水稻種子的太空“奇幻漂流”

上海科技獎勵研究成果科普化特別報道

我國科學(xué)家在國際上首次在空間完成了水稻從種子到種子全生命周期的培養(yǎng)實(shí)驗，這一突破為未來載人深空探測的糧食保障帶來了新的曙光。

在太空種水稻

人類探索宇宙的腳步從未停歇，走出地球、邁向深空一直是我們的夢想。然而，要想實(shí)現(xiàn)在月球、火星建立基地，開啟星際生活的夢想，一個現(xiàn)實(shí)的問題擺在眼前——如何在太空獲取足夠的食物？

自20世紀(jì)40年代空間生物學(xué)誕生，“如何在空間微重力環(huán)境中獲得種子”一直都是各航天大國空間生物實(shí)驗的重要目標(biāo)之一。但是，國內(nèi)外大多數(shù)空間植物學(xué)實(shí)驗都是20天以內(nèi)的幼苗生長階段或干種子空間搭載實(shí)驗，只有油菜、豌豆、小麥和擬南芥少數(shù)幾種植物在空間完成了從種子到種子的實(shí)驗。在2022年之前，水稻在太空的全生命周期培養(yǎng)研究一直是空白。作為養(yǎng)活世界近一半人口的主要糧食作物，水稻若能在太空成功種植，將為未來載人深空探測和星際定居提供關(guān)鍵的糧食保障。

2022年，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心鄭慧瓊研究團(tuán)隊和中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所張濤團(tuán)隊共同完成了“空間微重力對植物從種子到種子生長發(fā)育作用機(jī)理研究”項目。項目利用“實(shí)踐十號”科學(xué)實(shí)驗衛(wèi)星、“天宮二號”空間實(shí)驗室和天宮空間站系統(tǒng)地研究了擬南芥和水稻在空間生長發(fā)育變化的規(guī)律，以及微重力條件下植物開花時間控制的分子途徑，在國際上首次在空間完成了水稻從種子到種子全生命周期的培養(yǎng)實(shí)驗。

2022年7月24日，問天實(shí)驗艙成功發(fā)射，它搭載了生命生態(tài)實(shí)驗柜等科學(xué)實(shí)驗柜。7月28日，水稻和擬南芥種子實(shí)驗單元被航天員小心翼翼地安裝到問天實(shí)驗艙的通用生物實(shí)驗?zāi)K中，開啟了為期120天的太空生長之旅。在這120天里，航天員如同勤勞的園丁，精心照料著這些水稻，通過攝像頭實(shí)時監(jiān)控水稻的生長情況，見證它們經(jīng)歷種子萌發(fā)、幼苗生長、抽穗開花、灌漿結(jié)籽4個關(guān)鍵階段。

水稻在問天艙生命生態(tài)實(shí)驗柜通用生物培養(yǎng)模塊中完成從種子到種子全生命周期不同發(fā)育階段代表性圖片

（圖像上的數(shù)字表示注入營養(yǎng)液啟動實(shí)驗后的天數(shù)）

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

（圖片來源：中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心）

微重力下的奇妙生長

在地球上，重力引導(dǎo)植物的根向下生長，莖向上生長，一切都顯得自然有序。但是，在太空微重力環(huán)境下，水稻的生長模式變得截然不同。

水稻幼苗的莖葉生長方向變得隨機(jī)，葉片經(jīng)常會疊在一起，就像一群迷失方向的舞者，這使得它們無法像在地球上那樣高效利用光能進(jìn)行光合作用。隨著水稻的生長，其株型也發(fā)生了顯著變化，變得更為松散，莖葉夾角變大。矮稈水稻變得更矮，高稈水稻的“身高”卻沒受到明顯影響，就好像太空對不同“身高”的水稻有著不同的“偏愛”。

更有趣的是，水稻葉片在太空中呈螺旋上升生長運(yùn)動比在地球上更加突出，仿佛在太空中跳起了獨(dú)特的“螺旋舞蹈”。這一現(xiàn)象讓科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)微重力會放大植物的內(nèi)在生長節(jié)律。

水稻在太空中的開花和灌漿時間與地球上也有差異。開花時間比地面略有提前，灌漿時間卻延長了10多天，而且大部分穎殼無法關(guān)閉。穎殼閉合對保護(hù)種子發(fā)育至關(guān)重要，“關(guān)不上門”的穎殼讓種子的發(fā)育充滿了不確定性。這些變化背后，隱藏著復(fù)雜的基因調(diào)控機(jī)制。不過，令人欣慰的是，通過實(shí)時圖像記錄，科學(xué)家見證了水稻從抽穗到結(jié)籽的完整過程，最終收獲了國際上首批太空發(fā)育的水稻種子。

再生稻：太空農(nóng)業(yè)的新希望

在這次的太空水稻實(shí)驗中，再生稻技術(shù)的成功應(yīng)用是一大亮點(diǎn)，為太空農(nóng)業(yè)帶來了新的希望。

再生稻技術(shù)，簡單來說，就是在水稻收割后，利用稻樁上的休眠芽再次生長出稻穗的技術(shù)。在地球上，這項技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但在太空嘗試還是首次。在問天實(shí)驗艙內(nèi)，當(dāng)原生稻穗成熟后，航天員剪去上部植株。20天后，稻茬上竟然冒出2個飽滿的稻穗，并成功結(jié)出了成熟的種子！這一成果不僅證明了再生稻技術(shù)在空間狹小的封閉環(huán)境中的可行性，更為未來空間作物的高效生產(chǎn)提供了全新的思路。這一過程讓我們看到了植物在極端環(huán)境下頑強(qiáng)的生命力和適應(yīng)能力，也為后續(xù)研究植物在微重力環(huán)境下的生長規(guī)律和分子機(jī)制提供了重要線索。

擬南芥開花的秘密

除了水稻之外，擬南芥也在這次太空之旅中有精彩表現(xiàn)。作為模式植物，擬南芥幫助科學(xué)家研究空間微重力對植物開花的影響。

科學(xué)家用基因突變和轉(zhuǎn)基因的方法，造出了3種不同開花時間的擬南芥：提前開花、延遲開花和正常開花（野生型）。在太空里，這些擬南芥的表現(xiàn)和在地球上大不一樣。原本在地面提早開花的擬南芥，到了太空，開花時間大大延長，就像被太空施了“遲緩魔法”。而且，生物鐘基因突變后，空間擬南芥的下胚軸過度伸長。

這揭示了一個關(guān)鍵規(guī)律：微重力會打亂植物的“生物鐘”，讓控制開花的基因“作息紊亂”。科學(xué)家可以根據(jù)這些發(fā)現(xiàn)改造開花基因，讓植物在太空長得更好。

未來的太空稻香

我國在太空種稻領(lǐng)域的研究雖然起步較晚，但發(fā)展迅速。從早期利用返回式衛(wèi)星進(jìn)行干種子搭載實(shí)驗，到如今在空間站實(shí)現(xiàn)水稻從種子到種子，再到再生稻種子的實(shí)驗，每一步都凝聚著科學(xué)家的智慧和努力，標(biāo)志著我國在空間植物學(xué)研究領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展。

太空種稻的成功，不僅標(biāo)志著我國在空間植物學(xué)領(lǐng)域取得了重大突破，更為未來載人深空探測提供了堅實(shí)的物質(zhì)保障。隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，人類必然要進(jìn)行更長時間、更遠(yuǎn)距離的太空探索。在這個過程中，如何保障航天員的糧食供應(yīng)，將成為必須面對的問題。太空種稻技術(shù)的成功應(yīng)用，為解決這一問題提供了可能。通過不斷優(yōu)化空間植物培養(yǎng)裝置和技術(shù)手段，未來我們有望在太空中實(shí)現(xiàn)糧食的自給自足。

本文相關(guān)成果“空間微重力對植物從種子到種子生長發(fā)育作用機(jī)理研究”榮獲2023年上海市科技進(jìn)步獎二等獎。

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