水稻種子的太空旅行

朱林崎

1987年8月，中國返回式衛星首次將一批水稻、番茄和青椒等種子送入太空，開啟了種子的太空“奇遇之旅”。這種“旅行”被稱為航天育種，是讓種子先“上天”，利用太空近似真空、充滿宇宙射線、微重力等特殊環境，誘使種子發生基因突變。變異后的種子再“入地”，經科研人員篩選及多代選育，最終獲得優良新品種。

太空“奇遇之旅”的優勢在于變異過程快，變異幾率高、變異范圍廣，是緩解優質農作物種源貧乏的有效途徑之一。經過30多年的發展，水稻已成為中國航天育種里太空旅行次數最多、研究成果最顯著的作物。

在展覽中展示的太空水稻

太空“ 奇遇之旅” 其實是一場大冒險，太空環境誘發的基因變異可遇不可求，雖然概率高于自然變異的水平，但平均也只有0.5‰～5‰，其中有益的突變大約只占總變異量的3%。回到地面之后，種子的篩選就像開盲盒，要培育到第二代才可以開始選拔性能優異的種子，經過6 ～8代培育和層層篩選，5～10年才能誕生新品種。

2020年12月，嫦娥五號月球探測器攜帶的2500粒水稻種子， 在歷時23天、近80萬千米的“奔月旅行”后順利返回地球。這批種子名為“航聚香絲苗”，是從1 萬個品種中脫穎而出的“驕子”。“航聚香絲苗”是出身名門的“航二代”，“父親”華航31 號和“母親”航恢1508 都是航天育種的成果。

這批種子除了是目前為止飛得最遠的水稻種子之外，還脫離了地球磁場保護，遭遇了更強的輻射和太陽黑子，可能會誘發更強烈的基因突變。科學家已經發現它們在產量、品質和抗病性上的一些特殊變異。

2021年7月，在華南農業大學試驗基地種下的“奔月”水稻種子迎來了第一次收獲（ 下圖）。2～3年會有第一批產品出現，5～10年將完成全面研究。

研究人員對成熟的“奔月”水稻進行取樣（ 來源/華南農業大學）

地面種植水稻（A） 與太空種植水稻（B）對比（ 來源/日本大阪市立大學保尊隆享教授）

在太空生長的水稻吐水，比地面對照組明顯增加（ 來源/中國科學院分子植物科學卓越創新中心）

標準水稻品種的株高比較長（水稻的株高因其品種而存在差異，一般在70～100 厘米），對光照強度要求高，因此，在太空有限的空間內建立水稻栽培設施頗為困難。要保證水稻每個發育階段都能正常生長，對太空實驗條件要求也非常苛刻，所以，早期在太空對水稻全生命周期種植的研究并不多，水稻種子的太空旅行主要是發芽、成長的“萌動之旅”。科學家聚焦微重力環境對稻苗萌發和生長的影響，開展向地性、向光性、根的形成、基因和蛋白質的表達變化等研究，為太空水稻栽培及品種選育提供指導。

水稻的太空“萌動之旅”往往“水土不服”，一邊“懵懂”一邊“萌動”——表現為生長方向亂、長得慢、活得長、吐水多等。

例如，1998年，美國國家航空航天局在發現號航天飛機上進行了地面和太空種植水稻的比較實驗。在微重力環境下，由于失去了重力引導，水稻幼苗生長方向不受調控，根和莖失去了方向感，隨機自由生長，變成一團亂麻（ 如左上圖所示）。

2016年，中國天宮二號空間實驗室曾試種水稻，發現太空水稻葉尖吐水比地面顯著增加，葉尖的露珠明顯更多更大（ 如右上圖所示）。

水稻完成“從種子到種子”全生命周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，啟動實驗后的天數（ 來源/中國科學院分子植物科學卓越創新中心）

水稻根部從土壤中吸出水分，由根壓驅動將水分運輸至葉子的頂部，水分從葉片上滲出凝成水滴，這就是水稻吐水。在地球上，水滴在重力作用下自然落地；但在太空微重力環境下，水滴不會落下，而是越凝越大，葉片會一直頂著大水珠生長，水分無法有效循環。科研人員為此給水稻做了一個水回收裝置，防止水稻被自己的“唾液”淹死。

隨著太空植物栽培系統不斷進步，以及超矮稈水稻的培育成功，太空水稻研究重點逐漸由植物幼苗階段擴展至種子生產階段，一種新的太空旅行方式——“重生之旅”橫空出世。

2022年7月，中國在天宮空間站內進行了常規高稈水稻和超矮稈水稻“小薇”的種植實驗。其中，常規水稻萌發、生長、抽穗并結出種子，完成了歷時120天的全生命周期培養實驗，這是國際上首次實現水稻在太空“從種子到種子”的全生命周期培養。

天宮空間站中，水稻原生稻和再生稻（ 來源/ 中國科學院分子植物科學卓越創新中心）

水稻生下“兒子”完成剪株后，又進行了再生稻實驗，20 天后再生出兩個稻穗，收獲了水稻“孫子”（ 如上圖所示）。這是國際上首次在太空嘗試再生稻技術，為太空作物的高效生產提供了實驗證據和新思路。

帶回地球的水稻種子今后還有機會繼續送往空間站，在太空進行兩到三代的繁殖，這對未來空間糧食生產、人類長期空間探索的糧食保障意義重大。在未來，水稻種子還將開啟新的太空旅行，讓我們一起期待吧！

（責任編輯 / 高琳 美術編輯 / 周游）

保護水稻生命的生命生態實驗柜

天宮空間站生命生態科學實驗柜結構圖（ 來源/ 中國科學院空間應用工程與技術中心）

水稻的太空“重生之旅”得以順利實現，天宮空間站的生命生態實驗柜功不可沒。2016年水稻在天宮二號空間實驗室“試種”時，由于天宮二號的高等植物培養箱，無法同時為開展實驗的擬南芥和水稻提供不同溫度，所以水稻未能結籽。

而在天宮空間站，生命生態實驗柜的通用生物培養模塊為植物種植提供穩定的溫度、光照、二氧化碳濃度及濕度等，同時創新性地提供了雙溫區設計，使擬南芥和水稻能同時在各自適宜的溫區生長，為水稻完成“從種子到種子”的過程創造了良好的培育環境。