高空气球在航天诱变育种工程中的应用
作者：张传军 段洣毅
航天育种，也称空间诱变育种或太空育种，是利用高空气球、返回式卫星、飞船等航天器将作物种子、组织、器官或生命个体搭载到宇宙空间，利用宇宙空间特殊的环境使生物基因产生变异，再返回地面进行选育，培育新品种、新材料、新种质的作物育种新技术。空间环境因素主要有微重力、空间辐射，以及其它诱变因素如交变磁场、超高真空环境等，这些因素交互作用导致生物系统遗传物的损伤，使生物发生诸如基因突变、染色体畸变等。
航天诱变育种集航天技术、农业技术及生物技术于一体，是当代世界最先进的育种技术之一。
太空是指地球大气层以外的宇宙空间。
以离地球海平面100千米（约62英里）的高度为分界线，称为卡门线。
卡门线以下，又有对流层、平流层、中间层。对流层指海平面至10千米，有浓密的空气，称为浓密大气层；浓密大气层随高度增加，空气越来越稀薄。平流层指10-40千米之间。中间层指40~80千米。在卡门线以上飞行的叫轨道飞行器，一般指卫星、飞船等航天器。卡门线以下飞行的叫亚轨道飞行器，指高空气球、飞艇等。
航天器（spacecraft），又称空间飞行器、太空飞行器。一般在卡门线以上的空间飞行。按照天体力学的规律在太空运行，执行探索、开发、利用太空和天体等特定任务的各类飞行器。航天器基本上都在太阳系内运行。
航空器（aircraft） 指能在大气层内飞行的飞行器，高度一般不超过20千米。任何航空器都必须产生大于自身重力的升力，才能升入空中。根据产生升力的原理，航空器可分为两大类：轻于空气的航空器和重于空气的航空器。前者靠空气静浮力升空；后者靠空气动力克服自身重力升空。
航空器包括飞机、直升机、倾转旋翼机等 。
高空气球又称高空科学气球，是指在平流层飞行的无动力浮空器，狭义上特指零压式高空气球。它的飞行高度虽然不如卫星，但却比飞机高得多，一般可达40~50km。飞艇是一种轻于空气的航空器，它与高空气球最大的区别在于具有推进和控制飞行状态的装置。
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如今新的经济、能源、环境背景给了高空气球提供了新的契机；材料、测控等科技的进步为高空气球注入了活力。在基础学科、航天、环境等领域发挥着越来越大的作用。其飞行高度一般位于平流层，是近30 年来逐步发展起来的进行高空科学观测或实验的一种运载工具。由于高空气球造价低廉、组织飞行方便，被广泛应用于高能天体物理、宇宙线、红外天文、大气物理、大气化学、地面遥感、高空物理、生理、微重力实验等方面的研究。
大型高空气球或飞艇还可以用于交通、运输、娱乐、赈灾、影视拍摄、科学实验等等。比如，发生自然灾害时，通讯中断就可以迅速发射一个浮空器，通过浮空气球搭载通讯转发器，就能够在非常短的时间内完成对整个灾区的移动通讯恢复。
高空气球具有飞行高度高，成本低，准备周期短，易于灵活实施等其他飞行器所不具备的特点。世界上一些发达国家从上世纪六、七十年代起相继开始大规模的发展高空气球技术， 使气球成为一种与火箭、人造卫星等飞行器并驾齐驱的进行大气和空间科学研究的运载工具。高空气球的球体，大都用高压聚乙烯材料所作的球膜经热压熔焊制成，膜厚仅20μm 左右，其低温性能和抗拉伸强度却非常好。为提高载重能力，大型气球沿其母线还加有尼龙加强筋。球体形状多为自然形，采用所谓零压式，即在球体下部留有排气管使内外相通，压差为零，用以防止气球升空后球内压力增大把气球涨破。气球内部充以氢气，有的充以氦气。氢气的浮力大、价格低廉，但易燃易爆，必须在严密的安全措施下使用。氦气的浮力比氢气小，安全，但价格昂贵，不宜大量使用。气球的体积根据载重能力和升限的要求不同而定，载重量越大，升限越高，要求体积越大。一般，由几千立方米到几十万立方米，甚至超过百万立方米；载重量由几十公斤到上百公斤，甚至超过一吨；升限在35~45km，及至超过50km。
高空气球是航天诱变育种工程的一个搭载飞行手段，在航天诱变育种工程中发挥着重要作用。它经历的大气结构、气温、空气密度、压力、地磁刚度、平流层辐射与 地面有差异, 还有强烈的紫外线辐射，与轨道飞行器返回式卫星和飞船也不同，因此研究弄清它在航天育种工程中的机理也十分重要。
如果空间诱变机理不清楚，将会在一定程度上影响空间诱变成果的推广和应用。
太空环境使植物基因发生改变的原因是什么?太空环境是高能粒子辐射与微重力条件共存的，太空中高能粒子及微重力对高等植物会产生什么样的影响?如果产生基因改变，有没有变异规律?基因的变异位在哪里?这些问题除了搭载返回式卫星和飞船外，还可以利用高空气球或飞艇来进行试验研究。
此外，经过空间诱变的食品的安全性问题也与空间诱变机理清不清楚紧密相关。因此，在搭载手段上，开展空间诱变机理的研究十分必要。高空气球比飞船或返回式卫星更容易重复试验，更容易获得祥本数据，取得好的效果。
我国在 高空气球搭载诱变育种试验中做了很多开拓性的工作。高空气球在距离地球 20 ~ 40km 的高空环境进行各种农作物种子及食 用菌的菌种飞行搭载试验, 返回地面后，结合生物技术，开展种植选育比对，DUS实验。 材料所处的空间条件是:高空气球飞行高度为 20 ~ 40km, 飞行累积时间为2 ~10h，甚至更长，离地面近，易操作， 价格低、效果较好, 是一个值得进一步探索和开拓的空间诱变育种途 径。
利用高空气球进行科学实验，一般由制定计划、装配吊舱、设备调试、现场联调、气球发放、空中飞行、切割降落、地面回收等许多环节组成。
到目前为止，我国科研人员利用高空气球进行的航天诱变育种研究，有以下几个方面。
一 高空气球搭载诱变育种取得的成果
（一）粮食类作物
广西水稻 :研究 上世纪八十年代，高空气球搭载粳稻中，第 2 代分离 出一些优质米类型, 性状能在后代中稳定遗传。 结实率达 80%~ 93%, 种子饱满度好, 有些杂交组合后代的千粒重在 30g 以上, 有可能成为粮食增产的一个新突破。
山东河南等地小麦试验。 研究结果说明高空 环境可动摇小麦产量、品质的基因连锁和结构, 并可在其后代中稳定遗传。 这对加快育种进程 是有利的。
谷子 :上世纪九十 年代 ,气球搭载谷子 。经高空气球搭载处理的谷子, 一些植物学性状和品质性状产生一定的变异, 可从中选育生 产有价值的优良品( 系) 种。
红小豆 :1988 年气球搭载红小球 。
经气球搭载的红小豆种植的后代, 从分枝、结荚数、种子的产量都比地面对照提高, 且煮后 比一般红小豆易烂, 口感也较对照好。也可从中选育出高产质优的品( 种) 系。
（二）油料类作物
1990 年代，高空气球搭载大豆种子, 经多年种植选育, 在 SP3代中成熟期发生明显分离。
（三） 蔬菜类作物
1988 年代高空气球搭载青椒种子, 经多年种植选育, 获得三心室的青椒及比地面对照增产,22%~43%的新品系, 高空气球搭载诱变后青椒维生素C含量为2.698mg100g, 比地面对照提高9.63%，并有少量种植。 （四）食用菌类
1997年代经高空气球搭载的香菇从形态指标、和分子水平上都已证明经高空气球搭载处理的香菇菌种发生明显突变, 且性状好。经过两轮的栽 培试验数据表明, 该突变菌株子实体大且厚, 产量明显提高, 有希望培育出高产菌株
二 农作物高空气球搭载诱变育种特点
科研人员经过多年的农作物和食用菌的高空气球搭载和种植选育研究, 综合利用生物技术，表明利用高空气球空间特殊环境条件对农作物和食用菌的空间诱变育种，研究出重要的发现:可获得地面难以得到的罕见突变体, 且其 变异频率高、变异幅度大、变异材料容易稳定、有益变异多、有利于培育出高产的农作物和食用 菌的新品种。
三 我国高空气球搭载诱变育种的研究和应用水平居于世界前列
在世界上最先将高空水稻、高空小麦、高空食用菌等用于农业生产, 并在各地推广种 植;并最先将 RPAD 分子生物学分方法用于空间育种领域研究，我国科研人员开创了先河。
综上所述，我国科研人员 利用高空气球搭载农作物种子和食用菌菌种, 进行空间诱变处 理, 探索空间诱变效应，获得了重要的新发现:用高空气球搭载诱变的农作物种子和食用菌菌种 ，经多代选育出的突变品系的生育期、抗病性和脂肪含量、铁元素含量、维生素C 和产量性状 比原亲本有明显的改善。
我国民用高空气球用于航天育种工程研究，为种业振兴、科技进步、创造全人类美好生活做出了特殊贡献。因在平流层中飞行，受气温、压力、飞行速度等不可控因素太多，误入外域外空也是正常的。高空气球用于民用科学研究，这种偶发、意外事件，对外国人员和安全也不构成任何威胁。
玉米太空诱变后发生返祖现象
（作者简介 ：
张传军 著名航天农业专家 空间技术专家 航天育种高级工程师
段洣毅 中国国际科技促进会会长）
