航天育种：跨学科高新技术，助力中草药育种取得重要成就

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太空育种，又称航天诱变育种、太空育种、太空突变育种，是指利用返回式航天器将植物材料带到太空，利用太空的特殊环境诱发突变，然后返回地面进行选择并培育新材料。种质、育种途径和新品种培育方法。航天育种是集航天技术、农业育种技术和生物技术于一体的跨学科高新技术。与传统诱变育种相比，航天育种具有变异大、有益变异多、稳定性强、育种周期短、无遗传安全问题等特点。是培育高产、优质、早熟、多抗品种的有效途径。 。经过30多年的不断探索和实践，我国航天育种在农业、林业等领域取得了重要成就。中药材育种是中药农业的重要组成部分。虽然起步较晚，但这项工作的深入开展对于提高中药质量、产量和临床疗效具有重要意义。

1 我国中药材航天育种研究进展

我国首次中药材种子航天飞行是在1987年8月5日发射的九号返回式卫星上，首次搭载了包括人参、甘草、罂粟、鸡冠花等中药材种子在内的中药材种子。自首次投放以来，中药材种子已累计投放29次。包括丹参、板蓝根、黄芩、桔梗、白芷、知母、防风、决明子、射干、白术、玫瑰花、红花、黄花、夏枯草、长春花、李子等。装货后已开展相关育种研究工作。

1. 1 有效成分及其含量变化

有效成分及其含量是中药材发挥药效的物质基础，是其品质的重要体现。太空中搭载了甘草、丹参、夏枯草、长春花、北虫草等10余种中药材种子。地面种植评价发现其有效成分含量显着增加（见表1）。例如，航天后的甘草中甘草酸的含量是对照的2.19倍，甘草苷的含量是对照的1.18倍。太空丹参中丹酚酸B和丹参酮IIA的含量较对照分别增加13%和50%，多糖含量增加16%。航天后干燥的夏枯草耳中迷迭香酸的质量分数为1. 97%～2. 69%，是对照的2倍。太空长春花中长春花碱的质量分数为300 μg·g - 1，是对照的3倍以上。航天携带的蛹虫草虫草素含量比原菌株高2.5倍，腺苷含量比原菌株高2倍。此外，桔梗、知母、白芷、防风、胡芦巴、黄芩、射干等活性成分的含量在航天后也发生了明显变化（见表1）。

航天飞行也对中草药中矿物元素的种类和含量产生重大影响。太空丹参的Cu/Zn比值由对照的0.68增加到1.0，Cr、Mn、Fe含量分别增加60%、50%、30%。太空黄芩中Fe、Zn、Ca、Mg、Sr的含量均高于对照。 Ca和Sr的含量大幅增加(75. 7%和48. 6%),而K和Cu的含量降低。王志洲等.等[16]发现太空黄芩中Ca、Na、Zn、S含量较对照均有不同程度增加。航天后射干中K、Mg、Ca、Mn、Fe含量显着高于对照，而Al含量显着降低。与对照相比，白术中Na、Ti两种元素含量较少。 K和Mn含量分别提高了1. 16和1. 15倍，而Si和P含量则大幅降低，分别降低了82. 1%和71. 2%。 。

1.2 药效学

对中药种子携带子代的药效评价研究还较少。太空丹参对全血浆粘度、低剪切(5/S)、低剪切相对指数、全血中等粘度(50/S)、全血高剪切、红细胞刚性指数、红细胞聚集的影响血瘀证大鼠。对疗效的影响强于对照。太空甘草比对照具有更强的抗炎药理活性，其中来自正宗地区杭锦旗的甘草群体被发现具有最强的活性。

1.3 经济产出

中药材经济产量是指药用植物中可直接用于药用或供制药工业提取原料的药用部位的产量。这是评价中草药应用的重要指标，但这方面的研究鲜有报道。太空丹参的产量比对照增加了14%，但没有达到显着水平。太空玫瑰产量增加22%至64%，其最大出油率为0.235%（去年同期为0.173%），增产35.8%。

1. 4 药材外观及显微性质

外观和显微性质是药材鉴别的重要指标。与陆生板蓝根相比，太空板蓝根的根部明显粗大，对照粉呈浅黄棕色。太空板蓝根粉颜色较浅，呈淡白色，淀粉粒增多且直径较大，细胞壁较薄，木栓细胞排列较小。那么说明板蓝根根部在太空中的微观结构发生了一定程度的变化。与对照相比，太空防风草根部明显增粗，表面颜色较深，空气稍浓，断面芯部颜色淡黄色，韧皮部薄壁细胞壁较薄，有块状分泌物管中的油明显减少。因此，太空育种可能会引起药材外观和微观性质的变化。

1.5 植物特性

太空鼠尾草植株较短，叶片较厚较大，表面皱缩，深绿色，茎节距离缩短，根面红棕色。太空玫瑰的表现是花期比对照长3～4个月，单花直径增大23%～39%。此外，在单花重量、花色、花形、香气品质、枝条皮色、株型等性状方面也有较大变化。太空中的夏枯草表现出茎色较浅、叶色较浅、花色较浅、茎无毛等表型变异。研究还发现，太空治疗通常会减慢夏枯草的生长、发育和成熟过程。与对照相比，太空决明植株的株高、茎粗、分枝数、结荚数均显着增加，单株产量显着增加。可见，航天诱变处理大大增加了植物的表型突变率，其后代的稳定性有待进一步研究。

2016年9月15日，北京中医药大学提供的黄莺种子搭乘天宫二号飞入太空。在太空飞行64天后，2016年11月18日，他们成功返回并降落在神舟十一号载人飞船上。 2017年4月，储存在沙子里的太空变异李子种子在河北承德基地播种。 2018年进入早期挂果期。调查显示，这些突变种子的子代植株生长、叶形和大小，以及果实形状和大小、颜色等都发生了不同程度的变化，并发生了不同程度的变化。深入研究正在进行中。

1.6 植物的生理生化变化

同工酶是指在生物体内催化相同反应但分子结构不同的酶。它们也是植物基因表达的直接产物。太空丹参蛋白条带数为14条，对照为7条；过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)同工酶条带数量存在差异，空间丹参同工酶多条条带表达强于对照。板蓝根酯酶同工酶条带数与对照存在差异。航天诱变后植物生物材料同工酶的差异揭示了催化相同化学反应存在差异，这种差异可能会影响后续反应

生物代谢过程及其表达导致中草药质量的变化。太空丹参在不同生育时期的叶绿素和类胡萝卜素总量均高于对照，其净光合速率、光补偿点、光饱和点均高于对照。星载处理显着促进了鸡冠花种子的萌发，发芽率和发芽势分别提高了7. 28%和13. 36%。干旱胁迫下，太空甘草种子的发芽率和胚根生长均显着高于对照。发芽3 d后种子中可溶性蛋白含量显着高于对照，发芽5 d后POD、CAT含量显着高于对照。太空决明植株叶片叶绿素含量显着增加，SOD含量高于对照，而POD和丙二醛含量低于对照。

1.7 细胞学效应和分子标记

太空丹参根尖细胞染色体数目与对照相同，类型相似。染色体形态和臂比差异较小，表明航天对丹参染色体核型影响不大。太空运输对黄芩的染色体类型影响较大，引起染色体畸变。太空黄花植物的叶绿体囊泡、叶绿体基片、淀粉粒等均发生了不同程度的变化。此外，红花和桔梗负载后，植物细胞的超微结构也发生了一定程度的变化。

高文元等人应用随机扩增多态性DNA（RAPD）分子标记技术研究表明，微重力导致曼陀罗基因组发生一定程度的变异。太空丹参扩增的A1-900和A1-450部分序列与对照基因序列具有一定的同源性，可能是调节丹参酚酸和丹参酮生物合成途径的关键酶基因。这为下一步分子辅助育种奠定了基础。空间环境对植物亚细胞及其DNA水平有一定影响，这些变化可能与植物形态和内在品质直接相关。

1. 8电阻

许多中药材栽培都存在连作障碍问题，其根系分泌的化感物质是连作障碍的主要原因。例如，在丹参的根部分泌物中检测到多种成分，这些成分在连作障碍中抑制生长和发育。杨现国发现太空丹参根分泌物中化学成分种类较少，含量显着低于对照。而且根部感染和根结线虫病的发生率也低于对照。可作为抗病性较好的植物。新种质资源。

孟宪水等锈病免疫型，其他3个品系也表现出不同程度的抗病能力。

2 航天中药材新品种及其典型案例

2. 1 航天用中药材新品种

中药材种子经过空间诱变后，地面变异评价研究较多，而稳定品种的审定、推广应用研究较少。 2004年，南京中科集团利用长征二号运载火箭运载灵芝菌种。经过不断观察和筛选，培育出新的太空灵芝菌株。该菌株中灵芝三萜类抗肿瘤活性成分显着高于对照。

《中国中医药报》2012年8月31日报道，天士力集团培育的太空丹参变异较大，其中选育的新品种“天丹一号”单株重超过1000克，是普通丹参的3倍，有效成分含量明显高于对照。该品种已通过省级审定。

中国医学科学院药用植物研究所将薏苡仁搭载在“石石八号”返回式卫星上，经过多年地面选育，获得薏苡新品种“太空一号”。该品种于2012年通过北京市品种审定，该品种有效成分含量明显高于对照，产量提高30%以上，抗倒伏和病虫害能力显着提高。连续三年多点试验表明，该品种遗传性状稳定，产量和品质明显高于对照。

2. 2 典型案例

1994年，江西省广昌县开展航天白莲育种研究，培育出航天白莲新品种。新品种比常规品种增产60%。经过20多年的发展，已成为当地的支柱产业。

经过航天育种的白莲的莲根、花、叶、莲子、莲子，都发生了重大变异。莲蓬大，每粒莲子重2.4克以上，产量高（每公顷1800公斤）。莲子颗粒均匀，紧实率达90%以上。此外，莲子的采收期比常规品种长30至40天。 2000年以来，累计实现推广面积13万公顷，每公顷净增收入1.2万元以上，累计增收20亿元以上。此外，百联航天繁育还培育出10多个观赏品种，已引进北京北海公园、北京荷塘公园、杭州西湖、广东三水荷花世界等各大景区，发挥了具有很好的观赏效果[33]。

3 展望

存在的主要问题：1）缺乏中药研究，如药效物质基础、毒理学和药效学的系统评价。 2018年7月23日，国家市场监督管理总局发布《中药材生产质量管理规范（修订征求意见稿）》，其中第四十一条明确：“需要使用非传统药材品种的、间接嫁接材料、人工诱变品种（包括物理、化学、空间诱变等）等生物技术选育品种，企业应提供充分的风险评估和实验数据，证明新品种安全、有效、质量可控。”通过航天育种选择的新材料、新种质，在品种审定和推广前需要进行科学、系统的评价； 2）对产量、性状稳定性、抗性等农艺形态研究不足； 3）缺乏空间诱变机制研究的分子水平信息； 4）植物新品种保护和品种审定有待加强； 5）工业应用案例较少。针对上述问题，提出下一步的研究展望。

3.1 中药材航天育种研究方向

研究工作主要从以下几个方面开展：1）安全性评价，开展毒理学研究评价其安全性； 2）药效研究，阐明关键药效成分的药效变化和作用机制； 3）药物性质变化研究，从药理物质基础角度阐明药物性质变化机制； 4）功能活性成分的生物合成和基因调控机制以及空间诱变的分子机制研究。该研究对于提高中药活性成分、产品质量和临床疗效具有重要意义。发挥关键作用； 5）研究突变体后代的稳定性，包括农艺性状和中药性状，并进行多代育种和系统评价，直至评价的性状稳定； 6）抗性育种，特别是抗病虫害和连作障碍，这是解决中药材农药残留和重茬问题的关键； 7）早期突变筛选，通过高通量分子标记技术进行早期突变筛选，加速育种进程。

3.2 中药材新品种保护及品种审定

植物新品种保护是知识产权保护的一种形式。农业农村部和国家林业和草原局是我国植物新品种权的审批机构。两个部门按照农林业分工，共同负责植物新品种权的申请工作。受理申请，对申请新品种的选育过程、特异性、一致性和稳定性进行审查，对符合规定条件的新品种授予植物新品种权。良种是指产量、品质、抗性等优于某一地区现有主要品种或材料的品种。一般来说，首先要取得植物新品种权，经过实践证明应用前景并经过比较试验和区域试验后，再申请良种审定。只有经过审定的品种才能在适合的地区推广应用。药用植物新品种保护和中药材良种审定尚未开展。开展相关工作是工业化水平提升的重要组成部分，应引起广泛重视。

3.3 建立我国航天育种协同创新平台

为了更好地解决空间环境资源应用研究问题，2018年5月，由中国空间技术研究院牵头，中国科学院、中国农业科学院、北京大学等共8家单位联合开展中医药空间环境应用联合实验室成立。实验室将开展微重力科学研究、空间材料科学、空间生物工程、空间先进制造、空间育种等方面的技术应用研究。航天育种是实验室的重要组成部分，中药材航天育种是北京中医药大学的职责。通过充分发挥各联合单位的优势，形成专业合力，推动和推动空间应用研发。

为使我国航天育种协同发挥更大作用，航天育种产业创新联盟于2018年7月在北京成立。联盟由中国航天科技集团有限公司、中国科学院、由中国农业科学院、北京中医药大学、中国农业大学等单位联合发起。联盟由全国从事农业、林业、草药、生态环境等领域研究与应用的单位组成，隶属于中国高新技术产业化研究会。联盟搭建航天育种研究、产品开发、成果推广的共享平台，建立“产学研用”协同创新机制和利益共享机制。联盟于2018年12月在北京召开了“航天育种产业创新联盟第一届联盟大会”，并在会议期间举办了“航天育种2018论坛”。上述协同创新平台的建立，将极大促进中药材航天育种。

3. 4 创新“航天科技+中药农业+文旅创意”产业融合新模式

随着国家大力推进产业融合，鼓励乡村旅游和休闲农业发展，倡导航天养殖产业融合发展。提出“航天科技+中医药农业+文旅创意”产业融合新模式，创新提出“航天中医药农业”示范基地和科普教育基地，集航天科技、中医药于一体农业等资源要素打造特色农业、智慧农业新名片。是推动“三业融合、三民协调”发展的新模式，形成航天中药农业现代体系，为生态农业、中药农业、旅游农业发展做出贡献在我的国家。