載人空間站第三批空間科學(xué)實驗樣品交接儀式。中國科學(xué)院供圖
(相關(guān)資料圖)
空間水稻原生稻和再生稻圖片，顯示空間稻穗與穎殼張開的表型。中國科學(xué)院供圖
【科技前沿】
12月4日，在太空中經(jīng)歷了120天全生命周期的水稻和擬南芥種子，跟隨神舟十四號飛船順利返航。這意味著我國在國際上首次成功開展了水稻從種子到種子全生命周期培養(yǎng)實驗。據(jù)介紹，這項研究的學(xué)名是“微重力條件下高等植物開花調(diào)控的分子機(jī)理”，由中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心鄭慧瓊團(tuán)隊承擔(dān)。那么，為什么要進(jìn)行這一實驗？又有哪些收獲？
為什么要把水稻和擬南芥送到太空
鄭慧瓊介紹，水稻是人類主要的糧食作物，養(yǎng)活了世界上近一半的人口，也是未來載人深空探測生命支持系統(tǒng)的主要候選糧食作物。利用空間微重力進(jìn)行水稻育種是空間植物學(xué)研究的重要方向之一。“種子既是人類的糧食，也是繁殖下一代植物的載體，人類要在空間長期生存，就必須要保證植物能夠在空間完成世代交替，成功繁殖種子。但是，之前國際上在空間只完成了擬南芥、油菜、豌豆和小麥從種子到種子的培養(yǎng)，而主要糧食作物水稻，此前尚沒有能夠在空間完成全生命周期的培養(yǎng)。”
而模式植物擬南芥主要承擔(dān)了“開花”部分的研究。鄭慧瓊說：“開花是結(jié)種子的前提，我們利用模式植物擬南芥，系統(tǒng)地研究了空間微重力對植物開花的影響。”
水稻和擬南芥的太空之旅經(jīng)歷了什么
鄭慧瓊介紹，在軌實驗從2022年7月29日注入營養(yǎng)液啟動實驗，至11月25日結(jié)束實驗，完成了擬南芥和水稻種子萌發(fā)、幼苗生長、開花結(jié)籽全生命周期的培養(yǎng)實驗。期間，航天員在軌進(jìn)行了三次樣品采集——9月21日孕穗期水稻樣品采集，10月12日擬南芥開花期樣品采集，11月25日水稻和擬南芥種子成熟期樣品采集。采集后，開花或孕穗期樣品保存于-80℃低溫存儲柜中，種子成熟期樣品保存于4℃低溫存儲柜。
鄭慧瓊說，本次主要完成了三項空間實驗內(nèi)容。第一，在軌完成了水稻從種子萌發(fā)、幼苗生長、抽穗和結(jié)籽全生命周期的培養(yǎng)實驗，并通過獲取圖像進(jìn)行分析。第二，完成了剪株后空間再生稻成功培育并結(jié)出了成熟的種子（二茬）。第三，在軌完成擬南芥種子萌發(fā)、幼苗生長和不同三個生物鐘調(diào)控的開花關(guān)鍵基因?qū)臻g微重力響應(yīng)的圖像觀察分析，并在軌采集了樣品。
如今，樣品已經(jīng)轉(zhuǎn)運至位于上海的中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心，做進(jìn)一步檢測分析。
實驗有哪些初步發(fā)現(xiàn)
通過對空間獲取的圖像分析，并與地面對照比較，發(fā)現(xiàn)空間微重力對水稻的多種農(nóng)藝性狀，包括株高、分蘗數(shù)、生長速率、水分調(diào)控、對光反應(yīng)、開花時間、種子發(fā)育過程以及結(jié)實率等多方面的影響。科學(xué)家們已經(jīng)得到了一些初步發(fā)現(xiàn)：
首先，發(fā)現(xiàn)水稻的株型在空間變得更為松散，主要是莖葉夾角變大；矮稈水稻變得更矮，高稈水稻的高度沒有受到明顯的影響。此外，生物鐘控制的水稻葉片生長螺旋上升運動在空間更為凸顯。
其次，水稻空間開花時間比地面略有提前，但是，灌漿時間延長了10多天，大部分穎殼不能關(guān)閉。鄭慧瓊說：“開花時間和穎殼閉合均是水稻的重要農(nóng)藝性狀，二者在保障植物充分的生殖生長以獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)種子方面都有重要作用，此過程受到基因表達(dá)的調(diào)控，后續(xù)將利用返回樣品進(jìn)一步分析。”
再次，在空間進(jìn)行再生稻實驗并獲得再生稻的種子。鄭慧瓊說：“從剪株20天后就可以再生出兩個稻穗，說明空間狹小的封閉環(huán)境中再生稻是可行的，這為空間作物的高效生產(chǎn)提供了新的思路和實驗證據(jù)。該技術(shù)可以大大增加單位體積中的水稻產(chǎn)量，也是國際上首次在空間嘗試的再生稻技術(shù)。”
最后，首次對空間生物鐘調(diào)控光周期開花的關(guān)鍵基因進(jìn)行研究。利用基因突變和轉(zhuǎn)基因的方法，構(gòu)建了三種不同開花時間的擬南芥，分別是：提前開花，延遲開花和正常開花（野生型）。鄭慧瓊介紹，通過對空間擬南芥生長發(fā)育的圖譜觀察與分析，發(fā)現(xiàn)開花關(guān)鍵基因?qū)ξ⒅亓Φ捻憫?yīng)與地面有明顯的差異，其中在地面提早開花的擬南芥在微重力條件下開花時間也大大延長。“此外，生物鐘基因突變后，空間擬南芥的下胚軸過度伸長，說明生物鐘基因表達(dá)對于維持?jǐn)M南芥在空間生長的正常形態(tài)和適應(yīng)空間環(huán)境非常重要，為今后利用改造開花基因來促進(jìn)植物適應(yīng)空間微重力環(huán)境提供了新方向。后續(xù)研究團(tuán)隊將進(jìn)一步利用返回材料對擬南芥適應(yīng)空間環(huán)境的分子基礎(chǔ)進(jìn)行深入解析。”（本報記者 齊芳 顏維琦）
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