世界首次！我國完成水稻全生命週期空間培養實驗

◎ 科技日報記者 陸成寬

水稻的種子，到了太空能萌發、生長、開花，進而產生種子嗎？我國的空間科學實驗給出了答案。

12月4日，神舟十四號載人飛船返回艙在東風着陸場成功着陸。當天，隨艙返回的水稻和擬南芥種子，連同其他空間科學實驗樣品交付空間應用系統。

航天員在軌進行三次樣品採集

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。

然而，之前國際上只在空間完成了擬南芥、油菜、豌豆和小麥從種子到種子的培養，而主要糧食作物水稻並沒有在空間完成全生命週期的培養。

“我們在國際上首次完成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，我們還利用模式植物擬南芥，系統地研究了空間微重力對植物開花的影響。”中國科學院分子植物科學卓越創新中心研究員鄭慧瓊告訴記者。

在我國空間站生命科學項目中，鄭慧瓊帶領的研究團隊承擔了“微重力條件下高等植物開花調控的分子機理”項目。

鄭慧瓊介紹，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，“微重力條件下高等植物開花調控的分子機理”項目共開展在軌實驗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℃低温存儲櫃中，種子成熟期樣品保存於4℃低温存儲櫃。12月4日，這些樣品隨神舟十四號返回地面。按計劃，樣品在北京交接後，將被轉運至上海實驗室做進一步檢測分析。

鄭慧瓊表示，本次空間項目在軌完成了水稻從種子萌發、幼苗生長、抽穗和結籽全生命週期的培養實驗併成功獲取相關圖像；成功完成剪株後空間再生稻培育並結出了成熟的種子，即二茬種子；完成了擬南芥種子萌發、幼苗生長和三個不同生物鐘調控的開花關鍵基因對空間微重力響應的圖像觀察分析，並在軌採集了樣品。

空間微重力影響水稻的多種農藝性狀

“通過對空間獲取的圖像進行分析，並與地面對照組比較，我們發現了空間微重力對水稻的多種農藝性狀的影響，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。”鄭慧瓊説。

在軌實驗初步發現，水稻的株型在空間變得更為鬆散，矮稈水稻變得更矮，高稈水稻的高度沒有受到明顯影響。 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。

“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。”鄭慧瓊説，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、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，後續我們將利用返回樣品進一步分析。

同時，項目還在空間進行了再生稻實驗並獲得再生稻的種子。“剪株20天后就再生出了2個稻穗，説明空間狹小的封閉環境中再生稻是可行的。這為空間作物的高效生產提供了新的思路和實驗證據。”鄭慧瓊表示，該技術可以大大增加單位體積的水稻產量，也是國際上首次在空間嘗試的再生稻技術。

此外，項目還首次對空間生物鐘調控光週期開花的關鍵基因進行了研究。利用基因突變和轉基因的方法，研究人員構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）。

通過對空間擬南芥生長發育的圖譜進行觀察與分析，研究人員發現，開花關鍵基因對微重力的響應與地面有明顯的差異。其中，在地面提早開花的擬南芥在空間微重力條件下開花時間也大大延長。

“生物鐘基因突變後，空間擬南芥的下胚軸過度伸長，説明生物鐘基因表達對於維持擬南芥在空間生長的正常形態和適應空間環境非常重要，這為今後利用改造開花基因來促進植物適應空間微重力環境提供了新方向。”鄭慧瓊説，後續研究團隊將進一步利用返回材料對擬南芥適應空間環境的分子基礎進行深入解析。

來源：科技日報 文中圖片均由中科院提供