“上天”的水稻回來了！它們在太空完成了國際上首次全生命週期培養實驗

白浪 設計

那些“上天”的水稻種子，又結出種子回來了！北京時間2022年12月4日20時09分，神舟十四號載人飛船返回艙在東風着陸場成功着陸。澎湃新聞記者從中國科學院獲悉，當天，隨艙下行的載人空間站第三批空間科學實驗樣品在着陸場交付空間應用系統，並於12月5日凌晨返回北京，順利運抵中科院空間應用工程與技術中心，空間應用系統總體與相關實驗人員進行了實驗樣品基本狀態的檢查，確認返回樣品完好後，順利交接相關實驗科學家。

圖1 水稻在問天艙生命生態實驗櫃通用生物培養模塊中完成從種子到種子全生命週期不同發育階段代表性圖片。圖像上的數字表示注入營養液啓動實驗後的天數。本文圖片 中國科學院分子植物科學卓越創新中心供圖

據瞭解，返回的樣品包括3個生物樣品冷包和1個無容器樣品袋，3個生物樣品冷包裝載的是水稻和擬南芥的實驗樣品。其中，水稻和擬南芥種子經歷了120天的空間培育生長，完成了從種子到種子的發育全過程，是國際上首次在軌獲得水稻種子。目前，返回水稻和擬南芥樣品一部分已做固定處理，水稻種子將帶回中科院分子植物卓越中心實驗室繼續培養。科學家將對返回樣品進行分子生物學、細胞學和代謝等相關分析，通過檢測及分析研究，解析空間微重力對於擬南芥和水稻作用的規律和分子基礎，爲進一步創制適應空間環境的作物和開發利用空間微重力環境資源提供理論依據。

中科院分子植物卓越中心鄭慧瓊研究員對返回水稻和擬南芥科學實驗樣品進行分解與固化。中科院空間應用中心 供圖

中科院分子植物卓越中心鄭慧瓊研究員對返回水稻和擬南芥科學實驗樣品進行分解與固化。中科院空間應用中心 供圖

中科院分子植物卓越中心鄭慧瓊研究員對返回水稻和擬南芥科學實驗樣品進行分解與固化。中科院空間應用中心 供圖

在軌開展實驗120天水稻是人類主要的糧食作物，養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的主要候選糧食作物。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，主要糧食作物水稻，尚沒有能夠在空間完成水稻全生命週期的培養。中國科學院分子植物科學卓越創新中心鄭慧瓊研究團隊承擔了“微重力條件下高等植物開花調控的分子機理”，在國際上首次開展了水稻從種子到種子全生命週期培養實驗。同時，開花是結種子的前提，研究團隊利用模式植物擬南芥，也系統地研究了空間微重力對植物開花的影響。從2022年7月29日注入營養液啓動實驗，至11月25日結束實驗，本項目共在軌開展實驗120天，完成了擬南芥和水稻種子萌發、幼苗生長、開花結籽全生命週期的培養實驗。期間航天員在軌進行了三次樣品採集，包括9月21日孕穗期水稻樣品採集；10月12日擬南芥開花期樣品採集和11月25日水稻和擬南芥種子成熟期樣品採集。採集後，開花或孕穗期樣品保存於-80℃低溫存儲櫃中，種子成熟期樣品保存於4℃低溫存儲櫃，並於12月4日樣品將隨神舟十四號返回地面。計劃在北京交接樣品後，轉運至上海實驗室做進一步檢測分析。證明空間狹小封閉環境中再生稻可行性令人欣喜的是，通過對空間獲取的圖像分析，並與地面對照比較，鄭慧瓊研究團隊已經獲得了一些發現。該團隊發現空間微重力對水稻的多種農藝性狀，包括株高、分櫱數、生長速率、水分調控、對光反應、開花時間、種子發育過程以及結實率等多方面的影響。

圖2 空間再生水稻的過程圖像，圖中的時間爲剪株後的天數。

圖3 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。

本次實驗初步發現，水稻的株型在空間變得更爲鬆散，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爲凸顯。此外，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，大部分穎殼不能關閉（圖1和圖3）。開花時間和穎殼閉合均是水稻的重要農藝性狀，二者在保障植物充分的生殖生長是獲得高產優質種子方面都有重要作用，此過程受到基因表達的調控，後續將利用返回樣品進一步分析。本次實驗在空間進行再生稻實驗，並獲得再生稻的種子。從剪株20天后就可以再生出了2個稻穗（圖2和圖3），說明空間狹小的封閉環境中再生稻是可行的，爲空間作物的高效生產提供了新的思路和實驗證據。該技術可以大大增加單位體積中的水稻產量，也是國際上首次在空間嘗試的再生稻技術。