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1、开展育种卫星可控育种试验的建议开展育种卫星可控育种试验的建议奚日升 褚立新 张小青 韩晓文（航天科技集团公司五院 510 所）我国自 1987 年以来成功地利用返回式卫星进行了多次的农作种子搭载试验，经农业育种专家进行的地面育种，取得了培育出许多优良品种的可喜的成果。这些育种试验研究的结果为农作物育种开创了一个新的途径，已经显示了实现突破性育种的广阔前景，为我国 21 世纪解决人民吃饭的问题打下了一个很好的基础。但是，以往的试验只是限于农作物干种子的搭载试验，没有专门的容器，没有电源供给，基本上是无源搭载，没有特别的操作照料，发射待命期长，卫星在轨时种子暴露在真空中。干种子处于休眠状态中，生命
2、还没有复苏，对外界的刺激激励反应不灵敏即使是这样，空间环境仍然能使种子发生变异，所以，如果种子在萌发复苏期内正好处在空间环境下，则有可能会有更大的变异比例、更多的变异类型、更高质量的变异产物，从而可选育出更多更好的优良品种。1994 年我国首次可控微生物空间培养试验已经证明了复苏的微生物具有比干粉状休眠的微生物更大的变异率或产物质量有成倍的提高。但对萌发的植物种子还没有经过空间试验的证实，如能进行试验有可能会获得明显效果和重大经济效益。经过有照料的萌发种子空间培养试验可以探索空间环境诱发种子产生变异的机理，应用到地面育种工作中，获取更大的经济效益。以往返回式卫星搭载的空间育种试验，没有条件进行
3、萌发种子的试验，专用育种卫星可能具备这种条件，在以干种子为主要载荷的情况下，开展萌发种子试验是可能和必要的。1 种子可控空间培育试验总体技术要求种子可控空间培育试验总体技术要求首先萌发种子育种试验不同于以往的干种子搭载试验，我国新型返回式卫星在轨运行长时间已超过 15 d，用返回式卫星改制的育种卫星还不能用来培育植株，所以萌发种子试只能是湿种子或萌发种子上天，萌发种子返回这样一个过程。所以选用种子的萌发过程应与卫星在轨时间相近。 其次由于不是干种子试验，所以必须将湿种子、萌发种子置于一定的容器内，以保证其生长，从而产生更多的正效应。还可以进行对比试验，以找出种子诱发变异的真正机理，为今后育种试
4、验提供理论指导。 例如将萌发种子置于真空密封的装置，内部保持大气环境和湿度，可以设计成有或没有光照条件，种子在发射前可事先浸泡，装置内的温度或湿度可控，在对比试验中，可采用模拟地球重力场的离心机来消除微重力，或对宇宙射线的屏蔽与否等条件下进行。具体的技术要求在项目正式批准后由有关农业育种专家提交给试验装置研制单位。2 可控种子空间培育试验总体方案可控种子空间培育试验总体方案根据总体技术要求，种子空间培育试验需要研制如下育种装置：真空密封育种器；湿种子育种器；温控育种器；光照育种器和对比试验育种器（模拟地球重力场育种器和可控宇宙射线屏蔽育种器） 。2.1 真空密封育种器这种育种器对外真空密封，内
5、部保持大气环境和湿度，温度随星内环境变化，无光照。2.2 湿种子育种器这种育种器选择浸泡加萌发期的时间和飞行试验周期相近的种子作为试验样品，发射前将种子装入育种器中开始浸泡，在飞行过程中发芽。2.3 温湿度可控育种器这种育种器真空密封，样品室温度和湿度可以调节，适合于萌发期短于飞行试验周期酌萌发种子的空间育种试验，在发射前将种子样品装入育种器，控制样品室温度和湿度使萌芽种子休眠或缓慢生长状态，经历发射、人轨、飞行一段时间后（根据萌发期长短） ，控制样品室的温度和湿度使种子处于旺盛萌发状况，卫星返回前，再度控制样品室的温度和湿度，使种子的生长变缓，经历返回、着地和回收远输。2.4 光照育种器这种
6、育种器除真空密封，样品室温度可调节外，还对种子实施间隙光照，适合于对光照要求比较严格的种子。如有可能，在有光照的过程中还可以对萌发过程进行摄影、摄像记录。对于光源可选用白炽灯或氙气灯，其中氙气灯的光谱与太阳光谱非常相近。光照育种器的设计要明确光照的强度、光谱分布、周期和总能量。由于育种器是密封的，其中又有光源，将会引起内部温度的升高，因此光照育种器也需要配备温度控制装置。2.5 模拟地球重力育种器这种育种器带有离心机，用来模拟地球重力场。是属于对比试验。在离心机边缘置放种子，离心机旋转时，种子受到离心力。如果种子受到的向心加速度等于地球地面的重力加速度，则可以于在微重力情况下的种子进行对比试验
7、，以确定究竟是微重力还是空间辐射或者是两者共同对种子诱发了变异。2.6 可控宇宙射线屏蔽育种器这种育种器是一种可控的可屏蔽宇宙射线的容器，用来研究在有或没有、时间长短宇宙射线辐射的情况下，确定究竟是微重力还是空间辐射或者是两者共同对种子诱发了变异。2.7 微生物培养箱已有经过飞行试验的产品。试验的过程是系统的控制器和数据存储器提前装入卫星，装有样品的微生物空间培养箱在发射前 30 h 装入卫星，处于制冷维持状态，控制样品室温度恒定在(2.5 +0. 5)，使样品保持休眠。发射人轨后，即转入加热状态，使样品室温度上升并恒定在(28 +0. 5)，微生物样品开始生长。加热 7d 后断电，使样品室自
8、然降温，缓慢降低微生物样品的生长活性返回前 10 h，微生物箱再次进入制冷状态，样品室温度降至(2.50.5)，样品进入休眠，并一直保持到砸星返回地面。卫星返回后以尽快的速度取出微生物箱，装入便携冷藏箱继续控温，直到样品交还用户。微生物空间培养箱的主要性能指标：工作方式：容纳 85 支以上标准安瓿（1245） ，提供微生物样空间生长及休眠所需的温度环境，并尽量减少对宇宙的阻尼温度范围：待命和发射过程中，样品室冷却在(30.5)内。在轨飞行段控制样品室湿度在(28.50.5)内。降温速度：星内真空环境中 3h 内使样品室从 28降至 3。最大制冷功率： 20W平均制冷维持功率：9W最大加热功率：
9、 20W平均加热维持功率：0.5 W总耗能： 570 Wh样品室内环境：样品室对外真空密封，内部为大气环境。工作时间： 17 d总质量： 8 kg外形尺寸： 200 mm250 mm维修性：样品室可方便拆装，热电堆可快速更换。安全性：在标准安瓿失效泄漏情况下能防止菌种外泄。2.8 鸡蛋空间试验贮存装置根据中国农业大学和中国科学院研究生院的要求研制了一台鸡蛋空间试验贮存装置。他们提出了 3 种试验方案，从较为简单的方案 C 开始，该方案的目的是未经孵化的 0 胚龄受精蛋在太空环境下保存一定时间(57 d)后，能否正常发育，并检测其遗传变异情况。2 组各 30 枚受精蛋（丝羽乌骨鸡，3045 W
10、采集） ，用蛋架装好后，都放人合适尺寸的坚固箱子中，然后 1 组搭载卫星上天，在 13 18 (1220)条件下保存。另 1 组作为对照组在地面也以 1318 (12 20)，温度 75%80%条件继续保存。当鸡蛋空间试验贮存装置回收后，把试验组和对照组的胚蛋都放入大孵化器中，在 37.8，温度 75%80%的条件下，2h转蛋 1 次，鸡蛋转蛋角度以水平位置前俯后仰各 45，继续孵化至出雏。研制的鸡蛋空间试验贮存装置为试验提供了真空密闭的容器，抗振透气的蛋架，1318 (12 20)的温度测量和控制，装置达到了所需指标，并经受了地面的振动试验。3 空间育种卫星综合环境测试空间育种卫星综合环境测
11、试为了搞清种子的变异机理，在空间育种卫星飞行试验中，必须提供必需的环境测试装置，对测试结果进行记录存贮，在卫星返回回收后取出这些数据，供农业育种专家在结果分析时参考。空间环境测试技术包括辐射剂量测试、微重力水平测试、真空度测试以及温度湿度的测试。其中真空度的测试在我国返回式卫星上还没有进行过飞行试验。4 试验的关键技术试验的关键技术上述各种萌发种子育种器的关键技术有以下几项。4.1 星内真空条件下的制冷技术如果要求对萌发种子样品室里的温度进行调节，需要对种子样品室进行加热或制冷控制，加热控制相对容易，而在空间环境下，育种卫星内没有制冷设备，必须另加制冷器。卫星上能源又比较紧张，星内又是真空状态
12、，制冷器散热很困难，只能采取辐射散热方式。因此，必须在给定的能源下，选择合适的制冷方式和制冷控制技术以及解决在真空环境下的散热问题。4.2 空间环境下长寿命高可靠性茯转驱动机构技术在空间真空环境下，对于运动机构来说有两个难点需要解决。一个是驱动元件工作在连续工作制下，本身要发热，而在空间环境下散热很难，只能依靠驱动元件自身辐射散热；旋转部件之间的润滑效能低，会出现所谓的“空间冷焊”现象，还有液体润滑剂的蒸发问题，因此必须解决空间环境下低蒸气压和低蒸发速度的润滑技术或固体润滑技术。保证驱动机构的长寿命和高可靠性。4.3 水分调节技术水分和空气对种子的萌发是必需的，但在空间环境微重力环境下，水分和
13、空气会发生混合，可能的情况是一些种子全浸没在水中，或者是完全暴露在空气中而不能萌发或生长，因此必须要有在微重力条件下的气液分离技术，要使萌发种子处于气液界面上，以达到种子既能吸取水分又能呼吸空气。这是一个新技术，难度比较大。5 充分利用现有的成熟技术充分利用现有的成熟技术1994 年 7 月我国第 17 颗返回式卫星上首次进行了微生物空间培养装置的飞行试验，取得了可喜的成果。该微生物空间培养装置的样品室对外密封，样品室内保持大气压，样品温度可在 035 cc 范围内进行调节。在国内首次解决了星内环境制冷和辐射剂量定位测量两项关键技术，可直接应用到萌发种子的育种器的研制中。在我国返回式卫星和神舟号飞船飞行试验中，利用研制的微重力测量仪对星内和船内的微重力水平进行了测量，取得了大量的数据资料。该技术也可直接应用于育种卫星内的微重力水平测量。此外，在以往我国返回式卫星飞行试验中还搭载了空间环境辐射剂量测量装置，也取得了大量的数据。6 实施建议实施建议(1)由工程总体部组织有关专家评审可控试验方案，确定试验目的、内容、项目、资源和约束、估算和确定经费、研制周期。(2)根据确定的使用要求，负责试验装置的研制。(3)试验装置应该经过初样阶段，初样研制 2 台产品，参加总装厂测试；正样 2 台，参加发射场测试和飞行试验。
