药用植物的太空航天育种研究进展

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。其中，药用植物太空航天育种是我国的特色，对搭载的药用植物的研究也已经深入到各个方面，如生物学性状，生理生化，基因组以及化学成分的差异等。

关键词：药用植物；太空航天育种；进展

中图分类号：G633.91

航天育种又称空间诱变育种或太空育种，是指利用返回式卫星、飞船或高空气球将作物的种子、组织、器官或生命个体等材料送入太空，利用太空中的宇宙空间特殊的环境诱导植物变异，再返回地面进行选育、筛选植物优良品种的技术。航天育种开创了育种新途径，除了应用于农作物、蔬菜、园艺花卉等植物种子并取得了令人瞩目的成绩外，在林业、牧草、药用植物、水产动物等方面的研究与应用也已经启动，且前景广阔。

1太空航天育种的原理

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。航天育种充分利用了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。上述因素共同作用于种子的核酸物质，使DNA分子的电子激活，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。当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

太空中存在着各种质子、电子、离子、粒子、高空重离子等高能粒子以及x射线、?射线和其他宇宙射线，它们能穿透卫星舱体外壁，作用行器中的生物。首先射线的能量沉积在物质上，引起物质的原子和分子的激发与电离，电离过程随后形成自由基，自由基与DNA作用可以引起DNA多种类型的损伤，包括碱基变化、脱落、氢键的断裂、单双键断裂、DNA即蛋白质分子内和分子之间的交联，细胞为求得生存会出现应急效应（SOS）。同样，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，细胞为求得生存也会出现应急效应（SOS）。以上SOS反应中主要进行的是倾向差错的修复，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，但带来了高的突变率。因此，细胞中发生多重染色体DNA畸变且畸变且是非特异性的。正是基于这样的原因，空间诱变育种技术可以获得地面常规方法较难得到的罕见种质材料和资源，从而选育出突破性新品种。

2太空航天育种的特点

航天育种是创造新种质资源和新品种的一种有效途径，与常规育种相比，可出现常规育种不易出现的变异，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

传统辐射诱变的有益变异频率仅为1‰-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所需的时间，太空育种则可以将其缩短一半，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10%-25%。

2.5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。

3我国航天搭载药用植物的研究概况

我国空间药用植物学的研究开始于20世纪90年代，搭载过的药用植物包括梭梭和肉苁蓉种子、黄芩、桔梗、红花、藿香、甘草、洋金花等。刚开始主要是国防科工委航天医学研究所与中国医学科学院药用植物研究所受国家自然科学基金资助做了一些工作，他们把种子放入自行研制出的小型生物舱内进行空间飞行，从而进行研究。至此之后，我国发射了多颗宇宙飞船与卫星，搭载各种种质材料进入太空，其中包括多种药用植物。

4太空环境对药用植物的影响

4.1生物学性状变异

个体水平的植物空间诱变效应主要表现在对SP1代植株的形态学改变、不育性及致死效应等方面。经过太空环境处理的药用植物种子性状表现因品种而异，发现航天搭载可提高种子的出苗率，促进了幼苗的生长发育，植株的开花期提前1周左右。降低了植株的单株结实率，增加了单株籽粒重，显著增加了地上的分支数和主果穗长度，提高了根鲜重。

4.2细胞结构和染色体的变异

许多研究表明，植物种子进行空间飞行后，太空环境或卫星发射过程中的强烈冲击，会使植物细胞壁产生破损，造成种子吸水能力提高、导电性增强。如红豆草经过空间诱导后，其叶片细胞壁不规则增厚，液泡变大，叶绿体变小，基粒片层数量明显增多。在染色体方面，经过空间诱导的植物，分裂过程中的G1期延长，有丝分裂指数减少，有丝分裂的不同阶段会出现细胞歧化和反常的分裂数，以及染色体在分裂中期不沿赤道板排列等现象。经过卫星搭载后，苜蓿细胞的有丝分裂被促进或抑制，其种子根尖细胞染色体则出现了微核、染色体桥、断片、落后等畸变类型。

4.3生理生化的变化

植物经过辐射后，其光合色素量、酶蛋白活性的检测和酯酶同工酶谱等生理生化指标都会发生一定变化。多数植物的酶活性升高，表现出一定的抗性特征，其SP1代幼苗的酯酶和过氧化物同工酶酶谱会有新酶带生成或酶带活性增强。

4.4化学成分差异

太空环境对药用植物的化学成分也会有一定的影响，如经过航天搭载后的甘草种子发育成熟的根，它的甘草酸和甘草苷的含量分别比对照组高2.19和1.18倍。

4.5基因组变化

空间环境下，植物细胞受微重力、空间辐射、亚磁场等各种因素的影响，染色体容易发生变异。

参考文献：

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