國(guó)際首次！中國(guó)空間站種出的水稻種子長(zhǎng)這樣

　　北京時(shí)間2022年12月4日20時(shí)09分，神舟十四號(hào)載人飛船返回艙在東風(fēng)著陸場(chǎng)成功著陸。當(dāng)天，經(jīng)歷了120天全生命周期的水稻和擬南芥種子，隨同其他載人空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)樣品交付空間應(yīng)用系統(tǒng)。

　　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(lái)載人深空探測(cè)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)行水稻育種也是空間植物學(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(zhǎng)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(guó)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(méi)有能夠在空間完成水稻全生命周期的培養(yǎng)。

　　在我國(guó)空間站生命科學(xué)項(xiàng)目中，中國(guó)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(duì)承擔(dān)了“微重力條件下高等植物開(kāi)花調(diào)控的分子機(jī)理”，在國(guó)際上首次開(kāi)展了水稻從種子到種子全生命周期培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，開(kāi)花是結(jié)種子的前提，研究團(tuán)隊(duì)利用模式植物擬南芥，也系統(tǒng)地研究了空間微重力對(duì)植物開(kāi)花的影響。

　　從2022年7月29日注入營(yíng)養(yǎng)液?jiǎn)?dòng)實(shí)驗(yàn)，至11月25日結(jié)束實(shí)驗(yàn)，本項(xiàng)目共在軌開(kāi)展實(shí)驗(yàn)120天，完成了擬南芥和水稻種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)、開(kāi)花結(jié)籽全生命周期的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。期間航天員在軌進(jìn)行了三次樣品采集，包括9月21日孕穗期水稻樣品采集；10月12日擬南芥開(kāi)花期樣品采集和11月25日水稻和擬南芥種子成熟期樣品采集。采集后，開(kāi)花或孕穗期樣品保存于-80℃低溫存儲(chǔ)柜中，種子成熟期樣品保存于4℃低溫存儲(chǔ)柜。12月4日，樣品隨神舟十四號(hào)返回地面。按計(jì)劃在北京交接樣品后，轉(zhuǎn)運(yùn)至上海實(shí)驗(yàn)室中做進(jìn)一步檢測(cè)分析。

　　本次空間項(xiàng)目主要完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：（1）在軌完成了水稻從種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)、抽穗和結(jié)籽全生命周期的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)并通過(guò)獲取圖像進(jìn)行分析；（2）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）。（3）在軌完成擬南芥種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)和不同三個(gè)生物鐘調(diào)控的開(kāi)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。

　　圖1 水稻在問(wèn)天艙生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)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(yíng)養(yǎng)液?jiǎn)?dòng)實(shí)驗(yàn)后的天數(shù)。

　　圖2 空間再生水稻的過(guò)程圖像，圖中的時(shí)間為剪株后的天數(shù)。

　　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(kāi)的表型。

　　通過(guò)對(duì)空間獲取的圖像分析，并與地面對(duì)照比較，發(fā)現(xiàn)空間微重力對(duì)水稻的多種農(nóng)藝性狀，包括株高、分蘗數(shù)、生長(zhǎng)速率、水分調(diào)控、對(duì)光反應(yīng)、開(kāi)花時(shí)間、種子發(fā)育過(guò)程以及結(jié)實(shí)率等多方面的影響。實(shí)驗(yàn)初步發(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； 矮桿水稻變得更矮，高稈水稻的高度沒(méi)有受到明顯的影響。此外，生物鐘控制的水稻葉片生長(zhǎng)螺旋上升運(yùn)動(dòng)在空間更為凸顯。

　?。?）水稻空間開(kāi)花時(shí)間比地面略有提前，但是，灌漿時(shí)間延長(zhǎng)了10多天，大部分穎殼不能關(guān)閉（圖1和圖3）。開(kāi)花時(shí)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(zhǎng)是獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)種子方面都有重要作用，此過(guò)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。

　?。?）在空間進(jìn)行再生稻實(shí)驗(yàn)并獲得再生稻的種子。從剪株20天后就可以再生出了2個(gè)稻穗（圖2和圖3），說(shuō)明空間狹小的封閉環(huán)境中再生稻是可行的，為空間作物的高效生產(chǎn)提供了新的思路和實(shí)驗(yàn)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(guó)際上首次在空間嘗試的再生稻技術(shù)。

　　（4）首次對(duì)空間生物鐘調(diào)控光周期開(kāi)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(kāi)花時(shí)間的擬南芥，分別是：提前開(kāi)花，延遲開(kāi)花和正常開(kāi)花（野生型），通過(guò)對(duì)空間擬南芥生長(zhǎng)發(fā)育的圖普觀察與分析，發(fā)現(xiàn)開(kāi)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(kāi)花的擬南芥在微重力條件下開(kāi)花時(shí)間也大大的延長(zhǎng)。

　　此外，生物鐘基因突變后，空間擬南芥的下胚軸過(guò)度伸長(zhǎng)，說(shuō)明生物鐘基因表達(dá)對(duì)于維持?jǐn)M南芥在空間生長(zhǎng)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(kāi)花基因來(lái)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(duì)將進(jìn)一步利用返回材料對(duì)擬南芥適應(yīng)空間環(huán)境的分子基礎(chǔ)進(jìn)行深入解析。（人民日?qǐng)?bào)客戶端記者  吳月輝 余建斌）