问天实验舱育出中国太空水稻——有望完成首次从“种子到种子”的培养 | 涨知识
转自：上观新闻
作者：耿挺
过去一个月，距离地球400公里的中国空间站问天实验舱里，一群来自中国的水稻种子和拟南芥种子已经完成发芽，并正在茁壮成长。
水
稻
中科院分子植物科学卓越创新中心郑慧琼研究员欣喜地表示，自7月29日启动“微重力条件下高等植物开花调控的分子机理”生命科学实验以来，水稻和拟南芥的生长符合预期。
郑慧琼期待能够在国际上首次完成空间微重力条件下水稻从“种子到种子”全生命周期的培养实验，并通过分析比较两种模式植物在空间环境中开花途径关键基因的表达及其调控网络的变化，解析空间微重力对于长日和短日植物开花的分子机理，为进一步创制适应空间环境的作物和开发利用空间微重力环境资源提供理论依据。
水稻生长
农作物开花结果
对于太空探索至关重要
自从上世纪50年代人类发射第一颗人造卫星以来，如何利用植物保障人类在地外环境中生存所需要的食物、氧气和纯净水，成了空间生命科学最为关注的问题。
中科院院士、中科院分子植物科学卓越创新中心主任韩斌说，地外的高真空、微重力、人造环境，对于植物究竟会产生什么样的影响？我们该如何培育适合在太空中生产的农作物，建立以植物为基础的空间生物再生生命支持系统？这些问题都关系到人类未来走出地球的脚步。
自1963年以来，国际上研制了21台空间植物培养箱或实验模块，开展了50多项空间植物培养实验，实现了在空间环境中养活植物，使其能够萌发、生长、开花和产生种子。此外，一些基本的空间植物生物学问题，如植物的向性生长，根的形成、萌发，种子成分，基因和蛋白质的表达变化等问题，也有了较为深入的研究。
韩斌指出，目前科学家们的研究重点逐渐由对植物幼苗阶段的研究扩展至种子生产研究。事实上，开花结果对于农作物来说，至关重要。尤其是一旦人类进入深空探索，如移民火星，或是长期航行，都需要太空中的农作物不仅实现足够的产量，还能够进行稳定的遗传，确保一代代都可以进行种植。
然而，如今只有油菜、小麦和豌豆少数几种作物在空间完成了从种子到种子的实验。“植物与人和动物一样，进入太空失重环境，会发生各种‘航天综合征’。”郑慧琼说，空间站里植物虽然活得长，却开花晚、长得慢、吐水多、方向乱、运动慢，“例如，国际空间站的小麦结实率比地面低得多。而水稻在地面的重力环境下会笔直向上生长，但在空间站里却散开来生长”。
解答三个关键科学问题
“我们研究组对于植物在太空中的研究早在2002年就已经开始。”郑慧琼说，当时受制于中国航天器在轨的时间和条件限制，只能选取植物生长过程中的一部分加以研究，包括2002年神舟四号的空间细胞融合、2006年实践八号的空间开花和传粉、2008年神舟八号的空间细胞培养、2016年实践十号的空间光周期调控开花和天宫二号的拟南芥从种子到种子培养，“现在中国空间站给了我们足够实践，可以完成中国重要农作物水稻的从种子到种子培育”。
2022年7月24日，我国空间站问天实验舱成功发射并与天和核心舱交会对接，问天实验舱搭载了生命生态实验柜、生物技术实验柜等科学实验柜。7月28日，载有实验样品拟南芥种子和水稻种子的实验单元，由航天员安装至问天实验舱的生命生态通用实验模块中，通过地面程序注入指令于7月29日启动实验。“微重力条件下高等植物开花调控的分子机理”生命科学实验由此开启。
郑慧琼介绍说，该实验主要内容包括：空间微重力条件下拟南芥和水稻从种子到种子全生命周期受到的影响和变化规律；解析微重力调控长日和短日植物开花的分子基础，鉴定微重力作用的关键基因；解析长期空间微重力条件下植物对空间环境可能的适应性机制。
拟南芥生长
郑慧琼希望实验能解答三个关键科学问题：微重力怎样影响开花？微重力影响植物开花的分子机理是什么？能否利用微重力环境作用来控制植物的开花？此次实验选取的拟南芥和水稻是两种代表性的模式植物，前者代表双子叶、长日、十字花科植物，很多蔬菜，如青菜、油菜等都属于十字花科；而后者代表单子叶、短日、禾本科植物，很多粮食类作物，如小麦、玉米等属于禾本科。
寻找可以改造的基因
8月29日，“微重力条件下高等植物开花调控的分子机理”生命科学实验已经进行了一个月。从中国空间站传回的画面来看，拟南芥和水稻的种子按时萌发，拟南芥幼苗已长出多片叶子，高秆水稻幼苗已长至30厘米左右高，矮秆水稻也有5-6厘米高。
郑慧琼研究组曾在天宫二号中完成了拟南芥从种子到种子的实验，因此对拟南芥中调控微重力环境中的基因和蛋白进行了对照研究。在此次中国空间站的实验中，拟南芥的基因中被添加了微重力敏感蛋白启动子等元素，实现了提早开花的预期结果。这意味着，可以通过转基因等人为手段，让地面的植物变得更加适应太空环境，而科学家的任务是把这些潜在的基因找出来。
太空中的水稻
与改造过的拟南芥相比，此次在空间站里的水稻是正常的品种。在微重力环境中，水稻叶片不再笔直向上，而是“慵懒”地趴在地面上和壁面上。郑慧琼表示，水稻总体生长符合预期，继续培养有望在空间首次结出种子。后续将完成拟南芥和水稻在空间从种子到种子全生命周期的实验，并在实验过程中由航天员采集样品、冷冻保存，最终随航天员返回地面进行分析。
上观号作者：上海科协