一、簡介:

航天工程育種又叫空間誘變育種，是指利用航天器將農作物種子、組織、器官等植物材料搭載空間飛行器送入太空，利用空間環境的誘變作用,使植物材料產生變異，返回地面後選育新種質、新材料、培育新品種的作物育種新技術。經過30餘年的不斷探索與實踐，航天工程育種已經成爲農業育種的一種新的有效途徑。

自1987年以來，我國發射了15顆返回式衛星和11艘神舟飛船、2個空間實驗室、2個試驗返回艙（以下簡稱返回式空間飛行器），這些返回式空間飛行器在完成飛行主任務的首要前提下，均利用載荷餘量搭載一些農作物種子、生物菌種、試管苗等材料，進行空間搭載技術和空間誘變的試驗與研究，開展了空間生物學、空間誘變機理和航天工程育種等工作，取得了有價值的科學技術成果和良好的社會效益和經濟效益。與空間誘變機理與空間高等植物生長發育研究同步開展的我國航天工程育種的研究，從一開始就把培育優良品種，服務農業生產與科研作爲主要目標，以爲農業增產、農民增收作爲主要目的。

二、植物空間誘變機理研究:

1.空間環境對植物種子萌發的影響

空間環境影響植物種子的萌發。不同植物或同一植物的不同品種，對空間飛行以及空間環境的敏感性存在差異。經空間搭載返回地面後的小麥、大麥、玉米、棉花、向日葵、大豆、黃瓜和番茄等種子發芽活力增加，發芽率明顯提高；水稻、穀子、豌豆、青椒、萵苣、菸草等植物種子發芽率與地面對照無明顯差異；而高梁、西瓜、茄子、蘿蔔、絲瓜等植物種子的萌發受到抑制，發芽率降低。研究發現，空間搭載提高種子活力和促進種子初期生長的機理，應與提高種子及其體內活性氧防禦酶系統的活性、增強種子抗氧化能力和延緩種子衰老有關。

2.空間環境誘導遺傳物質產生變異

空間環境引起植物DNA多態性的變化。經過對俄羅斯和平號空間站持續搭載太空飛行6年的番茄種子進行研究發現，長期處於空間環境的番茄種子與地面對照在生長發育、葉片細胞亞顯微結構、酶活性等方面存在較大差異。擴增片段長度多態性（AFLP）和簡單重複序列（SSR）分子標記檢測結果表明，空間搭載處理可引起番茄DNA水平上的變異。長時間搭載空間飛行後的番茄種子回到地面培育,一些與光合作用和植物耐逆反應相關的蛋白質表達發生了改變,這些蛋白質的改變可能對番茄的生長發育產生一定影響。我們篩選出高番茄紅素突變體，採用逆轉錄－聚合酶鏈反應（RT－PCR）技術，分析高番茄紅素變異材料與地面對照在果實成熟的各個時期，番茄紅素合成途徑中各個基因的表達差異，PSY和ZDS基因在變異材料的完熟期表達較強，而在對照品種的完熟期不表達，說明空間環境引起植物功能基因的表達的變化。

通過對神舟三號飛船搭載的水稻DH7幹種子進行空間誘變處理，回收返地種植至第三代，對其植株進行形態學觀察，並同時在分子生物學及其亞細胞水平進行檢測，獲得如下結果：與對照相比，突變體的植株形態表現出明顯差異，如株高、穗長、葉寬及千粒重等性狀參數均顯著增加，生育期平均提前25天，而單株分櫱數則下降17%。第二莖杆橫切面的顯微觀察顯示，突變體第二莖杆的平均直徑增加30%，而其導管細胞的體積以及維管束間的距離明顯縮小。另外，從SSR及AFLP的PCR擴增結果可以看出，與對照相比，突變體基因組DNA的SSR多態性主要表現爲DNA擴增條帶大小的變化，而AFLP擴增的DNA條帶的多態性高達10%。具體表現爲原有DNA條帶的丟失、新的DNA條帶的產生以及DNA條帶大小的差異三種類型。電鏡觀察結果表明，突變體葉片除澱粉粒增多、葉綠體體積增大以及導管細胞的體積縮小等變化外，在整體上，突變體葉片的細胞形態及其組織結構特徵與對照相類似。總之，以上實驗分析結果證實，空間環境對植物體的基因組DNA及其亞細胞水平可以產生一定的影響，並且這些變化可能與植株的形態特徵差異直接相關。

利用神舟八號飛船搭載的通用生物培養箱（德國研製）進行植物發育遺傳學研究表明，空間微重力和輻射等空間環境均可以影響擬南芥根尖基因的表達，這些差異表達基因的功能涉及到植物的許多生命過程，包括抗逆反應、細胞壁物質合成、基因轉錄和信號轉導等。

3.空間環境導致植物轉座子激活

空間環境可以使植物潛伏的轉座子激活，活化的轉座子通過移位、插入和丟失，可以導致基因的變異和染色體的畸變。當活化的轉座子插入某個基因位點便會發生插入突變。例如，轉座子插入位於某操縱子的前半部分，就可能造成極性突變，導致後半部分基因表達失活。當複製性轉座發生在宿主DNA原點附近時，往往導致轉座子兩個拷貝之間的同源重組，若同源重組發生在兩個正向重複轉座之間，就導致宿主染色體DNA的缺失；若重組發生在兩個反向重複轉座區之間則引起染色體DNA的倒位。基因組序列測定表明，在植物中存在大量轉座子序列和逆轉座子序列，太空環境激活了這些轉座子，致使搭載生物發生變異。這一新的發現爲空間誘變育種的機理研究又增加了新的內容，加速了空間誘變以及航天工程育種機理的研究進程。

資料來源:《衛星應用》201801

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