今年，中国航天最重要的事件，无疑是嫦娥六号探测器顺利登陆月球背面并安全返航。自5月3日，搭载嫦娥六号探测器的长征五号遥八运载火箭在海南文昌航天发射场点火发射，至6月25日，嫦娥六号返回器准确着陆于内蒙古四子王旗预定区域，53天的奔月之旅，嫦娥六号不仅安全带回了宝贵的月壤，还有一批用于航天育种研究的水稻种子。
嫦娥五号搭载的种子
近日，这批水稻种子已由位于华南农业大学的国家植物航天育种工程技术研究中心团队完成了第一个育种世代的研究；月壤的研究成果也由中国科学院广州地球化学研究所团队发布于《科学》杂志。月稻和月壤中蕴含着哪些科技奥秘？本期《科技周刊》，我们邀请广州科学家为大家一一解答。
原理：
深空环境促进基因的改变
任何动植物的育种，都需要围绕变异来开展。变异的本质是遗传物质突变，最终导致动植物的性状发生变化。而育种则是通过人工选择，让动植物的优良性状得以保留。
谈到航天育种，国家植物航天育种工程技术研究中心主任郭涛告诉记者，任何动植物的育种，都需要围绕变异来开展。变异的本质是遗传物质突变，最终导致动植物的性状发生变化。而育种则是通过人工选择，让动植物的优良性状得以保留。因此，创造变异，是我们培育植物新品种的基础。
航天育种始自诱变育种。大约100年前，科学家们将X射线长期照射果蝇后发现，果蝇的后代发生了很多性状变化，如翅膀大小的变化、体形的变化等。这让科学家意识到，人类可以利用射线诱发生物的遗传物质产生突变，这就是诱变育种的起源。从基因突变的角度讲，射线的照射会使得生物基因中的DNA断裂，这时，生物会启动DNA断裂修复，但这种修复有时并不是完全准确，这就产生了基因突变。
华农是国内最早一批开展植物航天育种的科研院所
随着核能的和平利用，20世纪60年代起，我国便建立了一大批利用核能诱发种子变异、服务于农业生产的科学装置。到了20世纪90年代，随着我国掌握了返回式卫星技术，利用太空环境（如高能辐射、微重力等）进行育种的科研项目也随之启动，华南农业大学是国内最早一批开展植物航天育种的科研院所，2009年，华农获批成立国家植物航天育种工程技术研究中心。
“航天育种拓展了农作物品种选育的基础，增加了基因变异的来源。”郭涛告诉记者，随着嫦娥探测器带着种子脱离近地轨道飞向月球，变异效率将会比近地轨道时更高，“飞行器在近地轨道时，地球磁场依然能屏蔽不少宇宙中的射线，而嫦娥系列探测器飞向深空时，地球磁场的屏蔽作用消失，并且长时间的太空旅行，可以让种子接受更多宇宙射线照射，从而产生更多基因突变。这些基因突变的出现，也成为培育新品种的基础。”
研究：
突变水稻有两种培育方式
“我们已撰写了嫦娥五号与水稻遗传变异的相关专著，目前这本书已处在筹措出版阶段。而针对嫦娥六号带回的水稻种子，目前还处于早期研究阶段。”郭涛告诉记者，2020年11月，伴随着嫦娥五号探测器返回地面，国家植物航天育种工程技术研究中心随即对其带回的水稻种子展开科研。
嫦娥六号带回来的种子已经试种收割
郭涛表示，科学家一方面可以直接利用突变体水稻选育新品种，目前，由嫦娥五号所载稻种选育出的两个新品系水稻已在进行新品种认定；另一方面，科学家们还可以利用杂交育种、杂种优势利用等手段，培育杂交水稻。“这两种育种手段，我们都在不断进行尝试。毋庸置疑的是，我们通过嫦娥五号、嫦娥六号等在空间环境中获得的水稻基因突变，是我们使用传统手段难以获得的，这也是航天育种的重要意义所在。”
嫦娥六号搭载的种子在田间的种植表现（今年11月）。
谈到今年的嫦娥六号登月，郭涛告诉记者，这次华南农业大学共获得40克（约2000粒）探月归来的水稻种子。其中一部分种子已经试种，并已在11月收割，“嫦娥六号我们做的研究肯定跟嫦娥五号不一样。嫦娥五号，我们系统地研究了深空环境对水稻遗传上的影响，如基因突变、基因表达等，而嫦娥六号，我们则是针对嫦娥五号中发现的关键调控基因进行研究，比如，这些基因是否仍然能起到调控变异的作用等。”
转化：
已产生70多个水稻新品种
尽管目前探月水稻的科技成果还在研发之中，但水稻航天育种所带来的福利，我们所有人都可能在不知不觉中享用过。
郭涛告诉记者：“利用航天育种技术，我们已经培育出4个超级稻品种，目前已经有70多个航天水稻品种在生产上应用，我们的航天超级稻‘Y两优1173’‘五优1179’，平均亩产能达到751.7公斤和732公斤，在华南地区推广已超过1000万亩，而所有航天水稻品种累计推广面积已超过1亿亩。”
3月29日，研究人员在广州增城华南农业大学试验田插种嫦娥五号搭载的太空稻秧苗。新华社发
郭涛还特地向记者介绍“华航香银针”优质稻米，该水稻早期的种子样本就来自神舟系列飞船，“2022年刚通过审定的品种‘华航香银针’，现在已经成为广东省优质常规香型丝苗米的新标杆。它产量高、口感好，最高产量达到723.5公斤/亩，而至于米的口味香气，我们做过盲测，一批评委品尝各个品种水稻做成的米饭，‘华航香银针’的得分超过了泰国香米，荣登第一名。目前，这个品种的水稻正在华南地区大力推广种植。”
稻种的航天科研之旅
飞向深空接受宇宙射线照射
种子“乘坐”嫦娥探测器脱离近地轨道飞向月球，变异效率将会比近地轨道时更高——飞行器在近地轨道时，地球磁场依然能屏蔽不少宇宙中的射线，而嫦娥系列探测器飞向深空时，地球磁场的屏蔽作用消失，并且长时间的太空旅行，可以让种子接受更多宇宙射线照射，从而产生更多基因突变。
返回地球进行基因测序
经过3年多的努力，科研人员完成了对这些月球水稻的基因测序。他们在这些水稻中共发现了5053325个突变位点，平均每个材料的突变位点数达到12960个，“目前看，嫦娥五号上所载水稻的基因突变频率比我们在地面上使用射线进行诱变育种的突变频率高出两个数量级。”
基因的改变直接导致了性状的改变。最终，在嫦娥五号带回的这批水稻种子里，科学家们共发现了150个农艺性状突变体，53个粒型突变体，47个氮响应突变体，17个耐碱胁迫突变体，12个耐盐胁迫突变体，49个耐旱胁迫突变体，27个耐冷胁迫突变体，20个抗稻瘟病突变体。“针对以上这375个突变体，我们已经构建了相关突变体库，这将为水稻育种提供重要的材料来源。”郭涛介绍，氮响应、耐碱、耐盐、耐冷突变性状，意味着水稻将可以更好地适应环境胁迫，在育种中具有重要价值。
广州科学家最新月壤研究成果登陆《Science》
除了去往月球的水稻种子，嫦娥五号、嫦娥六号带回的月壤也是广州科学家的主要研究对象。11月15日，由中国科学院广州地球化学研究所徐义刚研究员领衔的研究团队在《Science》上发表了他们对于月球背面月壤的最新研究成果，首次揭示月球背面同样存在着年轻的岩浆活动，为揭示月球二分性、完善全月演化框架提供了关键科学证据。月球的二分性是指月球正面和背面在形貌、成分、月壳厚度、岩浆活动等方面存在的显著差异，但其形成机制仍未得到解决，成为月球科学最基本的问题之一。
科研人员使用离子探针对月壤进行实验。
为月壤做“CT扫描”
在中国科学院广州地球化学研究所，团队高级工程师张乐接受记者的专访。今年6月25日，嫦娥六号共采集1935.3克月壤样品返回地球。8月底，广州地化所获批了3.5克珍贵的嫦娥六号月壤样品。
张乐告诉记者，嫦娥六号着陆在月球背面一个古火山熔岩区，团队很想知道，这片火山是什么时候喷发的，这对研究月球的火山活动很有意义。
科学家们需要在非常细小的月壤中，挑出稍微大一些的颗粒，研究这些颗粒是不是由火山喷发形成的，“这种颗粒非常难找，我们拿到的月壤中达到毫米级的仅有二三十颗，其他挑选出来的颗粒大部分的直径都在几十微米到几百微米之间。这些毫米级的月壤颗粒经显微CT扫描，就可以看到内部结构，帮助我们判断它是否为火山喷发形成的。”
张乐同时表示：“由于月球表面没有大气和水流，所以月壤和地球上的土壤有很大的区别。月壤虽然很细小，但显微镜下，都是棱角分明的，没有那种磨圆的颗粒出现。”
利用铀铅同位素获取火山熔岩喷发时代
在识别出月壤中的火山熔岩碎屑后，研究人员面临的工作是如何确定着陆区火山熔岩的喷发时间。
在张乐的带领下，记者见到了分析月背火山喷发年龄的神器——离子探针。该仪器属于磁式质谱。采用聚焦的氧离子流轰击月壤样品表面，将样品中的各种元素激发为带电粒子进入仪器的飞行管道。在各种复杂的电场和磁场作用下，选择需要的带电粒子进行检测。
离子探针实验室的杨晴高级工程师介绍，确定嫦娥六号火山熔岩喷发时代用到了铀-铅放射性同位素体系。铀-238的半衰期长达45亿年，比较适合用于宇宙天体这种大时间尺度的科研对象进行准确的年代测量。“考古领域用到的碳-14测年法的原理和我们采用的铀-铅法的原理是一样的。只不过碳-14的半衰期要短很多。”杨晴介绍，离子探针分析表明嫦娥六号火山熔岩在距今28.3亿年前喷发形成，证明月球背面同月球正面一样，存在＜30亿年的火山活动。
张乐告诉记者，除了研究着陆区的火山熔岩外，嫦娥六号月壤中还有大量的月球高地物质。这些物质对于认识月球背面物质组成是十分有意义的。嫦娥六号月壤作为人类首份月球背面的样品，任何新的发现无疑都是意义重大的。科学家需要持续深入地开展相关研究，从中发掘新的认识。
2021年，第十三届珠海航展中展出的嫦娥五号探月任务中存放的编号GYFM002月壤样本。（资料图片）
月壤颗粒比想象的更细
张乐介绍：“拿到月壤之后，我们就赶紧返回广州，但是到了机场等飞机的时候，几个人就有点按捺不住，想亲眼看看月壤到底是什么样子，根据之前的经验，我们知道月壤肯定是比较细小的，但到底有多么细小却不清楚。我们就打开手机的手电筒，透过玻璃瓶，我们看到了灰黑色、粉末状的月壤。当时，我的直观感受就是月壤非常的细小，比我们想象的更细。”
当天下午，一下飞机，研究人员便带着月壤直奔单位，“在拿到样品之前，我们研究所就动员了30多位科研工作者参与样品的测试分析和相关的研究。大家各司其职，严阵以待，样品一到所里，大家立刻就投入到样品的测试和研究中。”
文、图/广州日报新花城记者：武威
