國際首次我國完成水稻全生命周期空間培養實驗

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著陸場成功著陸。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。

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并沒有在空間完成全生命周期的培養。

“我們在國際上首次完成了水稻‘從種子到種子’全生命周期空間培養實驗。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日注入營養液啟動實驗，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、開花結籽全生命周期的培養實驗。

其間，航天員在軌進行了3次樣品采集，包括9月21日孕穗期水稻樣品采集、10月12日擬南芥開花期樣品采集、11月25日水稻和擬南芥種子成熟期樣品采集。采集后，開花或孕穗期樣品保存于-80℃低溫存儲柜中，種子成熟期樣品保存于4℃低溫存儲柜。12月4日，這些樣品隨神舟十四號返回地面。按計劃，樣品在北京交接后，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、抽穗和結籽全生命周期的培養實驗并成功獲取相關圖像；成功完成剪株后空間再生稻培育并結出了成熟的種子，即二茬種子；完成了擬南芥種子萌發、幼苗生長和3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，并在軌采集了樣品。

“通過對空間獲取的圖像進行分析，并與地面對照組比較，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、分蘗數、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。”鄭慧瓊說。

在軌實驗初步發現，水稻的株型在空間變得更為松散，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。”鄭慧瓊說，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，后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并獲得再生稻的種子。“剪株20天后就再生出了2個稻穗，說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周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3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。

“生物鐘基因突變后，空間擬南芥的下胚軸過度伸長，說明生物鐘基因表達對于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，這為今后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。”鄭慧瓊說，后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