用返回式卫星或高空气球将农作物种子带到太空 ,
利用太空特殊的环境 (空间宇宙射线、微重力、高真空、弱磁场等因素)对农作物种子产生诱变 ,再返回地
面选育新种质、新材料 ,培育新品种的作物育种新技术。农业空间诱变育种技术是农作物诱变育种的新
兴领域和重要手段 ,可以加速农作物新种质资源的创造和突破性优良品种的选育。空间诱变育种技术
的核心内容是利用空间环境的综合物理因素对植物或生物遗传性的强烈动摇和诱变 ,获得地面常规方
法较难得到的甚至是罕见突变种质材料和资源 ,选育突破性新品种。空间诱变育种技术包括卫星空间
搭载、高空气球搭载、飞船搭载、地面模拟空间因素诱变等途径。空间诱变育种技术方法可广泛应用于
生物特别是各种植物的遗传操作改良过程 ,实现高效益的遗传改进。
1 　我国空间诱变育种的研究进展
111 　我国空间诱变选育的成就
自 1987 年以来 ,我国科学工作者 9 次利用返回式卫星和 2 次神舟号飞船及 4 次高空科学试验气球
搭载了 70 多种植物的约 50kg 的种子 ,涉及到粮棉油及蔬菜、瓜果等作物。已经培育出 19 个新品种 (通
过审定) ,其中水稻 5 个 (航育 1 号、华航 1 号、赣旱籼 47 号、特优航 1 号、五工稻 1 号) ;小麦 2 个 (烟航 2
号、太空 5 号) ;棉花 2 个 (红鹤 1 号、赣棉 12 号) ;青椒 1 个 (宇椒 1 号) ;番茄 1 个 (宇番 1 号) ;太空莲籽 3
个 (太空莲 1 号、太空莲 2 号、太空莲 3 号) ;西瓜 3 个 (航兴 1 号、航兴 2 号、航兴 3 号) ;芝麻 1 个 (中芝 11
号) ;灵芝 1 个 (卫星灵芝 2 号)等 ,还培育出 50 多个新品系和许多优良菌株及一批优质种质资源 ,航天
新品种累计示范推广面积超过 27 万 hm2 亩 ,为农业科研和农业生产做出了贡献。
下面介绍几个品种 :
(1) 华航 1 号水稻 ,1996 年华南农业大学利用卫星搭载广东主栽品种“特籼占 13”种子 ,选育出“华
航 1 号”水稻新品种 ,比原种增产 15 % ,一般单产 8250kgΠhm2 ,即亩产 550kg ,生育期比对照缩短 10d ,米质
为 1 级米 ,推广面积已超过 70000hm2 ,2001 年通过广东省品种审定 ;
(2) 1987 年黑龙江农业科学院搭载“龙椒 2 号”原种 ,经多代选育出具有果实特大、品质优良的宇椒
1 号新品种 ,门椒及二荚椒平均 250～400g ,最大果 750g ,每公顷可达 7500～9000kg ,比原亲本品种增产
40～50 % ,果实中Vc 及可溶性固形物含量分别高于对照 20 %和 25 % ,目前已在全国推广 10000hm2 ,2002
年通过品种审定。
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(3) 1992 年黑龙江农业科学院通过卫星搭载组培大黄番茄纯种 ,经多代选育出“宇番 1 号”番茄新品
种。具有果实特大、品质优良、味甜、肉厚、籽少 ,平均单果重 250g ,最大单果重 800g。一般亩产 4000～
5000kg ,比原品种增产 50 % ,Vc 含量比对照提高 3313 % ,可溶性固形物提高 70 %。2003 年通过品种审
定。
(4) 1994 年江西广昌白莲研究所卫星搭载种子 442 粒 ,选育出“太空莲 1、2、3 号”新品种 ,平均单产
9800kgΠhm2 ,比对照增产 60 % ,到 2003 年止 ,累计推广 17000hm2 ,新增产值 115 亿元 ,作为江西省星火计
划项目和扶贫支柱产业。
(5) 1992 年江西农业大学和江西创元生物科技有限公司卫星搭载赣农大 6 号棉花种子 ,选育出“红
鹤 1 号”棉花新品种。2002 年通过省级品种审定 ,其最大优点是纤维品质特优 ,纤维长度 31mm ,比强度
24CNΠtex ,马克隆值 315～419 ,属特优质标准品种 ,其原棉可以代替海岛棉。
(6) 1994 年黑龙江农业科学院卫星搭载大豆“宝诱 17”选育出“航天 1 号”大豆新品系 ,产量为
3240kgΠhm2 ,比对照增产 11 % ,出油率为 2116 %。
112 　空间诱变育种机理研究
我国在空间诱变选育新品种作了很突出的成绩 ,也开展了很多机理研究方面的工作。科学工作者
对空间诱变 SP1 代生物学效应做了很多研究工作 ,如对生物的刺激效应、抑制效应、形态学效应、产量效
应和品质效应等。
研究者认为 ,空间诱变可能是高能粒子击中细胞中某条染色体的某个特殊点或片段而引发变异。
中科院遗传所在 1987 年和 1994 年用卫星搭载绿菜花 ,搭载的菜花提前抽苔开花 ,经研究发现其花粉母
细胞减数分裂的终变期的染色体数目不均等分离 :如减少 n = 6 ,7 或增加 n = 11 (地面对照染色体数目
n = 9) ,并出现倒位和易位染色体。在分子水平上也做了一些研究 ,如邢金鹏等对卫星搭载的“农恳 58”
水稻的原种与大粒型突变系进行多态性分析 ,发现在扩增的 200 多条 DNA 片段中只有 5 个片段显示了
多态性 ,并将其中 1 个低拷贝的突变位点定位于第 11 号染色体上。证明了卫星搭载的粳稻“农恳 58”纯
系单株种子的突变后代在染色体 DNA 水平上确实发生了变异。
关于诱发突变的遗传性 ,作物经空间诱变后 ,SP1 的许多生物学效应并非一定能遗传变异 ,要在 SP2
以后才能表现出突变的真正性状 ,空间诱变确实能引起遗传变异 ,而且变幅大 ,水稻可达 3～4 %的遗传
变异 ,而且有利变异多 ,稳定快。卫星搭载的宇椒 1 号甜椒具有果型大、Vc 含量高、抗病性强等优点 ,
SP4 就已稳定 ,与对照进行 RAPD 分子检测 ,表明宇椒 1 号的遗传物质确实发生了变化。
2 　我国返回式卫星概况及空间环境
211 　返回式卫星的概况
我国是续原苏联和美国两国之后第 3 个掌握卫星返回技术的国家 ,到目前为止 ,我国已经成功研制
了四代返回式卫星 ,共成功发射了 18 颗返回式卫星 ,其中成功回收 17 颗 ,这些卫星获得了大量遥感资
料 ,已为我国国土普查、地质调查、环境监测、地震预报、考古研究及海洋、空间诱变育种等发挥了很大作
用。每颗返回式卫星可以提供搭载 150～180kg 的科学和技术试验设备。几年来 ,卫星共进行有源搭载
试验 12 项 ,无源搭载试验几十项。包括蛋白质晶体生长、生物细胞培养、微生物生长、农作物种子和组
培苗试验等项目。表 1 为我国返回式卫星一览表。
从表 1 可看出我国历次返回式卫星的发射时间、回收时间、搭载的重量、卫星飞行的近地距离和远
地距离等数据 ,这些数据对从事空间诱变育种的农业科技工作有一定的参考作用。
212 　我国返回式卫星的空间环境
我国返回式卫星的运行轨道高度在 180km～400km ,返回式卫星所处空间的真空度在 10 - 3～10 - 6
Pa ,卫星所提供的微重力在 10 - 3～10 - 6 g。空间辐射粒子能量高、射线成分复杂是空间环境的特点之一 ,
而空间环境中宇宙射线辐照对种子影响分析是空间诱变育种研究的热点之一。返回式卫星回收舱外壳
为 18～20mm 的玻璃钢烧蚀材料 ,内侧还贴有多层度铝箔膜 ,对空间中的宇宙射线有一定的屏蔽作用 ,
342　4 期 天地结合开展我国空间诱变育种研究
但返回式卫星的回收舱内仍然有一定的宇宙射线存在 ,一般平均剂量为 011～013mGyΠd。根据以往返回
式卫星空间诱变育种的经验和对回收舱内宇宙射线的测量 ,可以确认回收舱内宇宙射线的分布是不均
匀的 ,卫星朝向宇宙空间的方向射线辐射强度比卫星朝向地面的部位的射线强度高 ,同时卫星受到粒子
的辐射剂量同卫星的轨道高度 ,卫星所经过的区域以及卫星的姿态指向等因素有关。这些都可通过核
乳胶、固体径迹、LiF 热释光、CR239 塑料径迹等 3S 系统探测到各种射线及分布。表 2 为我国返回式卫
星回收舱内实测辐射剂量值 ,其中当量粒子数为计算值。
表 1 　我国返回式技术试验卫星一览表
卫星名称 发射时间(y1m. d) 回收时间(y. m. d) 起飞重量 (kg) 返回重量 (kg) 搭载重量 (kg) 近地点(km) 远地点(km) 周期(min) 轨道倾角 设计寿命 (d) 工作寿命 (d) 运载火箭名称
返回式技术
试验卫星 1 1975111126 1975111129 1790 596 5 181 495 9112 6310 3 3 CZ22
返回式技术
试验卫星 2 1976112107 1976112110 1792 598 5 172 492 9112 5915 3 3 CZ22
返回式技术
试验卫星 3 1978101126 1978101129 1812 644 5 169 488 9110 5710 3 3 CZ22
返回式技术
试验卫星 4 1982109109 1982109114 1781 612 23 177 407 9012 6310 5 5 CZ22C
返回式技术
试验卫星 5 1983108119 1983108124 1844 628 23 175 404 9012 6310 5 5 CZ22C
返回式技术
试验卫星 6 1984109112 1984109117 1809 616 23 178 415 9013 6810 5 5 CZ22C
返回式技术
试验卫星 7 1985110121 1985110126 1810 619 23 175 409 9012 6310 5 5 CZ22C
返回式技术
试验卫星 8 1986110106 1986110111 1769 613 176 402 9012 5710 5 5 CZ22C
返回式技术
试验卫星 9 1987108105 1987108110 1810 645 36 172 410 9012 6310 5 5 CZ22C
返回式技术
试验卫星 10 1987109109 1987109117 2069 609 212 208 323 8917 6310 8 8 CZ22C
返回式技术
试验卫星 11 1988108105 1988108110 2129 637 53 208 326 8917 6218 8 8 CZ22C
返回式技术
试验卫星 12 1990110105 1990110113 2081 644 6311 206 308 8916 5711 8 8 CZ22C
返回式技术
试验卫星 13 1992108109 1992108125 2592 633 6518 175 353 8911 6311 15 15 CZ22D
返回式技术
试验卫星 14 1992110106 1992110113 2063 602 4214 211 315 8918 6310 8 8 CZ22C
返回式技术
试验卫星 15 1993110108 未返回 2099 应 634 10611 214 317 8916 5619 8 8 CZ22C
返回式技术
试验卫星 16 1994107103 1994107118 2761 768 12713 178 338 8915 6219 15 15 CZ22D
返回式技术
试验卫星 17 1996110120 1996111104 2965 780 266 175 345 8915 6219 15 15 CZ22D
返回式技术
试验卫星 18 2003111103 2003111122 3395 683 50 200 350 90 63 18 18 CZ22D
　　返回式卫星搭载的生物样品发生了很多变异 ,有的变异是对人类有利的 ,有的变异则是不利的 ,分
析认为产生变异的主要物理因素是空间辐射和微重力。但对舱内射线成分及在微重力条件下 ,舱内的
低辐照剂量引起植物变异的原因等不清。因此 ,对未来发射的农业卫星需要加强空间环境机理的研究。
442 核　农　学　报 18 卷
表 2 　返回式技术试验卫星回收舱辐射剂量
型号 发射时间(y. m. d)
回收舱平均辐射剂量
(mGyΠd) 计算当量粒子数(粒子Πcm2·d)
返回式技术试验卫星 2 1976112107 01402 (回收舱头部)
01502 (回收舱中部) 3133 ×1054116 ×105
返回式技术试验卫星 3 1978101126 01329 (回收舱头部)
01458 (回收舱裙部) 217 ×1053179 ×105
返回式技术试验卫星 9 1987108105 01300 2149 ×105
返回式技术试验卫星 10 1987109109 01210 1174 ×105
返回式技术试验卫星 11 1988108105 01110 114 ×105
返回式技术试验卫星 16 1994107103 01129 1164 ×105
返回式技术试验卫星 17 1996110120 01179 1148 ×105
返回式技术试验卫星 18 2003111103 01102 - -
3 　我国空间诱变育种的展望
311 　我国农业对空间诱变育种的需求
目前 ,世界人口年增长以亿计 ,耕地面积日益减少 ,水资源严重不足 ,化肥的报酬率已接近极限 ,这
些因素造成世界粮食正从过剩转向短缺。到 2030 年我国人口将突破 16 亿 ,粮食需求量达 614 亿吨以
上。为此 ,世界各国特别是一些发达国家都在探寻新的对策和措施 ,寻找增加粮食和农产品生产的新途
径。
实践证明 ,培育优良品种是促进农业增产诸多重要因素中最经济有效的措施。高新技术应用于作
物育种 ,可以在较短的时间内创造出优良的种质资源 ,选育出高产、优质、抗性强的农作物新品种。空间
诱变育种技术应用于作物育种而形成的农业空间技术育种是近年来发展起来的卓有成效的植物育种新
途径。利用空间诱变技术育成的水稻、小麦、棉花、大豆、芝麻、青椒、番茄、西瓜、莲子等优质、高产新品
种和新品系 ,以及创造的能够恢复籼型雄性不育系育性的粳稻育性恢复基因突变系等是目前利用其它
育种手段较难获得的。进一步加强作物空间技术育种工作 ,不仅可以为我国农业、农村、农民作出积极
贡献 ,而且将成为促进 21 世纪我国农业纵深发展强有力的科技支撑。
312 　空间诱变育种的社会经济效益
31211 　直接经济效益 　在过去 16 年的工作基础上 ,目前已有水稻、小麦、大豆、棉花、番茄等近 20 种作
物通过了品种审定 ,有 50 多个主要粮、棉、油、菜等作物的优异新品系进入多点试验 ,不久的将来可大面
积推广和产业化。以主要粮食作物为例 ,空间育成的新品种按最低标准每亩增产 10 %或 40kg 计 ,到
2006 年新品种累计推广应用 40 万 hm2 ,增产粮食可达 2 亿 kg ,其直接社会经济效益将超过 3 亿元 ;预计
到 2010 年 ,新品种累计推广面积将达 300 万 hm2 ,其直接社会经济效益非常可观。
31212 　间接经济效益 　空间技术诱变育种的最大优势在于它可以创造出地面其他育种方法难以获得
的优质种质材料 ,而这正是常规育种、杂种优势育种等难于取得重大突破的关键基础 ,以此作为杂交亲
本 ,培育在产量和品质上有突破性的优良品种 ,在更大范围内促进农作物增产和农业持续发展 ,其社会
经济效益更为巨大 ,应用前景更为广阔。
31213 　对农业科学和空间科学的贡献 　空间技术诱变育种是一项具有国际先进性和创新性的重大科
学工程 ,其应用基础理论研究 (包括机理与地面模拟试验等)的成果 ,一方面将更加奠定我国在该领域的
世界先进地位 ,另一方面将为农业科学特别是农业育种科学做出贡献 ,通过空间环境机理研究 ,弄清空
间许多环境因素如何对生物的变异影响 ,为我国未来空间生物学的研究打下基础。
4 　我国空间诱变育种急待研究的问题
411 　加强对空间诱变的机理研究
542　4 期 天地结合开展我国空间诱变育种研究
因涉及到空间科学、天文学、核科学和生物学等多学科交叉 ,对空间诱变机理的研究难度很大。如
太空的条件复杂 ,目前所知的有空间宇宙射线、微重力、高真空、交变磁场。这些因素的空间诱变效果以
及其综合效应尚有待进一步研究。目前我们仅限于种子和微生物的搭载 ,基础理论研究十分薄弱 ,航天
育种机理尚不清楚 ,这严重影响和制约空间育种向纵深发展。因此必须加强空间环境机理研究及空间
诱变生物学效应的基础研究 ,从细胞和分子生物学的水平上进行基础研究和地面模拟研究 ,提高我们的
空间诱变育种水平 ,减少工作的盲目性。
412 　加强标准化规范的试验
空间诱变育种取得了很大的成绩 ,但也存在许多试验不规范的问题。因此 ,必须加强标准化和规范
化的科学试验工作。从选择作物品种的种子搭载、地面选种的过程、品种的审定、示范园的规范、种子的
销售和推广 ,都必须按规程去执行。希望有关领导部门在这些方面加以引导并尽快作出有关规定。
413 　产业化的前期工作
我国空间诱变育种成果不断出现 ,当前国家各级政府也十分重视 ,空间科学家和农业科学家热情很
高 ,各种类型的种子公司对航天种子也十分看好。在目前良好的形势下 ,为使产业化工作有序进行 ,防
止技术欺诈和虚假商业炒作 ,政府领导应严格管理种子的审定和制种程序 ,科技人员 —企业家 —农民群
众相结合 ,使产业化工作健康发展。
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