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日立念:为什么上过太空的种子会结出比较大的果实?

发布时间:2020-08-01 16:21内容来源:http://www.czdfmr.com 点击:

为什么上过太空的种子会结出比较大的果实?

我国很多城市每年都要举办大型的农业博览会,在某个特定的展区,一般都会看到巨型南瓜、巨型西瓜、巨型辣椒、巨型冬瓜等的身影,这些蔬菜或者水果,其身形要比普通种植的大出许多,这些品种的出现,有的是纯粹在地球上杂交优选的结果,有些则是经过太空培育后结出的种子发育而成。那么,为什么上过太空的种子,会结出非常大的果实呢?


一个物种,它的大小、重量、外观、发育特点等性状,取决于其遗传基因的表达方式,也就是遗传物质在隔代间的传递和继承,而同一物种的不同个体,在同一性状上所具有的不同表达方式,我们称之为相对性状,比如辣椒的颜色、人的单眼皮和双眼皮等等。



生物的基因之所以能够控制生物的性状,主要来源于两个方面,一个是控制蛋白质的合成,也就是说控制了蛋白质的结构,比如组蛋白能够参与染色体的构成,这是基因控制生物性状的最直接途径。另外一个方面是基因通过影响酶的合成,来控制细胞的代谢,从而间接控制着生物性状的表达。基因对生物性状的影响是决定性的,但不一定是一一对应的关系,有时一个基因会控制着多种性状的表达,比如黑色素基因,可以决定着人体的肤色、头发的颜色;豌豆的圆皱基因既决定着种子的形态,也决定着它的口感。有时一种生物性状会对应着多个基因,比如生物体的高度则由多个基因共同控制。


此外,外界环境对生物的性状也会产生一定的影响,最明显的例子其实就在身边,我们常吃的水果,比如桔子,在南方和北方种植,由于温度和水量的不同,很大程度上会影响到桔子的生长和发育,造成其大小、颜色、口感等方面的差异。所以,生物性质的表达,主要决定性因素是自身的基因,外在环境起到附加的影响作用。


从生物遗传物质的传递过程可以看出,世间绝大部分生物,其遗传信息都是以密码的方式体现在DNA分子上面,也就是说体现出一定的核苷酸排序方式,通过DNA碱基对的配对来实现DNA的复制,从而使遗传信息从父代传给子代。而在子代的发育过程中,遗传信息先是通过转录的方式传递到RNA中,然后再由RNA通过翻译的方式形成各种蛋白质,从而行使各种生物性质功能,这个过程也是大多数生物从父代DNA到子代DNA的信息传递过程,主要包括转录和翻译。另外,在病毒界的一部分病毒种类,遗传信息的传递过程是在RNA主导下的逆转录,不需要翻译过程。


无论是以DNA还是RNA为主要遗传物质的生物,它们通常情况下在遗传物质的复制过程中表现得是比较稳定的,遗传信息基本上可以完全传递给下一代。不过,遗传物质的复制,会有非常小的几率发生复制错误,比如DNA碱基对的错位,虽然以这种反向平行双螺旋结构碱基对的配对发生错误几率较低,但也会发生基因突变,而以RNA为遗传物质的部分病毒,由于其是单链结构,发生复制错误的几率要高出很多,这也是为什么有些病毒的疫苗研制特别困难的主要原因,病毒发生变异的速度实在是太快了。


一般情况下,生物的基因突变的概率较小,而且以一种随机的方式产生,没有特定的方向性,在这一定程度上推动了生物个体适应环境能力的提升,那些拥有有利于适应环境以及环境变化突变的个体,则会在竞争中保留下来,否则就会被自然所淘汰,“自然选择、适者生存、不适者淘汰”就是这么残酷。刚才说了,环境的变化,则会影响着生物性质的表达,说白了就是影响着生物基因突变的发生机率。太空与地球表面的环境大不相同,那里拥有着微重力、高辐射、强紫外线等特殊环境,生物的种子一段时间待在太空中,或者在太空中培育出的植物,其发生基因突变的概率大大增加。

正因为基因突变没有方向性,而太空的环境又加大了生物基因突变的几率,对于代际间生长周期较短的植物来说,在隔代间遗传信息发生变化的可能性也就进一步提升,所以太空种子的培育是一项长期、系统的工程,在子代遗传性状的表达上,既有可能出现个头大、口感好、味道甜美的突变,同时也会出现更小、口感差、味道酸涩的突变。从人类的需求出发,势必会保留那些有利于人们食用的变异个体,以此为基础再通过子代间必要的杂交或者回交技术,将更多的有利性状表达出来,从而满足人们综合性的食用需要。


因此,我们在农博会或者航天博览会上看到的那些巨大的蔬菜水果,都是在太空环境中植物种子发生基因变异之后,被人为选择而保留的结果,而这些只占据了实验总量的极小一部分比例,并非太空环境下的种子萌芽后都会结出大的果实。

一提到太空果实,很多人第一个反应就是“特别大”,无论是太空青椒还是太空南瓜,但凡是太空品种,果实都比普通品种要大。

那么,为什么上过太空的种子,就会结出比较大的果实呢? 太空果实

一般来说,物种的演化以百万年,甚至千万年为单位, 这是因为地球环境虽然会发生变化,但变化的比较温和,物种在适应环境时,也发生温和的演化。

但物种在演化时,其实是没有方向的,比如:南瓜,在演化的过程中可能会演化出有毒的南瓜,酸南瓜,小型南瓜,巨大型南瓜等等。但不是所有的物种都可能适应环境,可能有毒的南瓜毒素太强,把自己毒死了,因此这个物种就不会在演化中被保存下来,这个过程就是自然选择,也叫做定向淘汰。

生物的演化一定是遵循着:自由演化——自然选择(定向选择),最后能适应环境的物种,就是我们现在见过的物种。

而太空果实之所以会如此巨大,其实和“自由演化——定向选择”有关。

太空果实为什么会那么大?

太空果实之所以“上天”后再返回地球,能够演化出巨大的果实,其实和太空环境有关。我们知道,太空环境由于缺乏臭氧层,所以太阳中的紫外线以及宇宙射线可以直接照射到火箭表面,而紫外线以及宇宙射线是高能粒子,具有高辐射,它可以破坏DNA中的碱基对排列序列,让生物体内的遗传物质发生改变和变异,因此物种变异的速度大大加快,以前需要百万年,甚至千万年才能变异的种子,现在只需要几天就会变异。

之所以宇航员执行太空任务后,DNA不会变异的原因是宇航员穿着厚厚的宇航服,宇航服可以隔绝太空中的高能射线以及紫外线。

我们知道,高能粒子在破坏物种的遗传信息时,并不会单独针对某个基因进行改造,而是随机对生物的DNA片段产生破坏,因此,上过太空的种子结出的果实并不都是巨大的,而是有各种程度不一的变化,比如:酸的,苦的,有毒的,不带甜味的,不长叶子的,叶子变成黄色的......

这些就是生物的自由演化,而科学家们会从这些演化中,挑选适宜人类食用的果实,比如:甜的,大的。

再用这些果实的后代,继续培养下一代,直到这个性状稳定下来。这个过程就是定向选择。

其实,科学家在定向选择物种时,还会用到孟德尔的遗传规律。

孟德尔豌豆实验

遗传学之父孟德尔在论文《植物杂交实验》中,解开了生物遗传的规律。

孟德尔选取了两种豌豆作为参照实验,一组是开紫花的豌豆,一组是开白花的豌豆,由于豌豆是闭花授粉,也就是说豌豆在花朵还未开放时,就已经完成了自我授粉,因此自然环境下,豌豆都是纯种,不存在杂交情况。

孟德尔用开紫花的豌豆和开白花的豌豆杂交,最后只得到了一种豌豆,既紫花豌豆。

孟德尔继续用杂交出的紫花豌豆播种,这一次,孟德尔得到了两种豌豆,既紫花与白花豌豆,但紫花的数量是白花数量的3倍。

后来,孟德尔用了7组不同性状的豌豆继续完善实验数据,结果每一次性状的区别都是3:1,孟德尔由此解开了生物的遗传规律 。

他认为,在生物的细胞内,遗传因子是成对出现的,而这对遗传因子中有一个是显性因子,有一个是隐形因子,当显性因子和隐形因子结合时,由显性因子控制物体的性状。

我们知道,虽然有些太空种子结出的果实较大,但它可能较酸,而有些太空种子虽然结出的果实较小,但它会比较甜。

因此育种专家们会让它们进行杂交,杂交得出又甜又大的果实后,科学家们还会利用孟德尔遗传规律让他们自交或者回交,以便得出人类想要的果实,比如又大又甜的太空果实。

据育种专家介绍,并不是所有上过太空的种子,都能结出符合人类要求的果实,它还需要在地球表面进行日复一日的育种培养,才可以得到。

最后得到的太空果实大小也五花八门,比如有适合做面点的高筋面粉,以及适合做蛋糕的低筋面粉,这些小麦的种子都不巨大,而是和平常的麦穗差不多大小。

之所以在我们观念里,太空果实都非常巨大是因为,媒体在报道时,喜欢用一些夸张的、不常见的物种做素材,比如:比起不起眼的麦子,那些拥有巨大体型南瓜更容易吸引眼球。

在媒体的“片面”报道下,我们才认为上过太空的果实都非常巨大。

为什么上过太空的种子会结出比较大的果实?

上世纪九十年代出现了一个叫做太空椒的青椒品种,特征是植株增高增粗明显,果形增大,增产明显,病虫害的抵抗能力有部分增加,作为太空椒的种植农户,对于这样的结果肯定是喜闻乐见的,而太空椒的名字也非常响亮,使得在农村田间,到处都能看到太空椒的身影。

但其实了解育种的朋友都知道,太空椒不过是名头而已,而隐藏在背后的辛酸也只有育种工程师才会知道,因为虽然名叫太空椒,却不是青椒种子上过太空就会变得高产!

所谓的太空育种

太空育种也称空间诱变育种,具体操作并不复杂,方法是将农作物中子或者试管种苗通过探空火箭或者卫星送到太空,暴露在太阳和宇宙射线的辐射之下,使中子基因发生诱变,然后再返回地球将其发芽或者继续种植,确认其长势与结果等状况,选择优秀的进入育种环节!

但事实上这个诱变是无法控制的,在高能辐射的照射下产生的影响是随机的,比如有的诱变并不会高产,反而会影响生长发育!而有的根本就不明显,只有极少数种子会朝着我们想要的方向发展,而育种则并不是一代优良就可以作为种子,需要将这优势保留下来,这需要育种工程师大量的工作。

因此说太空育种并不是一件容易的事,而随着现代育种技术的发展,太空育种不再是我们首选的育种方式,反而会因为其他更高效技术的发展,仅仅是作为一个育种选项而已!

还有哪些优秀的育种方式?

常见的育种方式有诱变育种、单倍体育种、杂交育种以及多倍体育种和转基因育种等多种方式,不过无论是哪种方式,其必须是物种的基因发生改变,否则前后一致也就得到一颗一样的种子而已,那么在在这些育种方式中哪个最优秀呢?

太空育种其实是一种效率比较差诱变育种方式,后期需要大量的筛选才能培育出一个新的品种。我们看到那高大上的青椒不知道包含了工程师多少汗水!

  • 分子育种

现代育种方式中有一种精准育种的技术,但它和转基因育种又有区别,这就是近年来快速发展的分子育种技术,将优秀物种的基因直接导入受体细胞中,精确控制新品种未来想要展现的形状,比如抗倒伏,抗病虫害以及高产与耐旱耐寒等等。

但前提是必须要精确标记出展现这些形状的可检测的DNA序列或蛋白质(分子标记),这和转基因也有比较明显的区别,因为分子标记仅仅涉及测序、检测以及单核苷酸多态性,与转基因有明显的区别!

分子育种还可以克服远源杂交的不亲和性,将两者优势在一个品种上集中展现,还有一个优势是分子育种是可以遗传的,也就是说新品种的种子将获得母本的优势,可以留种种植。

  • 转基因育种

通过现代分子生物技术将一个或者多个基因添加到另一个生物基因组中,以达到改良生物性状的技术,分子育种非常优秀,但它的水平基因转移范围非常有限,但转基因技术可以扩大这个范围,甚至在不同物种间达到优秀基因转移目的!

1983年世界上第一例转基因植物-含有抗生素药类抗体的烟草在美国成功培植。

1992年中国首先在大田生产上种植抗黄瓜花叶病毒转基因烟草,成为世界上第一个商品化种植转基因作物的国家

2012年,全球转基因作物种植面积达到约1.7亿公顷。按照种植面积统计,全球约81%的大豆、35%的玉米、30%的油菜和81%的棉花是转基因产品。

转基因育种示意图

  • 杂交育种

杂交育种的历史是比较悠久的,动物的杂交与回交出现历史更早,因为很直观的就能看到配种过程,因此都会有意识的进行杂交实验!但植物的杂交与回交研究则是从孟德尔开始的,不过比较郁闷的是,1866年孟德尔的著作《植物的杂交实验》发表后居然在三十年内无人问津,知道二十世纪初有生物学家从事相同研究时才发现孟德尔在植物杂交实验上的贡献!

杂交育种方式大家都比较容易理解,毕竟杂交水稻我们已经太熟悉了,而袁隆平在这方面的贡献尤其突出。简单的理解就是杂交后人工选优,再根据保留的性状选择保留还是进一步自交再选优,但一般情况至少经过数次杂交后才能获得目标品种!

还有一种情况是杂交后回交,其实也是杂交的一种,只不过就是回到第一次杂交的母本或者父本根据不同的需求再次杂交,而根据逻辑形式的不一样,还需做统计优选,这个工作量是非常大的!

最后有个问题要提醒下,杂交或者分子育种都支持留种,但第二代种子退化严重,因为在开花结果的过程中会加入原有品种的基因逐渐退化,代数越多退化越严重!而转基因品种理论上可以操作种子不发芽,所谓的“断子绝孙”技术是存在的,但却只是让植物本身的中子不发芽而已,与广义断子绝孙无关,各位不要联想了

日立念
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