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文章编号 :100028551 (2002) 0520257204
开展航天育种的科学研究工作 ,为我国农业
科学技术的发展做贡献
王乃彦
(国家自然科学基金委员会副主任 ,北京　100085)
作者简介 :王乃彦 ,中国工程院院士 ,国家自然科学基金委员会副主任 ,中国核学会理事长
在人类探索太空的活动中 ,了解太空的环境 ,并利用它为人类服务已成为一个努力的方
向。把各种类型的生物样品放在飞行器上 ,待飞行完回收后 ,观察这些生物样品的生理、生化、
遗传等方面性能指标的变化 ,一直是太空飞行任务的重要任务之一。
利用太空的特殊环境如空间宇宙射线、微重力、高真空、微磁场等因素 ,对农作物种子的诱
变作用来产生变异 ,再返回地面选育新种质、新材料和培育新品种的技术是近十多年来涌现出
来的创造新种质资源和新品种的一种有效途径。空间技术育种还可以获得比在地面上用其它
育种方法难以得到的罕见的突变 ,得到一些特异的种质材料 ,这些材料对于大幅度地提高农作
物的产量 ,改良农作物的品质将发挥重大的作用。
国家自然科学基金委员会是资助我国自然科学基础研究和应用基础研究的主要渠道之
一 ,支持和促进农业基础研究和农业科学技术的发展是我们义不容辞的责任 ,我们特别注重于
支持农业科学技术中的源头创新 ,鼓励和支持农业科学技术中的一些新的思想和方法。近年
来国家自然科学基金委员会数理科学部和生命科学部对离子束诱变育种、辐射诱变育种、航天
育种研究等都给予了支持。现在我想就开展航天育种的应用基础研究工作方面谈几点意见。
11 注意对产生空间诱变育种的宇宙空间物理环境特点的了解 ,以加深到对诱变的机制和原因
的了解
太空的条件很复杂 ,有空间宇宙射线、微重力 (10 - 3 g～10 - 6 g) 、高真空、弱磁场。哪一个原
因是空间诱变的主要因素 ? 还是这些因素的综合效应尚有待进一步研究 ,自然无可非议 ,太空
辐射是起着很重要的作用。太空辐射的主要来源包括 3 个 :地球磁场捕获高能粒子产生的俘
获带辐射、太阳外突发性事件产生银河宇宙射线 ( GCR) 及太阳爆发产生的太阳粒子事件
(SPE) ,俘获带主要由质子 (内区) 及电子 (外层带) 组成 , GCR 中 98 %是由质子及更重的离子 ,
只有 2 %是电子和正电子 ,在重的部分中 ,质子占 87 %。氦离子占 12 % ,其它重离子占 1 %。
太空中的电离辐射见表 1。
表 2 列出了 7 种主要 GCR 离子的相对含量。
GCR 粒子的能量范围可以从 013GevΠu 到 2GevΠu ,其中一半剂量来自能量超过 850MeVΠu
的离子。太阳粒子事件 (SPE) ,是由于太阳磁暴引起太阳爆发 ,而发射大量的带电粒子 ,如质
子、氦核及更重的离子 ,这些粒子的能量范围约为 10～500MeV。
752　核 农 学 报　2002 ,16 (5) :257～260Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
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表 1 　太空中的电离辐射
类　型 所带电荷(Z)
品质因素
(Q) 来　源
γ射线 0 110 俘获带辐射、太阳辐射及太空中核反应产生的次级辐射
电　子
110MeV
011MeV 　11 　110110 俘获带辐射
质　子
100MeV
115MeV
011MeV 　111 　12108151010 宇宙射线、内层俘获带、太阳宇宙射线
中　子
0105eV(热)
010001MeV
01005MeV
0102MeV
015MeV
110MeV
1010MeV 　0000000 　2181～21021451010121015614 由于核相互作用而产生 ,在接近行星、太阳处发现
α粒子
510MeV
110MeV 　22 　15102010 宇宙射线
重离子 ≥3 见正文 宇宙射线
表 2 　银河宇宙射线离子的相对含量及它们所产生的当量剂量的百分率
核电荷 元素符号 初级 GCR相对含量 3 当量剂量0gΠcm2 33 ( %) 当量剂量10gΠcm2 33 ( %) 当量剂量30gΠcm2 33 ( %)
0 n 0 0 13 24
1 H 1000 10 27 37
2 He 900 6 5 5
6 C 31 4 4 3
8 O 20 9 8 4
12 Mg 014 7 5 3
14 Si 313 8 5 3
26 Fe 210 30 9 4
　　注 : 3 Mewald(1988b) ; 33 Gautam D. Badhwar. 私人通信 ;初级宇宙射线碎片中的次级中子列于带电荷为 0 的一栏中
21 开展辐射损伤机理的研究
电离辐射和物质的相互作用中可以引发各种生物效应 ,低量和中量的太空辐射引致生物
效应的原初损伤是在 DNA 分子上 ,损伤形成是一个复杂的过程 ,射线的能量沉积在物质上 ,引
起物质的原子和分子的激发与电离 ,这个物理过程约 10 - 13～10 - 14 s。局部能量沉积可以造成
一些新的化学物质的生成 ,电离过程随后形成自由基 ,以及自由基和物质的相互作用可以改变
分子的结构。
应该加强辐射生物学的研究 ,要正确估计太阳辐射对农作物新种的影响 ,就必须对辐射的
生物效应有足够的认识 ,辐射可以引起 DNA 多种类型的损伤。包括碱基变化 (如脱氨基) 、碱
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基脱落、两键间氢键的断裂、单键断裂、双链断裂、螺旋内的交联与其它 DNA 分子的交联和与
蛋白质的交联。辐射对 DNA 链断裂可以造成染色体结构的变化。
太空辐射 ,特别是银河宇宙辐射的主要成分是高能量的质子、氩离子和原子量更大的一些
重离子 ,它们和物质相互作用的机理在许多方面和地面上的辐射的生物效应的机理有很大的
不同 ,正是由于这个原因空间诱变育种技术可以获得地面常规方面较难得到的罕见突变种质
材料和资源。可以选育突破性新品种 ,所以它是农作物诱变育种的新兴领域和重要手段。
我国育种工作者自 1987 年以来利用返回式卫星和高空气球搭载农作物种子 ,进行空间诱
变育种研究取得了一批极有价值的研究成果 ,1987 年利用高空气球搭载的甜椒品种龙椒 2
号 ,经连续多年混合选择 ,已培育出单果重达 250g 以上、增产 120 %的早熟宇椒 1 号新品种。
粳稻品种中作 59 和海香 ,其 M2 代在 11 个性状上均出现广幅的分离 ,不仅从中获得了产量、品
质明显改进的新品系 ,而且从中选育出能恢复籼型雄性不育系育性的粳稻恢复基因突变系 ,它
将对水稻亚种间杂交种的优势利用产生重大影响。目前已从中选育出 10 多个综合农艺性状
好、恢复力强的恢复系 ,以其配制的杂交种一代优势明显 ,可望很快应用于生产。1992 年利用
高空气球搭载的水稻品种 ZR9 ,经 3 年选育 ,获得早熟、高产、优质的新品系航育 1 号 ,产量最
高达 10500kgΠhm2 。华航 1 号水稻新品种 ,具有穗大、粒多、结实率高等特点 ,一般增产 10 % ,产
量 7500～8250kgΠhm2 。
31 加强对我国航天育种预研究试验数据的收集、整理、统计和分析 ,为航天育种机理研究及地
面模拟环境研究提供基础数据支持 ,为政府有关管理部门提供决策的参考
2000 年国家自然科学基金委员会的管理科学部曾支持过中国科大研究生院的航天育种
课题组就航天育种的数据的收集、统计和分析开展一些研究工作 ,希望通过管理科学的手段来
组织航天育种的工作 ,使之程序化、规范化、科学化 ,从而提高空间育种资源的利用率。根据他
们的统计报告 ,8 次搭载 (1987～1996 年)试材累计物种约 105 种 ,品种 1122 个 ,主要粮食作物、
蔬菜和经济作物占较大比例 ,为农作物育种研究和我国空间植物学研究提供了不可多得的丰
富的航天试材资源 (见图 1) 。
图 1 　我国航天试材资源的种类分布
物种总数 105 种 ,原品种总数 1122 个
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图 2 　航天试材资源的形状分布
A1已育出新品种的原品种比例 ;B1 表现出有可利用变异趋
势的原品种比例 ;C1 没有产生明显的可利用变异或正在观察
中的原品种比例 ;D1 尚未收集到变异情况和实验夭折的原
品种比例 ; 3 进行过生物学分析的原品种比例　　经过对航天试材的多种研究可得出航天试材资源的形状分布 (见图 2) 。从图中可以看到空间环境对农经物种的诱变情况和已进行过生物学分析测定的试材情况。在展示航天试材资源所取得的成果的同时 ,研究报告还指出 ,在航天试材的后期研究阶段 ,研究力量的投入尚有待进一步地加强 ,尤其是对试材进行用以指导改良种质的分子水平的生物学研究要大力加强 ,以获得更多的空间植物学
的研究数据及大量的科学信息。
41 结 　语
11 农业空间诱变育种技术由于具有增加作物产量、改进作物品质的优势 ,因此它可以广
泛应用于各种植物的遗传操作改良过程 ,实现高效益的遗传改进 ,因此它已成为农作物诱变育
种的新兴领域和重要手段。
21 农业空间诱变育种技术是一种多学科交叉、技术难度大的高技术 ,从全世界角度上看 ,
它的起步发展的时间也不长 ,有许多科学的问题有待我们去解决。空间诱变育种的情况无论
是辐射条件、生物效应和试材的后期处理和分析都要比地面上的辐射育材复杂得多 ,自然它也
比地面上的辐射育种存在着更多的优点 ,因此必须投入更多的人力、物力 ,促进其发展。
31 国家自然科学基金委员会将加强对航天育种中诱变育种的作用机理、生物学基础研究
的支持 ,与航天部门的专家和农业专家一起共同努力 ,以推动航天育种事业的发展。
参考文献 :
[1 ] 　温贤芳 ,刘录祥. 我国农业空间诱变育种研究进展. 高科技与产业化 ,200116
[2 ] 　杨垂绪 ,梅曼彤. 太空放射生物学. 广州 :中山大学出版社 ,199517
SOME PROPOSALS ON THE RESEARCH OF PLANT BREEDING BY
SPACEFLIGHT IN CHINA
WANG Nai2yan
( National Fund Committee of Natural Science , Beijing 　100085)
062 Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
2002 ,16 (5) :257～260