２０１０年１０月 ０ｃｔ．２０１０ 热带农业科学 ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＴＲＯＰＩＣＡＬ ＡＧＲＩＣＵＬＴＵＲＥ 第３０卷第１０期 Ｖｏ１．３０，Ｎｏ．１０
航天育种原理与应用①
王树昌②
（中国热带农业科学院热带生物技术研究所 海南海口 ５７１１０１）
摘 要 航天育种是随着航天技术的发展而产生的一种新的诱变育种方法也是一种利用航天技术与现代育种技 术相结合的新型育种技术。本文从航天育种的原理出发，综述了航天育种的特点、国内外研究进展，并阐述了 航天育种在现代育种中的应用情况。 关键词航天育种；原理；育种手段 分类号Ｓ５．０３５．４
Ｓｐａｃｅ Ｍｕｔａｔｉｏｎ Ｂｒｅｅｄｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ
ＷＡＮＧ Ｓｈｕｃｈａｎｇ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｒｏｐｉｃａｌ Ｂｉｏｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＣＡＴＡＳ，Ｈａｉｋｏｕ Ｈａｉｎａｎ ５７１ １０１）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｓｐａｃｅ ｍｕｔａｔｉｏｎ ｂｒｅｅｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｓ ａ ｎｅｗ ｂｒｅｅｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｓ ｓｐａｃｅｆｌｉｇｈｔ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｗｉｔｈ ｍｏｄｅｍ ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｏｆ ｓｐａｃｅ ｍｕｔａｔｉｏｎ ｂｒｅｅｄｉｎｇ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｍｏｄｅｍ ｂｒｅｅｄｉｎｇ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｔｓ ｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｓｐａｃｅ ｍｕｔａｔｉｏｎ ｂｒｅｅｄｉｎｇ；ｂｒｅｅｄｉｎｇ ｔｈｅｏｒｙ；ｂｒｅｅｄｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ
航天育种也称空间诱变育种．是随着航天技术
的发展而产生的一种新的诱变育种方法．也是一种
航天技术与现代生物技术、常规育种技术相结合而
成的新型育种技术 它是利用返回式航天器将农作
物种子带上高空，在强辐射、高真空、微重力、大
温差、宇宙粒子、交变磁场和空间飞行动力学等太 空条件下．使种子内部产生遗传性变异．结合地面
选育新种质、新材料培育新品种的作物育种技术。
航天育种起源于２０世纪６Ｏ年代．前苏联及美国的
科学家开始将植物种子搭载卫星上天．开启了航天
育种的先河 我国的航天育种研究开始于１９８７年。
在先进的太空发射技术的支持下．我国航天育种近
年来得到飞速的发展
１ 原理
在自然条件下．由于外界环境的变化较小和遗
传结构的相对稳定性．植物本身发生自发突变的频
率极低．并因植物种类和基因型的不同而存在差
异。而地球外太空的大气结构、密度、压力、辐射 等条件与地面存在很大的差异．这些差异都可能引
起植物种子遗传信息产生变异［１ ３ 航天育种就是充
分利用这种不同于地面的空间环境．如．强宇宙射
线辐射、高真空、微重力、交变磁场等。综合上述
因素共同作用于种子的核酸物质．使ＤＮＡ分子外围
的电子激活，结果造成ＤＮＡ分子链的解链或突变．
或者引起染色体缺失、倒位、易位、重复等畸变，
从而对植物种子遗传信息产生诱变．获得在地面上
难以获得的某些变异［２］：微重力条件对植物生长周
期中细胞形态学、生理学、植物向地性等很多性能
产生影响 航天器返回地面后对变异种子进行性状
筛选．最后种植推广。培育得到具有优良品质的新
品种 科学实验证明．宇宙辐射和微重力是影响植
物种子的生理和遗传性状的主要因素 １．１ 宇宙辐射
太空中存在着各种辐射源，包括电子、质子、
粒子、高能重离子以及Ｘ射线、 射线和其他宇宙
射线．它们能穿透卫星舱体外壁．作用于飞行器中
的生物 空间条件尤其是高能粒子具有强烈的致变
①收稿日期：２０１０—０９—０１。责任编辑／凌青根；编辑部Ｅ－ｍａｉ１：ｒｄｎｋ＠１６３．ｔｏｍ。 ②王树昌（１９７６￣），男，助研，硕士，从事作物遗传育种研究。Ｅ－ｍａ￣ｌ：ｗａｎｇｓｈｕｃｈａｎｇ２００ｌ＠ｌ６３．ｃｏｎｌ。 一
５１ ２０１０年１０月 热带农业科学 第３０卷第１０期
作用＿３］。当生物被宇宙射线中的高能重粒子击中．
引起细胞内遗传物质ＤＮＡ分子的双键断裂．其中非
重接性断裂所占比例很高．细胞为求得生存而出现
应急效应（ＳＯＳ）。ＳＯＳ反应诱导的修复系统包括避
免差错的修复和倾向差错的修复 其中倾向差错的
修复是生物变异的主要途径 此修复过程诱导产生
缺乏校对功能的ＤＮＡ聚合酶．它能在ＤＮＡ损伤部位
进行复制而避免了死亡．但带来了很高的突变率．
因此．细胞中发生多重染色体ＤＮＡ畸变且畸变是非
特异性的 此外，Ｈｏｍｅｃ ｋ Ｇ研究还表明植物种子
畸变情况与所击部位有关．与种子经太空飞行的时
间有关，时间愈长．畸变率愈高
１．２微重力
外空间的微重力远远低于地球．是引起植物遗
传变异的重要原因之一 在地球重力场中生长的植
物均具有向重性 植物进入空间环境失去了向重性
生长反应，导致其对重力的感受、转换、传输、反
应发生了变化．从而启动系统的响应．发出信号引
起广泛的生理反应．表现出微重力的直接效应［４３
通过增强生物材料对诱变因素的敏感性．使ＤＮＡ损
伤加剧Ｅ５］ １９７９年Ｐａｒｆｙｏｎｏｖ ＧＰ等将高等植物进
行搭载实验研究微重力对突变率的影响．表明单独
的微重力因素对诱变率不产生影响．但在微重力的
作用下生物膜的通透性提高了．有助于诱变产生
Ｈａｌｓｔｅａｄ和Ｄｕｔｃｈｅｒ研究了微重力对植物形态和
生理代谢的影响，认为微重力对生物的诱变率和修
复作用不产生直接的影响．但微重力的存在会促进
诱变的发生．使辐射对生物影响加深．可能是微重
力干扰了ＤＮＡ损伤修复系统的正常运转．即阻碍或
抑制ＤＮＡ链断裂的修复ｌ６］ 微重力对植物的激素分
布、钙离子分布、酶的活力和细胞结构等也有明显
影响［７３。
另外．卫星航天器发射及着陆时的强烈振动和
冲击力．也是植物遗传性发生变异不可忽视的因素
之一 益变异多的特点．可以为遗传育种的定向选择提供
丰富的资源．并可能获得地球环境下不可能产生的
特殊性状
２．１ 变异频率高、变异幅度大
传统辐射诱变的有益变异频率仅为ｌ‰～５‰．
而太空辐射诱变的有益变异频率为１％～５％．最高
的诱变率可超出３３％以上
２．２后代稳定快．缩短育种周期
多数太空变异性状稳定较快．有利于加快育种
进程 在地球上选育一个植物新品种一般需要５～
８ ａ的时间．太空育种则可以将这一时间缩短一半．
可以节约许多人力物力
２．３ 打破基因连锁．实现基因重组．创造多种突
变体．丰富种质资源
很多突变体是自然界本来没有的新性状．因此
可以极大地丰富种质资源．供植物遗传育种直接或
间接利用．为育种者提供良好的选择机会
２．４改良农作物的品质．能够提高产量
经试验选育．作物穗形大、分蘖增多．单产得
到提高 航天选育的品种具有果形（粒形）大而饱
满、营养成分含量高、口感好、耐贮存等。种植试
验表明水稻蛋白质含量可提高８．７％～１２％：青椒果
实大、品质优．果实中的维生素Ｃ含量提高ｌ０％～
２５％。 ２．５ 变异谱广，可产生株高变异、果形变异显示
出抗病性突变等
通过航天育种诱变可选出矮杆抗倒伏、单果重
量增加的新品系，有利于稳产、高产；太空诱变选
育的品种抗病、抗逆能力提高。而且还出现了许多
在生产实践上和理论研究上有价值的新的农艺性状
２．６航天育种选育出来的产品无基因安全性问题 航天诱变育种不是转基因育种．它没有外源基
因的引入．而是利用太空的物理条件作为诱变因
子．使植物产生基因突变．这种变异本质上与自然
界普遍存在的自然变异没有区别．只是加速了生物
界需要几十年甚至上百年的自然变异的变异过程
２航天育种的特点 航天育种是创造新种质资源和新品种的一种有 ３ 国内外航天育种现状
效途径．与常规育种相比，可出现常规育种不易出 ３．１ 国际现状
现的变异，而且其显现出变异谱宽、变异率高、有 目前，世界上只有中国、美国和俄罗斯掌握卫
５２— 王树昌 航天育种原理与应用
星返回技术并搭载植物种子．但美、俄（苏）的研究
重点在于解决人类在太空环境中的食物供应、氧气
来源及生存环境安全有关生命保障支持系统问题，
为载人航天服务 只有中国成功进行了卫星搭载太
空育种．同时也取得了一系列开创性的研究成果，
受到世界科技界广泛关注．在该领域处于国际领先
地位 ， 。
２０世纪８０年代．美国将番茄种子送上太空长
达６ ａ．在地面试验中获得可以食用的变异番茄。
１９９６年．俄美合作成功地在轨道站培育和收获了
１５０个墨西哥小麦品种．同年美国培育出太空矮秆
小麦 １９９９年．俄罗斯在太空种植的小麦获得成
功 ２００５年．美国筛选出适合空间站培植的超矮
小麦、水稻、大豆、豌豆、番茄和青椒等多种作物
的品种或品系 其产量、品质和抗逆性均优于普通
的栽培品种
３．２ 国内现状
１９８７年８月５日．随着我国第９颗返回式科
学试验卫星的成功发射．－－ｌｔＬ水稻和青椒等作物种
子被送上太空．开始了作物航天诱变育种的探索
迄今．我国利用返回式卫星、神舟飞船和高空气球
先后进行了２２次．３００多种作物种子等生物材料
的空间搭载试验［９］ ２００６年９月２４日．还专门发
射了用于作物育种的“实践八号”航天育种卫星，
装载了包括１５２种植物、微生物和动物等２ ０２０份
生物品种材料．并搭载了空间环境探测与机理研究
装置 航天诱变育种技术应用的范围越来越广．粮
食作物有小麦、水稻、玉米、谷子等，豆类作物有
大豆、绿豆、黑豆等，经济作物有棉花、烟草、莲
子等，蔬菜作物有番茄、黄瓜、甜椒、西瓜、甜瓜
等，花卉及药材有曼陀罗、兰花、甘草、丹参等，
还有林果、牧草、草坪草等 ，加一。 。
经过近２０ ａ的研究．取得了可喜的成果．育
成了高产、优质、多抗的青椒、番茄、水稻、莲子、
小麦等作物新品种和新品系．从中获得一些有可能
对产量有突破性影响的罕见突变体．如特旱熟小
麦、特大粒莲子太空莲３号、特大粒红小豆突变
系、特长角双低油菜等。据不完全统计．全国航天
育种协作组自２００６年以来培育出通过省级以上品种
审定委员会审定的水稻、小麦、棉花、油菜、青椒及 苜蓿等作物新品种、新组合４０个，其中７个通过国
家级品种审定．使我国航天诱变作物新品种的总数
达到６６个．累计示范应用面积超过１６６．７万ｈｍ ， 增产粮棉油９．６亿ｋｇ，创社会经济效益１４亿元。
目前．航天育种数量占世界航天育种总和的ｉ／４，
育种水平处于国际先进水平
利用空间环境改良植物品种的同时，科学家还
进行了空间环境对搭载农作物生物学和细胞学效应
的研究 研究发现．空间环境提高了抗氧化酶活
性．进而提高了种子活力［２０１ ２４］：细胞内富含线粒
体、过氧化物酶体、核糖体，叶绿体体积增大，线
粒体嵴膜清晰．细胞物质代谢旺盛．光合能力强度
增高。从而导致果实增大、产量提高瞳 。
４航天诱变育种存在的问题
优良品种是农业发展最基本的．也是决定性因
素，对提高作物产量、改善作物品质具有不可替代
的作用 因此．育种学家们经过多年的努力．选育
出大批的高产、高品质的新品种．应用于农业生产
中 目前．我国的绝大部分作物新品种是经过若干
年的常规地面育种选育培养而成的 随着科学技术
的发展，人类的生产活动从最初的陆地、海洋进入
地球轨道空间和外层空间．开始适应、认识、研
究、利用和开发太空环境．这是人类文明史上的一
次伟大飞跃 把航天这一最先进的空间技术领域与
农业这一传统产业相结合．利用空间诱变技术进行
农作物育种。对加快我国育种步伐、提高育种质量
具有十分重要的理论价值和现实意义
４．１ 提高航天育种的分子基础研究
外太空条件复杂．影响作物种子遗传物质改变
的因素是什么．还有待于进一步研究。目前．虽然
航天诱变育种取得了一定的发展．但其基础理论研
究还十分薄弱．航天育种机理尚不清晰．这就制约
了航天育种的长远发展
航天诱变品系的分子生物学研究是一个重要的
研究方向 作物育种长期以来是以植株表型性状为
基础的 当性状为单因子遗传时．表型选择是有效
的 但是作物遗传改良的目标性状多为遗传基础复
杂的数量遗传．很难由表型来推测基因型 分子育
种的关键问题是将基因与表型相对应．提高育种选
一
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