載人空間站第三批空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)樣品交接儀式。中國(guó)科學(xué)院供圖

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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。中國(guó)科學(xué)院供圖

【科技前沿】

12月4日，在太空中經(jīng)歷了120天全生命周期的水稻和擬南芥種子，跟隨神舟十四號(hào)飛船順利返航。這意味著我國(guó)在國(guó)際上首次成功開(kāi)展了水稻從種子到種子全生命周期培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。據(jù)介紹，這項(xiàng)研究的學(xué)名是“微重力條件下高等植物開(kāi)花調(diào)控的分子機(jī)理”，由中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心鄭慧瓊團(tuán)隊(duì)承擔(dān)。那么，為什么要進(jìn)行這一實(shí)驗(yàn)？又有哪些收獲？

為什么要把水稻和擬南芥送到太空

鄭慧瓊介紹，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)行水稻育種是空間植物學(xué)研究的重要方向之一?！胺N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)有能夠在空間完成全生命周期的培養(yǎng)?！?/p>

而模式植物擬南芥主要承擔(dān)了“開(kāi)花”部分的研究。鄭慧瓊說(shuō)：“開(kāi)花是結(jié)種子的前提，我們利用模式植物擬南芥，系統(tǒng)地研究了空間微重力對(duì)植物開(kāi)花的影響?！?/p>

水稻和擬南芥的太空之旅經(jīng)歷了什么

鄭慧瓊介紹，在軌實(shí)驗(yàn)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)，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——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，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。

鄭慧瓊說(shuō)，本次主要完成了三項(xiàng)空間實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。第一，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。第二，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）。第三，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。

如今，樣品已經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)至位于上海的中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心，做進(jìn)一步檢測(cè)分析。

實(shí)驗(yàn)有哪些初步發(fā)現(xiàn)

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?？茖W(xué)家們已經(jīng)得到了一些初步發(fā)現(xiàn)：

首先，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；矮稈水稻變得更矮，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。

其次，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。鄭慧瓊說(shuō)：“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)以獲得高產(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。”

再次，在空間進(jìn)行再生稻實(shí)驗(yàn)并獲得再生稻的種子。鄭慧瓊說(shuō)：“從剪株20天后就可以再生出兩個(gè)稻穗，說(shuō)明空間狹小的封閉環(huán)境中再生稻是可行的，這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)。”

最后，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）。鄭慧瓊介紹，通過(guò)對(duì)空間擬南芥生長(zhǎng)發(fā)育的圖譜觀察與分析，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)間也大大延長(zhǎng)?！按送猓镧娀蛲蛔兒?，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?！?strong>（記者 齊芳 顏維琦）