全球糧食危機的未來解方?中國將種子送上太空培育「超級農作物」

全球糧食危機的未來解方?中國將種子送上太空培育「超級農作物」
Photo Credit: China Photos / Getty Images / BBC News

我們想讓你知道的是

中國在1987年首次開始農作物太空誘變實驗後,是世界上唯一一個始終使用這項育種技術的國家。從該年始,中國已經數十次將作物種子送上地球軌道。中國科學家於1990年公布第一種經太空培育成功的作物,是一種名叫宇椒1號的甜椒。劉錄祥說,與中國傳統種植的甜椒品種相比,宇椒1號果實較大,抗病能力也更強。

將種子送往太空短途旅行可幫助科學家培育出能適應氣候變化而茁壯生長的農作物新品種,從而養活全球不斷增長的人口。

初看之下,這大片麥田上生長的小麥和世界上其他麥田隨風搖曳的麥穗沒有什麼差別。其實在中國東北廣袤的田地栽種的這種小麥來頭不小,絶非普通的作物,這是在太空中培育出來的嶄新麥種。

稱為「魯原502」的麥種,為中國種植面積第二大的小麥。這是將小麥種子送到離地球表面340公里的軌道上空培養出來的新品種。在獨特的低重力太空中,而且隔絶在保護地球生命的磁場之外,小麥種子的DNA發生了微妙的變化,產生了更耐旱和更能抗病蟲害的新特性。

有越來越多的重要糧食作物新品種是在環繞地球運行的航天器和太空站上培育出來,魯原502僅是其中一種。在近地球軌道的太空,種子會受到微重力的影響,以及宇宙射線的轟擊所引發的基因變異,此過程稱為太空誘發基因突變,簡稱太空誘變。

雖然某些突變使作物無法發芽繁殖,但也有些突變可能是有益於作物生長。有的作物在基因變異後會變得更強壯,能夠經受較極端的生長環境,有的作物單一植株產量會增多,或生長得較快,或需要的水量會減少。在太空培育的農作物種子被帶回地球後,再經過仔細的篩選和進一步的培育,從而培植出可大面積廣泛種植的品種。

當今世界因氣候變化和糧食供應鏈脆弱,農業生產面臨越來越大的壓力,這使得農作物的種植需要更靠近其食用消費的地區。現在一些科研人員認為,被稱為太空誘變的太空育種法或許能幫助人類開發適應上述新挑戰的農作物品種。

中國首席太空育種專家、中國農業科學院航天育種研究中心主任劉錄祥說,「太空基因誘變技術產生了美麗的物種變異。」

例如,根據國際原子能總署的數據,魯原502比中國一般小麥品種的產量要高11%,也更耐乾旱,更抗病蟲害。國際原子能總署有一項工作是協調國際合作採用輻射技術培育新的作物品種。

劉錄祥說,「魯原502確實很成功,產量潛力很高,適應性也很強,在各種地區各種自然環境都能種植。」

正因為魯原502對環境的高度適應性使得這種小麥在中國這樣耕種土地和氣候環境豐富多樣的國家廣受農民的喜歡。

根據劉錄祥之說,魯原502隻是中國過去30年培育的200多個經太空誘變的作物品種其一。除小麥外,中國科學家還使用太空誘變技術培育出新的水稻、玉米、大豆、苜蓿、芝麻、棉花、西瓜、西紅柿、甜椒和其他蔬菜等品種。

中國在1987年首次開始農作物太空誘變實驗後,是世界上唯一一個始終使用這項育種技術的國家。從該年始,中國已經數十次將作物種子送上地球軌道。中國科學家於1990年公布第一種經太空培育成功的作物,是一種名叫宇椒一號的甜椒。劉錄祥說,與中國傳統種植的甜椒品種相比,宇椒一號果實較大,抗病能力也更強。

中國在這幾十年已成為全球航天強國,因此有能力將大批的農作物種子送入地球軌道。2006年,中國用「實踐八號」衛星將有史以來最大規模的一批種子和微生物(152種種子和菌種,總重量超過250公斤)送入地球軌道。2022年5月,中國載人神舟13號從中國天河空間站返回,帶回來的還有作太空誘變實驗的12000顆種子,其中包括幾種草料、以及燕麥、苜蓿和真菌。

中國甚至在2020年11月嫦娥5號登月任務中,也載運了一批稻種,經歷了一趟地球和月球的來回之旅。中國新聞報導稱,這些上過月球的水稻種子返回地球後,在實驗田成功栽種獲得收成。

劉錄祥說,「我們因中國強大的太空計劃而獲益匪淺。我們可以利用返回式衛星、高空平台站和載人飛船將種子送上太空,利用這些太空設施來培育改良作物,每年上太空最多可有兩次。」

這些種子的太空之旅,時間從4天到幾個月不等。在太空的特殊環境中,種子和植株都會發生一些變化。首先,高能的太陽粒子和宇宙射線會破壞種子本身的遺傳物質,導致基因變異或染色體畸變,突變還會遺傳給後代。此外,太空的低重力環境也可能導致種子發生某些變化。在微重力環境下發芽和生長的植物其細胞形狀和細胞本身的組織結構上都會發生改變。

大多數情況是,中國科學家先將種子送往太空,再運回地球種植待其發芽。然後對幼苗進行篩選,找出有用的特性比傳統品種更優秀的植株進行培育。中國科學家篩選尋求的基因變異是能夠讓作物生產更大的果實,能減少需水量,有更好的營養結構,還能抗高溫和低溫,以及能抗病蟲害。在某些情況下,罕見的基因突變可以讓作物產量或抗災害力有很大的突破。

研究人員找到最有前途的植株後將作進一步培育,直到最終培育出一種能夠滿足農民需求,效果明顯的改良品種。

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歐洲太空總署(The European Space Agency)也進行了在太空中種植蔬菜的實驗。

不過,儘管當今中國太空誘變技術領先全球,但中國不是第一個進行太空育種實驗的國家。最早開始此技術的是美國和蘇聯的科學家,1975年兩國科學家使用搭乘蘇聯宇宙782衛星進入地球軌道的胡蘿蔔細胞作了最早的太空誘變實驗。

這種實驗方法所依賴的原理與20世紀20年代末已開始的用核輻射誘發基因突變的原理相同。核輻射誘變是指將生命體暴露在核輻射下,以加速生命體DNA的自然突變過程。


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進一步探究,就會發現上述新國科會的策略方針並非憑空發想,而是源自對產業發展的細微觀察與豐富的知識、經驗的珍貴結晶。早在吳政忠任職行政院科技顧問組副執行秘書時,就已觀察到「當科技更接近生活,產品價值就會大幅度的翻倍成長」的現象,再回顧臺灣善於代工製造零件的發展歷史,才萌生「將臺灣強而有力的製造技術與創新想法整合」的初步想法。

但是「整合」一詞的背後,需要的是基礎研究、應用研究,產業實務之間的環環相扣,過程不只涉及公私跨部門、跨領域的協調,也是一個漫長轉換的過程,並非一蹴可及。最後,在數年醞釀及無數人的共同努力下,儘管過程困難重重,以「部會合作」思考為核心的組織架構「新國科會」終於順利誕生,讓整體國家的科技發展得以提升至行政院層級的高度,向下整合上中游的基礎研究、下游的應用研究及產業實務的連接,創造更多的商機與價值。

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如今全球進入後疫情時代,國際關係變動不定,更面臨供應鏈重組、數位轉型等產業挑戰,科技作為國家發展重要的中堅力量,勢必需要更快速的布局因應,在變動中搶得先機。但除了研究與創新,科技與人文社會的結合也是新國科會的一大核心。

隨著人工智慧、太空等科技發展,生活中科技將無所不在,因此未來傳統產業必然將被完全翻轉,此時人文社會科學就扮演嫁接技術與生活文化的重要橋樑,彰顯科學研究成果對人類福祉的巨大貢獻。但這一切的前提是科技與社會必須主動伸手,彼此接觸、相互了解,攜手促進社會總體的福祉發展。新國科會成立之日,同時也是「國科會職場互助教保服務中心[註]」揭牌日,便能看見國科會對人文的用心,除了前述四大重點外,對於女性人才的培育、原住民教育的深耕、環境永續,都將是國科會的重點目標,如何透過科技連結社會的需求,正是新國科會追求的核心,因此新國科會不只是部會整合、資源分配與未來展望而已,更是將科技應用在民間的推動者,同時成為科技與人文交流的平台,最大化科技對總體社會福祉的貢獻。

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[註]:國科會職場互助教保服務中心於110年8月開辦,位於科技大樓1樓,是臺灣公共托育協會承接的第一間職場教保中心。以平價、優質、非營利、社區化之方向營運,希望透過政府與公益法人團體協力的方式,結合民間團體資源,提供孩子優質的教保品質,減輕社區家庭照顧負擔,提升教保人員工作環境與權益。資料來源:財團法人彭婉如文教基金會


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