探月歸來的種子紮根在廣州:嫦娥五號、六號帶回的稻種與月壤在廣州接受科學研究
今年,中國航天最重要的事件,無疑是嫦娥六號探測器順利登陸月球背面並安全返航。自5月3日,搭載嫦娥六號探測器的長征五號遙八運載火箭在海南文昌航天發射場點火發射,至6月25日,嫦娥六號返回器準確着陸於內蒙古四子王旗預定區域,53天的奔月之旅,嫦娥六號不僅安全帶回了寶貴的月壤,還有一批用於航天育種研究的水稻種子。
近日,這批水稻種子已由位於華南農業大學的國家植物航天育種工程技術研究中心團隊完成了第一個育種世代的研究;月壤的研究成果也由中國科學院廣州地球化學研究所團隊發佈於《科學》雜誌。月稻和月壤中蘊含着哪些科技奧秘?本期《科技週刊》,我們邀請廣州科學家爲大家一一解答。
原理:深空環境促進基因的改變
任何動植物的育種,都需要圍繞變異來開展。變異的本質是遺傳物質突變,最終導致動植物的性狀發生變化。而育種則是通過人工選擇,讓動植物的優良性狀得以保留。
談到航天育種,國家植物航天育種工程技術研究中心主任郭濤告訴記者,任何動植物的育種,都需要圍繞變異來開展。變異的本質是遺傳物質突變,最終導致動植物的性狀發生變化。而育種則是通過人工選擇,讓動植物的優良性狀得以保留。因此,創造變異,是我們培育植物新品種的基礎。
航天育種始自誘變育種。大約100年前,科學家們將X射線長期照射果蠅後發現,果蠅的後代發生了很多性狀變化,如翅膀大小的變化、體形的變化等。這讓科學家意識到,人類可以利用射線誘發生物的遺傳物質產生突變,這就是誘變育種的起源。從基因突變的角度講,射線的照射會使得生物基因中的DNA斷裂,這時,生物會啓動DNA斷裂修復,但這種修復有時並不是完全準確,這就產生了基因突變。
華農是國內最早一批開展植物航天育種的科研院所
隨着核能的和平利用,20世紀60年代起,我國便建立了一大批利用核能誘發種子變異、服務於農業生產的科學裝置。到了20世紀90年代,隨着我國掌握了返回式衛星技術,利用太空環境(如高能輻射、微重力等)進行育種的科研項目也隨之啓動,華南農業大學是國內最早一批開展植物航天育種的科研院所,2009年,華農獲批成立國家植物航天育種工程技術研究中心。
“航天育種拓展了農作物品種選育的基礎,增加了基因變異的來源。”郭濤告訴記者,隨着嫦娥探測器帶着種子脫離近地軌道飛向月球,變異效率將會比近地軌道時更高,“飛行器在近地軌道時,地球磁場依然能屏蔽不少宇宙中的射線,而嫦娥系列探測器飛向深空時,地球磁場的屏蔽作用消失,並且長時間的太空旅行,可以讓種子接受更多宇宙射線照射,從而產生更多基因突變。這些基因突變的出現,也成爲培育新品種的基礎。”
研究:突變水稻有兩種培育方式
“我們已撰寫了嫦娥五號與水稻遺傳變異的相關專著,目前這本書已處在籌措出版階段。而針對嫦娥六號帶回的水稻種子,目前還處於早期研究階段。”郭濤告訴記者,2020年11月,伴隨着嫦娥五號探測器返回地面,國家植物航天育種工程技術研究中心隨即對其帶回的水稻種子展開科研。
嫦娥六號帶回來的種子已經試種收割
郭濤表示,科學家一方面可以直接利用突變體水稻選育新品種,目前,由嫦娥五號所載稻種選育出的兩個新品系水稻已在進行新品種認定;另一方面,科學家們還可以利用雜交育種、雜種優勢利用等手段,培育雜交水稻。“這兩種育種手段,我們都在不斷進行嘗試。毋庸置疑的是,我們通過嫦娥五號、嫦娥六號等在空間環境中獲得的水稻基因突變,是我們使用傳統手段難以獲得的,這也是航天育種的重要意義所在。”
談到今年的嫦娥六號登月,郭濤告訴記者,這次華南農業大學共獲得40克(約2000粒)探月歸來的水稻種子。其中一部分種子已經試種,並已在11月收割,“嫦娥六號我們做的研究肯定跟嫦娥五號不一樣。嫦娥五號,我們系統地研究了深空環境對水稻遺傳上的影響,如基因突變、基因表達等,而嫦娥六號,我們則是針對嫦娥五號中發現的關鍵調控基因進行研究,比如,這些基因是否仍然能起到調控變異的作用等。”
轉化:已產生70多個水稻新品種
儘管目前探月水稻的科技成果還在研發之中,但水稻航天育種所帶來的福利,我們所有人都可能在不知不覺中享用過。
郭濤告訴記者:“利用航天育種技術,我們已經培育出4個超級稻品種,目前已經有70多個航天水稻品種在生產上應用,我們的航天超級稻‘Y兩優1173’‘五優1179’,平均畝產能達到751.7公斤和732公斤,在華南地區推廣已超過1000萬畝,而所有航天水稻品種累計推廣面積已超過1億畝。”
郭濤還特地向記者介紹“華航香銀針”優質稻米,該水稻早期的種子樣本就來自神舟系列飛船,“2022年剛通過審定的品種‘華航香銀針’,現在已經成爲廣東省優質常規香型絲苗米的新標杆。它產量高、口感好,最高產量達到723.5公斤/畝,而至於米的口味香氣,我們做過盲測,一批評委品嚐各個品種水稻做成的米飯,‘華航香銀針’的得分超過了泰國香米,榮登第一名。目前,這個品種的水稻正在華南地區大力推廣種植。”
稻種的航天科研之旅
飛向深空接受宇宙射線照射
種子“乘坐”嫦娥探測器脫離近地軌道飛向月球,變異效率將會比近地軌道時更高——飛行器在近地軌道時,地球磁場依然能屏蔽不少宇宙中的射線,而嫦娥系列探測器飛向深空時,地球磁場的屏蔽作用消失,並且長時間的太空旅行,可以讓種子接受更多宇宙射線照射,從而產生更多基因突變。
返回地球進行基因測序
經過3年多的努力,科研人員完成了對這些月球水稻的基因測序。他們在這些水稻中共發現了5053325個突變位點,平均每個材料的突變位點數達到12960個,“目前看,嫦娥五號上所載水稻的基因突變頻率比我們在地面上使用射線進行誘變育種的突變頻率高出兩個數量級。”
基因的改變直接導致了性狀的改變。最終,在嫦娥五號帶回的這批水稻種子裡,科學家們共發現了150個農藝性狀突變體,53個粒型突變體,47個氮響應突變體,17個耐鹼脅迫突變體,12個耐鹽脅迫突變體,49個耐旱脅迫突變體,27個耐冷脅迫突變體,20個抗稻瘟病突變體。“針對以上這375個突變體,我們已經構建了相關突變體庫,這將爲水稻育種提供重要的材料來源。”郭濤介紹,氮響應、耐鹼、耐鹽、耐冷突變性狀,意味着水稻將可以更好地適應環境脅迫,在育種中具有重要價值。
廣州科學家最新月壤研究成果登陸《Science》
除了去往月球的水稻種子,嫦娥五號、嫦娥六號帶回的月壤也是廣州科學家的主要研究對象。11月15日,由中國科學院廣州地球化學研究所徐義剛研究員領銜的研究團隊在《Science》上發表了他們對於月球背面月壤的最新研究成果,首次揭示月球背面同樣存在着年輕的岩漿活動,爲揭示月球二分性、完善全月演化框架提供了關鍵科學證據。月球的二分性是指月球正面和背面在形貌、成分、月殼厚度、岩漿活動等方面存在的顯著差異,但其形成機制仍未得到解決,成爲月球科學最基本的問題之一。
爲月壤做“CT掃描”
在中國科學院廣州地球化學研究所,團隊高級工程師張樂接受記者的專訪。今年6月25日,嫦娥六號共採集1935.3克月壤樣品返回地球。8月底,廣州地化所獲批了3.5克珍貴的嫦娥六號月壤樣品。
張樂告訴記者,嫦娥六號着陸在月球背面一個古火山熔岩區,團隊很想知道,這片火山是什麼時候噴發的,這對研究月球的火山活動很有意義。
科學家們需要在非常細小的月壤中,挑出稍微大一些的顆粒,研究這些顆粒是不是由火山噴發形成的,“這種顆粒非常難找,我們拿到的月壤中達到毫米級的僅有二三十顆,其他挑選出來的顆粒大部分的直徑都在幾十微米到幾百微米之間。這些毫米級的月壤顆粒經顯微CT掃描,就可以看到內部結構,幫助我們判斷它是否爲火山噴發形成的。”
張樂同時表示:“由於月球表面沒有大氣和水流,所以月壤和地球上的土壤有很大的區別。月壤雖然很細小,但顯微鏡下,都是棱角分明的,沒有那種磨圓的顆粒出現。”
利用鈾鉛同位素獲取火山熔岩噴發時代
在識別出月壤中的火山熔岩碎屑後,研究人員面臨的工作是如何確定着陸區火山熔岩的噴發時間。
在張樂的帶領下,記者見到了分析月背火山噴發年齡的神器——離子探針。該儀器屬於磁式質譜。採用聚焦的氧離子流轟擊月壤樣品表面,將樣品中的各種元素激發爲帶電粒子進入儀器的飛行管道。在各種複雜的電場和磁場作用下,選擇需要的帶電粒子進行檢測。
離子探針實驗室的楊晴高級工程師介紹,確定嫦娥六號火山熔岩噴發時代用到了鈾-鉛放射性同位素體系。鈾-238的半衰期長達45億年,比較適合用於宇宙天體這種大時間尺度的科研對象進行準確的年代測量。“考古領域用到的碳-14測年法的原理和我們採用的鈾-鉛法的原理是一樣的。只不過碳-14的半衰期要短很多。”楊晴介紹,離子探針分析表明嫦娥六號火山熔岩在距今28.3億年前噴發形成,證明月球背面同月球正面一樣,存在<30億年的火山活動。
張樂告訴記者,除了研究着陸區的火山熔岩外,嫦娥六號月壤中還有大量的月球高地物質。這些物質對於認識月球背面物質組成是十分有意義的。嫦娥六號月壤作爲人類首份月球背面的樣品,任何新的發現無疑都是意義重大的。科學家需要持續深入地開展相關研究,從中發掘新的認識。
月壤顆粒比想象的更細
張樂介紹:“拿到月壤之後,我們就趕緊返回廣州,但是到了機場等飛機的時候,幾個人就有點按捺不住,想親眼看看月壤到底是什麼樣子,根據之前的經驗,我們知道月壤肯定是比較細小的,但到底有多麼細小卻不清楚。我們就打開手機的手電筒,透過玻璃瓶,我們看到了灰黑色、粉末狀的月壤。當時,我的直觀感受就是月壤非常的細小,比我們想象的更細。”
當天下午,一下飛機,研究人員便帶着月壤直奔單位,“在拿到樣品之前,我們研究所就動員了30多位科研工作者參與樣品的測試分析和相關的研究。大家各司其職,嚴陣以待,樣品一到所裡,大家立刻就投入到樣品的測試和研究中。”
文/武威
(廣州日報)