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1、 毕业论文设计 题 目 航天育种与现代生物技术姓 名学 号所在学院 甘肃林业职业技术学院年级专业 生物技术及应用指导教师*职称讲师完成时间2011年12 月 30 日航天育种摘要：航天育种是集航天技术、生物技术和农业育种技术于一体的育种新途径。大量的试验证明, 航天育种已培育出许多高产、优质、抗逆性强的优良品种, 是一个前景很好的新的育种方法。关键词：航天育种一、什么是航天育种航天育种也称空间诱变育种或航天育种, 是指将植物种子、试管种苗或其他生物种苗放在航天器上, 送到太空, 利用太空特殊的、地面很难模拟的环境, 即微重力、高真空、强宇宙高能粒子射线辐射、宇宙交变磁场、高洁净及大温差等方面的
2、诱变作用, 使种子基因产生遗传变异, 再返回地面选育, 培育新品种的育种新技术 1。二、 航天育种机理及诱变的生物学效应空间环境与地球环境之间差异巨大, 太空的特殊条件对进入空间的生物材料具有明显诱变作用。空间诱变中高能重粒子(H ZE )能更有效地导致细胞内遗传物质DNA 分子的双链断裂, 而且其中非重接性断裂所占的比例较高, 从而有更强的诱发突变能力。另外,微重力条件可以抑制复机制, 即微重力与辐射可以产生协同作用, 增加变异率。太空诱变导致的死亡率较低, 这样, 发的各种突变都可能表现出来, 从而培育出新品种。三、航天育种的生物种类 1、 植物种类 截止目前, 曾经幸运进入太空的生物以植
3、物占大多数, 其中粮食作物有麦、大麦、谷子、水稻、甘薯、玉米、高粱、绿豆、红小豆等; 蔬菜有萝卜、青椒、茄子、番茄、绿菜花、大蒜、黄瓜、丝瓜、辣椒、香菜、韭菜、青菜、瓠子、芥苜蓿等; 经济作物有棉花、烟草、西瓜等; 裸子植物有白皮杉、油衫、石刁柏等; 油料作物有大豆、油菜、蓖麻、芝麻、竺麻、向日葵等; 药用植物有西洋参、枸杞、甘草等; 花卉有仙人掌、鸡冠花、菊花、百合等。. 1. 1 航天育种的粮食作物 航天一号0小麦是1998年山东省农科院原子能所利用一般小麦和美国黑小麦经过杂交形成的新品系, 然后通过返回式卫星携带进入太空诱变, 再经连续7代定性试种培育而成的。/航天一号0小麦良种于200
4、3年试种12. 5公顷获得成功。经10多个测试点的实际计算, 大田种植的0. 7万公顷, 平均每公顷超过9600千克, 部分农户个别地块每公顷超过11200千克。可增产1200 1600千克/公顷。/航天一号0小麦的抗逆性、抗病性十分明显; 且耐盐碱、抗干旱, 表现出较强的生命力。2003年11月21日, 由河南省原阳县提供的40克水稻育秧种子搭载我国第十八颗返回式科学与技术试验卫星, 在太空遨游18天后返回地面, 经数十位育种专家艰辛遴选、定向培育, 2007年该县太空水稻选育获得了一个富含硒、铁、钙等微量元素, 外观饱满晶莹,口感良好的水稻新品种, 即/黄蕊一号0太空营养米。1. 2 航天
5、育种的蔬菜 2007年上市的太空茄子是在2002年第一批搭乘/神舟四号0飞船上天的武汉优质茄种的基础上, 历经5年的精心培育、六次改良的品种。这批茄子的抗病性好, 试种的1公顷茄子, 从未使用过农药, 其口感更柔和, 茄香浓郁。在其生长过程中, 茄子的颜色由深变浅, 烹饪后又会由浅紫红变浅绿, 有点像/变色龙0。2007年, 分别在山东苍山县、武汉市郊区、湖北长阳高山蔬菜基地进行了试生产, 消费者反映良好, 市场前景较好。 1. 3 航天育种的花卉 2008年4月7日, 我国首批在太空失重条件下进行变异试验的/太空牡丹0在山东菏泽曹州百花园盛开, 20株/ 太空牡丹0长势喜人,花色多达5种,
6、有粉色、红色、墨紫色、白色和淡黄色。最引人注目的是一株白牡丹, 开出了16朵洁白硕大的花朵。与普通牡丹相比, /太空牡丹0已表现出出土早、植株生长快、开花早、叶片细长等特点。这批种子2002年9月栽植, 2003年发芽, 共存活28株苗。2006年, 2株牡丹首度开花, 比一般牡丹提前了1 2年。2007年, 开花牡丹增加到15株, 放花蕾达30多朵。2008年开花植株则增加到20株2006年9月, 12个品种共计2400颗百合种子, 搭载/实践8号0返回式科学与技术试验卫星进行航天育种, 其中2200颗种子在中科院植物所进行胚芽培养,10月培育成种球, 预计将在2009年6月开花。1. 4
7、航天育种的水果 2006年9月, 天津市一种西瓜籽种搭乘中国首颗育种卫星15天, 2007年4月, 经过航天育种的西瓜籽种经两次试种, 已经成功分离出具有新基因的植株, 而通常一个新的西瓜体系的形成需要3至5代才能达到稳定阶段。目前, 太空西瓜籽种已经开始第三次分离试种, 2008年10月份, 经过三次分离稳定的太空西瓜籽种将面向全国推广示范种植。1. 5 航天育种的经济作物1996年, 选送的芝麻搭载我国第17颗返回式卫星上天, 中国农业科学院武汉油料研究所历经6年田间培育后, 于2002年培育出高产、优质、抗病、抗倒伏的个。2006年, 我国首批/太空棉0良种在山东省大面积种植成功。中国农
8、科院棉花研究所检测表明: / 太空棉0在航天育种后粒大、赘芽减少、花芽增加, 具有每公顷产6400千克的潜力。 2 、航天育种的动物 2002年, 我国进行动物航天育种实验, 选中的禽蛋, 是江西特产的泰和县武山凤鸡蛋。凤鸡又叫/ 丝羽乌骨鸡0, 其头小、颈短、眼乌、羽毛白, 身体轻小, 行动迟缓, 极易与其他品种区别, 航天育种后易于鉴别其可能出现的各种变异。/神舟三号0飞船上共搭载凤鸡蛋9枚, 它们是2002年3月18日产下来, 3月20日便被装进飞船的返回舱中, 5天后飞上太空, 7天后返回地面。4月2日, 这9枚凤鸡蛋被送到国家家禽测定中心的孵化箱里。4月23日, 1雄2雌3只太空鸡破
9、壳而出, 另外6枚则提前夭折。研究人员从太空小鸡的外表, 观察它们与地面出生的小鸡有何不同, 随即用各种生物学的技术, 从分子水平分析其胚胎发育、遗传变异等方面是否有所改进和优化。但是, 要获得优良的太空鸡品种, 至少还要通过二三代的选育 5。2005年8月29日, 我国首次进行的带水系统水产品动植物航天育种试验获得成功。厦门水产研究所率先在我国第21颗返回式科学实验卫星上, 进行了该试验。此次航天搭载试验被命名为/ 鲤鱼跃龙门0。在首飞太空的国产水产种苗中, 包括了鱼、虾、贝、藻的卵子、种苗和微生物组成的共计14个样本, 厦门盛产的紫菜和丰年虾是其中之一。14个水产品样本历经密闭时间共计70
10、天整, 从太空返回后均获存活。个别水产动物落地前已繁育出子代, 落地后已产生后代。3 、航天育种的微生物 1984年, 美国研究员将黑曲霉放入太空长期飞行器中, 1990年取回发酵, 发现单宁酸产生率提高75%, 菌株的活性也大幅度提高。1987年中国科学院微生物所、遗传所和上海植物生理所等单位搭载了10多种微生物材料, 结果显示: 微生物生长速度有较大变异, 有明显提高、不变、降低甚至夭亡的三种类型。选出产生纤维素酶、果胶酶、淀粉酶效价成倍提高的菌株; 芽孢杆菌的超氧化物歧化酶的活性也得到较大提高。1999年11月, 北京/东方红0航天生物产业化基地的红曲霉菌进入太空, 里面提取的他汀类药物
11、成分大大提高, 最多的比传统含量提高了7. 8倍。科技人员对2002年12月30日首次上天的4个微生物肥料菌种菌落形态、菌体形态、温度生长、芽孢耐热性、代谢产物等进行了一系列研究, 选育出了具有固氮、解磷、解钾能力强并互不拮抗的多种菌株, 研制了适应优良菌种快速生长繁育的高效专用培养基, 制成了增效复全微生物菌种剂, 增强了菌种抗逆性, 使菌种保存期达到2年以上, 是国家标准的4倍 6。四、影响航天育种成败的主要因素1、种子纯度目前在国内外, 种子搭载之前首先要进行种子的纯度检测, 保证种子的纯度。搭载回来以后要进行地面第1次试种, 出苗时形态性状, 如株高、长势等肯定会表现很多性状分离, 要
12、对每1株进行检测。选择有良好变异的单株进行第2 代种植, 仍然出现非常大的性状分离, 把性状不好的全部淘汰掉, 把好的突变体后代再进行第3代种植。第3代种植后, 把最好性状的种子搜集起来种植第4代, 一般第4代很稳定, 即获得了1个稳定的新品种。2、生长环境要特别注意种子生长过程中的生长环境问题, 很多品种表现型上的退化不是真正的品种退化, 而是因为周围授粉环境不好。比如太空椒, 旁边种的不是太空椒的花粉传过来, 其后代又有可能返回原始性状。因此, 要保持太空椒的优良性状, 关键是要为其创造良好的繁殖环境。3、太空停留时间对于在太空停留时间对航天育种结果的影响这一课题, 华南农业大学做过以下试
13、验: 把种子按照顺序排在核激板上, 等种子回来之后, 从核激板上可以探测出种子经过高能离子辐射的次数。由于航天育种的精确度上难以控制, 带有一定的盲目性, 因而种子被高能离子击中的次数并不是越多越好, 在太空中停留时间并不是越长越好。只要高能离子能够准确击中种子的DNA链条,并且是向着人类需要的方向组合就可以。航天育种结果与在太空停留时间没有太大关系。俄罗斯将在和平号空间站搭载6 a的番茄种子赠送给我国, 其后代表现并优于国航天器搭载20多天的结果。这正是由于太空有许多辐射条件是人类试验难以模拟的, 人为控制太空受辐射的强度或剂量目前是不可能的。毕竟高能离子的辐射是随机的。航天育种必须要配合田
14、间观察和选择等常规育种手段, 这是不可分割的, 同时还要采用分子检测手段。五、 航天育种的选育过程和安全性1 、航天育种的选育过程 航天育种是一个育种研究过程, 搭载回来的种子只是走完万里长征第一步, 整个研究最繁重和最重要的工作是在地面上完成的。种子上天后并不一定都能发生性状优异的突变, 即使出现优异突变, 也不可能即刻就能稳定遗传。种子搭载之前要先进行种子的纯度检测, 搭载回来后要进行地面第一次试种, 种的时候会出现很多性状分离, 比如有长高的有长矮的, 有长壮的有长弱的, 要对每一株进行检测, 特别重视那些有良好变异的单株进行第二代种植, 仍会出现很大的性状分离, 第二代时选留下性状好的
15、, 再进行第三代种植, 然后把最好性状的种子搜集起来种第四代, 一般来说第四代就很稳定了, 这时就获得了一个稳定的新的幼苗品种。总之, 先将太空种子都播种下去, 从第二代开始筛选突变单株, 然后将选出的种子再播种, 自交繁殖, 如此繁育三四代后, 才有可能获得遗传性状稳定的优良突变系。每拨太空遨游过的种子都要经过连续几年大量的地面筛选、稳定和鉴定试验, 其中的优系再经过考验和权威部门的审定才能称其为真正的/太空种子0。这项工作涉及细胞学、遗传学、分子生物学等多学科领域。 2 、航天育种的安全性专家认为, 航天育种并没有经过人为的方法将外源基因导入作物中使之变异, 它作为一种诱变育种技术可使作物
16、本身的染色体产生缺失、重复、易位、倒置等基因突变, 这种变异和自然界生物的自然变异一样, 只是时间和频率有所改变, 本质上只是加速了生物界需要几百年甚至上千年的自然变异 7。太空中宇宙射线和辐射较强, 这是生物发生基因变异的重要条件, 目前人工辐射育种中的辐射剂量只是国际食品安全辐射剂量的几十分之一, 而太空中的辐射剂量还不到人工育种辐射剂量的百分之一, 应该是没有危害的, 宇宙射线引起的基因变异是让其自身发生变异。我国颁布的有关转基因安全管理规定中特别排除了对自身通过突变产生的新物种的管理, 这也说明航天育种是非常安全的。太空食品是按照人类需要选择出来的, 不是转基因食品。至于污染, 则是栽
17、培方法和使用农药、化肥的问题。六、航天育种的优缺点航天育种具有变异率高, 变异幅度大、有益变异多、变异稳定快、变异遗传性好以及高产、优质、早熟、抗病力强等诸多优点, 其变异率较普通诱变育种高3 4倍, 育种周期较杂交育种缩短约1倍, 由8年左右缩短至4年左右。太空诱变育种诱导种子发生变异的因素来自太空, 种子返回地面后也要按照常规育种方法进行选育。故航天育种只有和其他育种方法相结合使用才能培育出新品种。据统计, 以航天育种最多的水稻为例, 最好的品种也只推广了6. 25万公顷, 这和杂交水稻推广的规模有天壤之别。应该看到, 航天育种是一个全新的交叉学科, 虽然涉及到诸多领域, 但是还没有大规模
18、的推广应用, 需要进一步完善。七、 航天育种的前景展望航天育种开创了一种全新的育种模式, 同时也为发展现代农业提供了新的技术支撑, 虽然从总体上讲, 目前还处于起步阶段, 但已显示出诱人的前景。我国早在1986 年就在所制定的863 计划中, 将空间植物学列入了空间生命研究计划, 这一计划大大促进了我国航天育种的研究, 提高了我国作物育种的水平。2006 年9 月, 我国又发射了实践8 号航天育种卫星, 进一步加速我国的航天农业高科技项目的产业化进程。航天育种有望在培育适合我国环境的耐干旱、耐严寒、耐盐碱、性能稳定的草、树和作物方面取得新的突破。如搭乘 神舟5 号 回归的白皮松、华山松、侧柏、
19、刺槐、沙棘、柠条等用于改善西北生态建设的太空林木种苗, 将会极大丰富适宜的造林树种, 提高绿化成效, 一旦产业化种植时机成熟, 将彻底改变西北地区恶劣的自然生态环境。我国是目前世界上掌握航天器返地技术的少数国家之一, 伴随着我国航天事业的飞速发展, 航天育种必将会和生物技术、核技术的农业应用一样, 在生态农业、生物技术及生物制药等方面, 发挥更大的作用。主要参考文献： 1杨万立, 齐丽省. 2005. 航天育种. 生物学教学, 30( 3 ): 65 66 2王 雁, 李潞滨, 韩 蕾. 2002. 空间诱变技术及其在我国花卉育种上的应用. 林业科学研究, 15( 2 ): 229 230 3汪继峰. 2002. 餐桌上的天外来客. 食品与生活, 1: 28 4 刘纪原. 2007. 中国航天诱变育种(第一版). 北京: 中国宇航出版社, 1 2 5尹怀勤. 2003. 动物的航天育种. 青少年科技博览, 5: 12 13 6张玲华, 田兴山. 2004. 微生物空间诱变育种的研究进展. 核农学报, 18( 4 ): 295 7萧 宾. 2006. 航天育种利弊几何. 太空博览, 1: 53 8 刘录祥, 郭会君, 赵林姝, 等. 我国作物航天育种20 年的基本成就与展望 J . 核农学报, 2007( 6) : 589.5