國際首次！中國空間站種出的水稻種子長這樣

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。當天，經歷了120天全生命週期的水稻和擬南芥種子，隨同其他載人空間科學實驗樣品交付空間應用系統。

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。利用空間微重力進行水稻育種也是空間植物學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，而主要糧食作物水稻，此前尚沒有能夠在空間完成水稻全生命週期的培養。

在我國空間站生命科學項目中，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，樣品隨神舟十四號返回地面。按計劃在北京交接樣品後，轉運至上海實驗室中做進一步檢測分析。

本次空間項目主要完成的實驗內容包括：（1）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並通過獲取圖像進行分析；（2）完成了剪株後空間再生稻成功培育並結出了成熟的種子（二茬）。（3）在軌完成擬南芥種子萌發、幼苗生長和不同三個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。

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。

圖2 空間再生水稻的過程圖像，圖中的時間為剪株後的天數。

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。

通過對空間獲取的圖像分析，並與地面對照比較，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。實驗初步發現：

（1）水稻的株型在空間變得更為鬆散，主要是莖葉夾角變大； 矮杆水稻變得更矮，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。

（2）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。

（3）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），説明空間狹小的封閉環境中再生稻是可行的，為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。

（4）首次對空間生物鐘調控光週期開花的關鍵基因進行研究。利用基因突變和轉基因的方法，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普觀察與分析，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微重力條件下開花時間也大大的延長。

此外，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，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。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。