水稻航天育种——关键技术的创新

粮食安全一直是国家及各级政府工作的重中之重。作为重要粮食作物之一的水稻，其新品种选育对确保粮食安全及社会稳定具有重要意义。

航天生物育种是我国航天高科技与现代生物技术、现代农业育种技术相结合的新技术，是作物遗传改良和种质创新的新途径。以水稻特异种质创新为核心，融合现代生物学技术，构建安全、高效、链条式、工程化的水稻物育种技术体系是培育突破性水稻品种的关键环节。

国家植物航天育种工程技术研究中心副主任、博士生导师郭涛，长期从事水稻生物诱变特异种质资源创新、高通量基因分型技术研究。他在第二届“中国高科技产业化高峰会议”上提到，空间诱变育种在我国应用了30 多年， 取得了显著的成绩，充分体现了这一技术的先进性和可靠性。

空间环境导致突变的主要因素

空间环境具有高真空、微重力、弱磁场及复杂辐射等特点，能引起生物基因突变。已有研究表明，空间辐射主要来源有银河宇宙射线、太阳高能粒子、被地球磁场俘获的太阳风粒子带。不同辐射源的高能量的质子、氦核以及高能重离子能够穿入航天器舱内，衍生出大量的二级辐射，这种二级辐射以高能离子为主。因此，长期持续暴露于空间环境中的低剂量率、低剂量、不同辐射源的高能重离子辐照可能产生相当可观的诱变效应。

高能离子为何能影响到生物学的呢?郭涛解释道：“高能重离子轰击能够引发致密的电离事件，诱发DNA 产生紧密排列的成簇性损伤和DNA 双链断裂，而这种双链的断裂对于生物体来说是非常难以修复的，因此，水稻空间诱变全基因组的变异频谱和分子特征与高能重离子轰击诱发的损伤高度相关。”

高通量基因分型技术体系降低分析成本

郭涛和研究组利用高通量测序，从全基因组水平解析空间重离子辐射导致基因组SNP 变异不均匀分布及高频突变的分子机制，并且利用地面低剂量重离子辐射，明确重离子对水稻的生物诱变效应，实现了水稻空间诱变的地面模拟，为水稻特异种质创新提供理论和实践指导。

高通量的基因分型的技术体系是非常有益的。如应用于跟踪变异，开发了基于混合式分析的目的基因等位突变的精确筛选技术，这一技术通过在实验室里诱变群体的混合种质降低了诱变群体的基因型分析成本。除此之外，将基因进行聚合和应用，实现了后代群体的一个位点的精确跟踪和应用。

资料显示，高分辨率熔解曲线(HRM)是近年发展的一种DNA 多态性检测技术，分辨率高，快速简便，实现了完全的闭管操作。利用HRM 技术，将基因组DNA 快速提取技术、PCR-HRM 技术整合创新，构建一个标准化、高通量的水稻HRM 技术体系。基于上述体系， 针对重要性状基因的功能基序或基因内序列多态位点，发展基于HRM 技术的功能型分子标记， 进一步利用上述标记鉴定水稻亲本材料或诱变群体，在分离群体中高效鉴别突变体或创制多基因聚合优良株系应用于后续育种。

该体系实现了大群体、高通量、标准化的基因型检测和对重要目标性状基因型的直接选择， 是水稻航天生物育种关键技术重要突破性进展。

近年来，在作物分子标记辅助育种应用中， 已开发出多个基于HRM 体系的多种类型的分子标记，并成功应用于育种实践。将TILLING 与HRM 检测技术结合的高通量基因分型技术与育种技术有效结合，创建了高效的航天生物育种技术体系，有效促进了航天育种进步。

水稻航天诱变种质(基因) 创新

郭涛介绍，航天诱变的生物学效应与传统的理化诱变明显的不同，最显著的特征就是生理损伤轻，符合育种需求的变异频率明显提高。

资料显示，目前，科研人员已将航天诱变、重离子诱变、高通量基因分型与传统育种技术集成创新，构建了“高通量+ 精确+ 工程化”水稻生物育种高效技术体系，提出以“多代混系连续选择与定向跟踪筛选技术”为核心的水稻高效育种技术体系，该技术针对空间诱变生理损伤轻、变异世代多的特点，将传统选择与现代生物学技术有机结合，在多个世代对诱变群体进行鉴定和定向筛选，鉴定出的突变种质可直接培育成新品种或作为新种质资源间接培育新品种，实现了同时可以从3 条途径育成新品种，显著提高水稻特异种质选择效率和育种效果。

传统育种通过表型间接对突变基因型进行选择，存在育种周期长、育种效率低、容易漏选等缺点，而航天诱变育种的最大优势在于它可以创造出地面其他育种方法难以获得的罕见种质材料， 诱导新的基因资源，是农作物遗传改良的有效技术途径。结合现代生物技术，直接对突变群体个体基因型进行选择是克服传统育种缺点的有效途径。

水稻航天育种关键技术的研究

郭涛总结指出，未来将会从结合双单倍体育种，构建从体细胞变异到性细胞变异的操作技术， 基于多光谱特征的表型高通量鉴定技术构建，基于混合池、高深度测序、基因分型策略的诱变群体分子鉴定技术这三个方面来开展水稻航天诱变关键技术的研究。

“我们可以看到，航天生物育种关键技术的创新和聚合优良多基因新种质的创建，直接促进新品种优质、抗病、丰产综合性状取得全面突破， 推动航天育种新品种的培育进程。”

通过技术集成创新，实现了水稻生物育种“特异种质源头创新→重要性状定向筛选→目的基因高效鉴定”全链条衔接，显著提升种质创新效率和重要亲本育种效果。

他认为，随着航天育种理论技术的深入研究和实践的广泛开展，生物技术、分子标记技术和方法的不断发展，以及植物遗传图谱的逐渐饱和和分子标记辅助选择应用于航天育种的条件日趋成熟，这一具有强大生命力的新育种方法一定有着广阔的发展前景。