4月16日，神舟十三號載人飛船載著三位航天員順利返回地球。和三位航天員一起“回家”的，還有一批同樣在太空“出差”了半年的農作物種子。
到太空走上一遭，部分種子會發生脫胎換骨的變化。在基因型層面，表型產量及品質明顯提升、成熟速度加快、抗病能力變強，都是種子身處復雜宇宙環境作用下可能產生的有益突變。先“上天”再“入地”，經過篩選、雜交、鑒定形成新種質資源的過程，便是航天育種。
航天育種產業創新聯盟秘書長、中國空間技術研究院原航天生物總工程師趙輝已在航天搭載領域耕耘了30余年，見證了我國航天育種的起步、成長和壯大。1987年至今，中國已經先后30余次利用返回式衛星、神舟飛船等航天器開展航天育種，培育出700余種航天品種作物以及林草花卉、中草藥新品種和制藥、釀酒等微生物新菌種。
4月24日，一年一度的中國航天日即將到來，今年慶祝航天日活動的主題是“航天點亮夢想”。在趙輝看來，航天育種正是通過空間誘變育種技術“將夢想照進現實”：它能在較短的時間里，創造出目前其它育種方法難以獲得的罕見突變基因資源，快速培育出突破性的優良品種，進一步保障國家糧食安全，“打好種業翻身仗，小種子也可以迸發大能量”。
趙輝
在神舟綠鵬公司，工作人員正在大棚內采收“太空番茄”。本報記者 白繼開攝
1975年，我國首顆返回式衛星順利完成發射、回收任務，標志著我國成為世界上第三個獨立掌握航天器進入太空并可控返回的國家。
中國空間技術研究院承擔著我國衛星、飛船等空間飛行器的設計研發任務。上世紀90年代，趙輝作為中國空間技術研究院研究員，投身航天搭載領域的科研工作。
在航天器設計時，工程師往往會保留一定的載荷工程余量，這正是趙輝和同事開展航天搭載工作的基礎。這些余量是彌足珍貴的空間資源，用好它，能夠更好地發揮航天器的效益，“但起初，找我們開展搭載實驗的都是外國企業”。
中國航天，必須服務于國民經濟。“我們自己也要送點東西上天!”航天科技人員的這一想法，開啟了我國航天育種的進程。
在“國家863高科技計劃”的支持下，1987年8月5日，我國第九顆返回式衛星搭載著精挑細選的小麥、水稻、青椒等百余個品種的農作物種子，順利完成了首次航天育種“太空之旅”。返回地球后，它們隨即被分發至各地的科研機構，再次被栽入土地。果然，種子的基因突變率和突變類型都有顯著增加。
經過雜交選育，科研人員陸續從這批種子中培育出了大豆“鐵豐18”、棉花“魯棉1號”等一批獲得了國家發明獎的優秀新品種。這些珍貴的基因資源，在自然界中是極難獲得的。
一粒種子在沒有萌發時，人們往往意識不到它內部涌動著的磅礴生命力。進入太空，航天器內部的溫度通常維持在50攝氏度至零下15攝氏度之間，平均溫度可以保持在25攝氏度，這對種子來說是個安全的溫度區間。在航天器的庇護下，不用額外提供生存保障，這些“小生命”也能平安地完成太空旅行。
在絕大部分情況下，航天器都有著首要飛行任務，航天育種則需要“搭車”。如從1999年神舟一號發射任務開始，歷次載人航天工程發射都會從珍貴的載荷資源中拿出一部分余量，用于作物種子和植物材料的空間搭載誘變實驗。也正因機會難得，要想成為航空器的“乘客”，必須經過嚴苛的選拔。除了科研單位的項目要通過創新性、技術可行性評審，等待飛天的種子也必須通過純度、凈度、發芽率等標準的篩選。
時間來到2006年，我國的農作物種子第一次擁有了太空專屬“座駕”——實踐八號返回式衛星成為我國首顆專門服務于農業科技、應用于航天育種的科學試驗衛星。當時，趙輝和同事面向全國各地征集了大量主栽作物和特色品種，在直徑約1米、高約1.5米的小巧衛星返回艙內，滿滿地搭載了糧、棉、蔬菜、林果、花卉等九大類、2000余份種子，以及16種微生物、3種動物，總重量超過200千克。
30多年間，我國已經對幾乎所有的農作物種子、大部分的林木花卉種子開展了航天器搭載。而除了干種子外，嬌嫩的愈傷組織、活體苗、菌種甚至動物胚胎組織，也都經受住了復雜宇宙環境的考驗。
在神舟八號與天宮一號的無人交會對接試驗中，趙輝和同事希望利用這次飛行，開展高等植物在空間環境開花結實的實驗。但神舟八號僅僅17天的飛行時長，顯然不足以讓一株番茄完成從發芽、開花到結果的全生命周期，于是趙輝團隊在地面提前進行了番茄植株育苗。在嚴格的無菌環境下，番茄植株在小小的試管中萌發、抽芽。
當然，育苗過程要與發射時間精準契合。趙輝團隊根據番茄的生長周期精確計算，選出一批適宜搭載、正結出花蕾的番茄植株材料“登船”。這些番茄也不負眾望，乘坐神舟八號在飛行過程中成功開花，枝頭也掛上了紅彤彤的果實。
輻射誘變的原理其實并不深奧，一束射線恰好擊中種胚的遺傳物質結構，種子內部首先會啟動損傷修復機制，嘗試愈合“傷口”，這便是染色體片段插入、缺失、倒位、易位等突變產生的機會。
科學家早已發現，在地球上制造輻射環境，同樣能夠誘導種子產生突變，為什么還要費時費力到太空走上一遭?趙輝解釋，這并不是白費工夫，太空中的環境更為復雜，經歷真空、微重力、復雜磁場等宇宙環境的作用，接受太空宇宙射線的“洗禮”，種子的突變幾率能得到大幅提升。更重要的是，比起經地面物理輻射的植物材料，太空種子的死亡率會大大降低。
例如常見的水稻，在地面自然條件下，其變異率約為20萬分之一，即使在實驗室里開展化學誘變，變異率也不過千分之幾，而擁有太空經歷的水稻種子變異率可達百分之幾。突變的數量多了，出現有益突變的概率自然也就越大。實踐證明，不少罕見的獨特基因源就是通過航天搭載創制出來的。
在誘變過程中，種子的遺傳物質為什么變、什么時候變、變成什么樣，這其中存在著極大的隨機性和不可控性。航天器所處的軌道高度不同，航行時長不同，誘發的變化就會不同。趙輝舉例，返回式衛星通常在400公里左右的近地軌道飛行，而嫦娥五號“奔月”的飛行距離超過38萬公里，期間還會穿過一條強輻射帶，誘變條件自然迥異。不同品種的種子發生突變的概率也不同，要靠盡量大的搭載數量換取更多的變異。
這是“撞大運”嗎?“其實這么說也沒錯。”趙輝笑道，航天誘變的過程就像是“開盲盒”，在實際培育前，誰也不清楚種子存在怎樣的突變。但整體來看，在太空環境中種子可能出現的變異幅度大、突變點位多，變異的穩定性更強。
隨著我國的航天活動越來越密集，科研人員不僅有能力把種子送上天，還能同時探測記錄種子所處的空間環境。通過相關基礎研究的開展，趙輝和同事在一層層地撥開航天搭載生物材料空間誘變的迷霧，探究不同的輻射劑量、輻射性質，究竟會對種子產生怎樣的影響。“航天活動開展得越豐富，實驗數據和實踐經驗積累得越深厚，我們就越有可能揭示出其背后的機理。”
“絕不是說一粒種子上過太空，回來之后直接種到地里，就叫航天育種了。”趙輝說，航天誘變只是航天育種漫長過程中的第一步，“我個人覺得最奇妙的事情在于，一粒種子進入太空再返回地球，經過短暫的旅程，它已不再是原來的那粒種子，而成為了全新的生物材料。”
在種子進入太空時，科學家在地面實驗室同步保存一批和它們一模一樣的“兄弟”種子。返回后的種子經過播種、種植，并與它的“兄弟”進行比對，尋找出發生變異的植株，再經過至少三四代的繁殖，才可能得到優勢明顯、性狀穩定的突變譜系。
歷經短則三五年、長則十余年的篩選鑒定、優中選優，最終由農作物品種審定委員會審定，“太空種子”才算得到認證。聽起來這是個漫長的培育過程，但相比于常規的地面育種過程，其實已經按下了“快進鍵”。“以前要想找到一個新的育種材料，可能要歷時十年、二十年，甚至得翻山越嶺尋找自然突變植株，而短短幾十天為一個周期的航天發射，就能帶回大量的突變材料。”趙輝說，“我們常說‘巧婦難為無米之炊’，航天誘變就是為育種家們提供盡可能多的基因源材料，縮短育種周期。”
其實在百姓的餐桌上，太空作物早已不是稀罕物，水稻、小麥、番茄、草莓……平日里我們習以為常的食物，其種子很可能就曾有過“飛天”的經歷。
有過航天經歷的“太空作物”，是不是都會出現“奇形怪狀”的外觀?走進位于通州區于家務國際種業科技園區的神舟綠鵬農業科技有限公司，在種植栽培試驗大棚里茁壯生長的“太空番茄”，外觀與普通的品種無甚區別。吃上一顆才發現，這種小番茄不僅酸甜可口，嘴里還滿溢著屬于兒時的“番茄味”。
這正是神舟綠鵬公司通過航天育種，在2017年培育出的“草莓番茄”新品種，它不僅口味獨特，產量也提升了兩至三成。該公司2015年育成的“航椒S605”品種，更是已推廣種植到了北京、河北、甘肅、新疆等地，新品種產量高、效益好、省人工，菜農表示“種兩棚辣椒比一棚西紅柿還輕松”。
在神舟綠鵬公司的種質資源庫里，僅“太空番茄”的細分品系就多達500余個，此外航天辣椒、航天甜瓜、航天草莓等種子、果實也依靠優異的品質銷往全國各地，北京市民在家門口的超市就能買到這些“航天品質”的農產品。
也有人表示擔憂，航天育種這項技術是否安全?趙輝說，航天育種的原理與自然界物種產生的變異相同，只是通過環境條件的改變加速了自身變異，沒有導入外來或內源基因。科研人員也早已通過實驗證明，“太空種子”沒有增加任何放射性。
“航天育種最終要服務于農業生產，植株大小、顏色的改變只是表面現象。”趙輝說，在新品種的培育過程中，他們更看重的是農產品品質的提升。高產、抗病、早熟、優質……這些性狀的變化，是科研人員最渴望的新型種質資源。例如植株的抗病性得到改良，其結出的果實在普通消費者眼中看不出區別，但能對農業生產起到極大助力，同時還能減少農藥的使用。
一粒種子，通常只能長出一株幼苗，一茬茬地種、一茬茬地收，新品種的繁育，需要育種專家付出大量時間和精力。
但通過種源快繁技術，這個過程可以變得更輕松。在神舟綠鵬公司的組培工場里，數十種作物種苗正在進行組織培養，一個月前只有針尖大小的植物組織，已經在無菌容器中茁壯成長為幾叢根苗。神舟綠鵬公司科研人員李珊珊說，植物的葉片、根系都能成為種源快繁技術的培養樣本，通過組織培養，幾十天內便能實現上千棵植株的繁育，讓新品系、新品種的育成提速。
這里的實驗室中也培育著仿佛被“太空魔杖”點過的新奇品種。一株僅有十幾厘米高的粉紅色月季正在密封的玻璃容器中盛放，這可不是藝術品模型，而是貨真價實的月季活體植株。這便是經過神舟四號飛船搭載，又經神舟綠鵬公司選育而成的太空微型月季新品種。
而同樣生長在培養皿中，僅有指甲蓋大小的嫩綠太空蘆竹幼苗，其實是個大家伙，其成熟植株能長到六七米高。在乘坐神舟十號上天后，太空蘆竹擺脫了曾經“體弱多病”的標簽，耐寒、耐旱、耐鹽堿，還不怕病蟲害，無需精心照料就能實現高產。它既能作為紙張板材原料，也具備極好的燃燒值，種植一畝相當于產出6至8噸褐煤，同時還避免了煤燃燒時產生的硫化物污染，因此獲得了“植物煤炭”的稱號。
“一粒種子改變世界”，趙輝表示，神舟綠鵬公司發展目標之一便是要搭建從實驗室到產業的橋梁，成長為產學研相結合的現代種業企業和現代農業高科技企業，搭建航天工程育種平臺，促進產業鏈的完善。
目前，我國太空育種作物種植總面積已超過240萬公頃，生產了130多萬噸食品。據初步估算，航天搭載育種已產生直接經濟效益超過2000億元。
2003年8月，“華航一號”水稻成為我國首個通過國家農作物品種審定的航天誘變新品種，目前由該品種再次繁育而成的，具備豐產、抗稻瘟病、矮稈等種質的新水稻品種已達42個。此外，高產小麥新品種“魯原502”成為我國三大主推小麥品種之一;“Ⅱ優航1號”成為全國首個百畝畝產突破900公斤的“超級稻”;神舟三號搭載的苜蓿育成的新品種高產多葉、蛋白質含量高，填補了我國優質牧草品種的空白……
目前，我國航天育種的育成品種數量和推廣應用范圍處于世界第一位。空間誘變機理的研究水平和航天育種技術成果在農業上的推廣應用水平，已經達到世界領先。
作為農業“芯片”，種質資源可謂是農業發展的命脈。趙輝說，在國家提出種業科技自立自強、種源實現自主可控的背景下，航天育種成為重要的種質資源創新技術手段，能幫助各專業領域的育種家、科學家獲得更多的種質資源和育種材料。
在于家務國際種業科技園區，中國航天育種種質資源庫正在逐步建立完善。在前期收集保藏突變體材料的基礎上，種質資源積累由植物作物種子擴展至微生物菌種，種質資源創新將從以往的隨機發射任務搭載，向空間誘變實驗規律化定期搭載轉變。
不過，航天育種的終極目標并不在地球之上。
在科幻電影《火星救援》中，宇航員在飛船損毀后為了生存，在火星上成功種出土豆。但在趙輝看來，這個情節“一點兒都不科幻”，我國在太空獲得食物和營造生態系統的過程中，已經取得了諸多科研成果。
幾天前，神舟十三號航天員乘組順利返回地面，執行空間站建造階段兩次載人飛行任務的航天員乘組也已經選定，正在開展任務訓練。未來，中國空間站將長期有人駐留生活、工作。
趙輝說，其實我國在實施載人航天工程和深空探測計劃的同時，就開始著手研究地面高等植物在空間環境下的生長發育，以營造受控的空間生態系統，讓人在太空環境下獲得氧氣、水分和食物來源。在“天宮二號”實驗室中，航天員就已經成功種出了綠油油的生菜。未來，月球基地、火星基地的設想很可能變為現實，“會飛的太空農場”“在火星種土豆”等場景將不再是異想天開，人類的足跡有望延伸到更深邃的太空。
