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【普越集運】太空輻射能讓人基因突變甚至死亡,為什麼還能讓植物種子變高產?

2021-10-05  星辰大海...

神舟十二飛船以驚人的精度降落於東風着陸場,任務以航天員安全返回完美收官,但神舟十二的任務後續並沒有完結,因為隨航天員返回的還有一部分經過太空洗禮的種子,現在已經發芽。

太空輻射能讓人基因突變甚至死亡,為什麼還能讓植物種子變高產?

為何去太空走一圈,種子就會變得高產?

太空育種也稱航天育種,算是輻射育種的一個途徑,最早開始於1927年,當時的Muller用X射線處理果蠅精子,證明X射線可以誘發突變,顯著地提高突變率!後來植物界就開始了人工誘變育種的研究,即利用物理誘因誘發植物變異,在較短的時間內獲取有價值的突變體!

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比如利用電離輻射處理植物種子,比如X射線、紫外線、中子及質子的照射,人工誘發植物種子的變異。自然界的植物種子也在逐漸變異,但變異速度很慢,幾十年甚至幾百年才會出現比較明顯的突變,而人工條件誘發則可以將突變週期縮短到一個種植季,也就是説植物經過一次輻射後就會產生變異。

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其原理倒也不復雜,植物種子的特性由其DNA決定的,經過輻射後的種子內部DNA發生斷裂,使其位置、結構和基因分子發生變化,處理後的中子發芽後其特性就有可能發生大幅度的改變。

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從理論上來看植物種子突變是隨機的,那麼又如何讓其向抗病性強,優質高產方向突變呢?答案是沒有辦法!不過科學家可以使用篩選的方式,將大量植物種子中將突變優秀的個體留下來,比如高大植株、高產植株、營養水平高的植株等等,然後將這些優勢品種再進行雜交、回交等產生綜合性非常優秀的新品種。

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輻射育種與太空育種究竟有什麼區別?

輻射環境在地面上可以製造,這也是Muller在1927年就已經發現的原因,既然太空育種也是輻射,那麼兩者究竟有什麼不一樣呢?答案是高真空以及高能量輻射,因為宇宙空間沒有大氣,高能射線可以毫無阻擋進入植物種子,更高能量的中子、質子以及伽馬射線等可能會導致植物更大的變異。

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當然變化和輻射育種也一樣,方向是隨機的,同樣太空育種也不一定適合所有種子,比如小麥、玉米、棉花、向日葵、大豆、黃瓜、番茄的活力和發芽率都有所提高,但是水稻、穀子、豌豆、青椒、煙草等種子則沒有明顯差異。另外,高粱、西瓜、茄子和蘿蔔發芽率反而有所降低,高粱甚至生育期推遲。

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神舟十二帶回來的種子突變了嗎?答案是還不知道,畢竟突變體要發芽一代後才能瞭解到到底是否出現了變異,比如發芽率很快就可以見到,而植株高大與抗病率不久後也能見到,但結果如何,估計就得數月甚至大半年或者更久,當然太空育種我們已經有相當不錯的經驗,比如:

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神舟飛船每次飛行都會攜帶種子,比如神舟五號帶了1公斤種子,神舟七號帶了87種蔬菜種子等等,截止到2018年,我國通過太空育種的農作物,推廣種植面積已經累計超過240萬公頃,糧食增產約13億公斤,所創造的經濟效益超過2000億人民幣。

所以神十二帶回來的種子,也是滿滿的希望所在!

植物育種的雜交與回交,究竟是怎麼回事?

植物育種是個非常龐大的話題,作為以農耕為本的的人類文明來説非常重要,有必要簡單瞭解下育種到底是個什麼樣的過程。

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育種與突變,究竟是什麼關係?

無論是植物還是動物,在漫長的演化過程中都在突變,只是在自然狀態下的突變是沒有方向的,當然這沒有關係,因為大自然會淘汰掉那些不適合環境的突變體,所以我們將這種生物的突變的技能稱之為進化!

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但必須要説明的是,無論是植物還是動物的“進化”都是沒有方向的,是自然界的因素淘汰不適合環境的突變,因此所謂的“進化”並不一定能使動植物變得更大更強壯,但基本都是朝着更適應環境的方向發展,而原因很簡單,不適應環境的都掛了。

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所以早期的育種都是將那些自然界比較優秀的種子留種,或者使用扦插嫁接技術讓那些使用了種子後會變異的優勢物種保留,而那些不適合扦插嫁接的禾本植物就只能保留種子一條道路了(某些瓜果類也有使用嫁接的)。

人工參與優選有多重要?

自然突變方向是適應環境,但人類參與後就不一樣了,比如西瓜這個案例!數千年的發展只是一個果實小,籽粒大的,瓜瓤紅白相間的結果,但人類參與後,短短几百年,都已經種出了皮薄、瓜瓤沙,微甜,個大甚至無籽的西瓜,是不是很神奇?

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意大利畫家Giovanni Stanchi所繪的靜物油畫作品,包含了西瓜、桃、梨等食物

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現代西瓜

但是自然界的突變非常漫長,幾年甚至幾十年才一次,怎麼辦?雜交育種,將各個親緣比較接近的植物種子雜交,選出優勢物種,但雜交是一個非常複雜的“數學”過程,比如各個雜交種可能只體現了某個特性,無法同時保持,那麼怎麼辦?

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因此就出現了所謂的回交,植物界的回交並不如各位想象的那麼齷齪,而是和親本父系或者親本母系回交,對於植物如此龐大的種羣來説,這個親本父系或者母系是同代的,只是從雜交系代判定上存在差異,所以各位無需過多聯想。

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但寵物的雜交與回交可能存在很嚴重的倫理問題,比如某些特殊的雜交突變體可能存在唯一性,其母系或者父系帶了唯一(或者極罕見的)的隱性基因,那麼此時超越倫理的回交就產生過了,所以各位養寵物的朋友要注意了,你們的寵物或多或少存在這樣的問題。

太空輻射能讓人基因突變甚至死亡,為什麼還能讓植物種子變高產?

無論是地面輻射育種還是太空育種,又或作地面植物的雜交,最後的雜交與回交幾乎是不可避免的,因為你不可能運氣那麼好,一次突變就跑出所有優勢,其工作量遠超想象,所以你可以想象一下搞出一代又一代高產雜交水稻的袁老工作是多麼優秀,他值得我們所有人懷念。

延伸閲讀:人會被輻射變種嗎?

一個非常有趣的問題,對於植物來説,我們需要存在突變體的變種,無方向的突變可以大幅度篩選後剩下優勢突變體,但人類可不能這樣操作,不存在淘汰其他突變體的行為,因為這是反人類罪行。

太空輻射能讓人基因突變甚至死亡,為什麼還能讓植物種子變高產?

所以對於人類來説我們不需要突變,當然大劑量輻射還能直接導致病變,因此我們只要保持現狀健康的身體即可,因此在太空飛行時飛船需要強大的輻射屏蔽,以將宇航員接受的輻射保持在閾值之下,NASA就曾在雙胞胎宇航員斯科特·凱利身上做過研究,結果發現大部分突變能自我修復,但仍有部分暫時無法修復,有的則可能是永久性改變。

太空輻射能讓人基因突變甚至死亡,為什麼還能讓植物種子變高產?

不過無需恐慌的是斯科特·凱利在地面上的兄弟身上也有部分基因發生了突變,簡單的説就是人體本身也在發生着一些變化,有的突變是沒有什麼影響的,但有的後果卻很嚴重,因為癌細胞就是這樣突變而來的。

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