天宫种出“太空水稻” 有望实现从“种子到种子”

　　在中国科学院分子植物科学卓越创新中心拍摄的“太空同款”拟南芥培养单元里，拟南芥开的花。

　　在中国科学院分子植物科学卓越创新中心拍摄的“太空同款”水稻培养单元。

　　←在中国科学院分子植物科学卓越创新中心模拟微重力实验室，郑慧琼研究员观察拟南芥幼苗生长情况。

　　过去一个月，距离地球400公里的中国空间站问天实验舱里，来自中国的水稻种子和拟南芥种子已经完成发芽，并正在茁壮成长。

　　记者从8月29日在北京和上海同时举行的载人航天工程空间应用暨空间站高等植物培养实验阶段性进展情况介绍会上获悉，中国空间站问天实验舱内的拟南芥和水稻种子萌发已成功启动，目前生长状态良好，后续将开展拟南芥和水稻在太空“从种子到种子”全生命周期实验。

　　2022年7月，问天实验舱成功发射并与天和核心舱交会对接，7月28日，载有实验样品拟南芥种子和水稻种子的实验单元，由航天员安装至问天实验舱的生命生态通用实验模块中，通过地面程序注入指令于7月29日启动实验。

　　今年6月5日，神舟十四号载人飞船顺利发射升空，航天员进驻天和核心舱。

　　此前，天舟四号货运飞船发射并对接了天和空间站，运送了一批物资，其中还有一批农作物种子，有小麦、玉米和高粱等。

　　中科院分子植物科学卓越创新中心郑慧琼研究员欣喜地表示，自7月29日启动“微重力条件下高等植物开花调控的分子机理”生命科学实验以来，水稻和拟南芥的生长符合预期。

　　郑慧琼期待能够在国际上首次完成空间微重力条件下水稻从“种子到种子”全生命周期的培养实验，并通过分析比较两种模式植物在空间环境中开花途径关键基因的表达及其调控网络的变化，解析空间微重力对于长日和短日植物开花的分子机理，为进一步创制适应空间环境的作物和开发利用空间微重力环境资源提供理论依据。

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　　农作物开花结果 对于太空探索至关重要

　　自从上世纪50年代人类发射第一颗人造卫星以来，如何利用植物保障人类在地外环境中生存所需要的食物、氧气和纯净水，成了空间生命科学最为关注的问题。

　　中科院院士、中科院分子植物科学卓越创新中心主任韩斌说，地外的高真空、微重力、人造环境，对于植物究竟会产生什么样的影响？我们该如何培育适合在太空中生产的农作物，建立以植物为基础的空间生物再生生命支持系统？这些问题都关系到人类未来走出地球的脚步。

　　自1963年以来，国际上研制了21台空间植物培养箱或实验模块，开展了50多项空间植物培养实验，实现了在空间环境中养活植物，使其能够萌发、生长、开花和产生种子。此外，一些基本的空间植物生物学问题，如植物的向性生长，根的形成、萌发，种子成分，基因和蛋白质的表达变化等问题，也有了较为深入的研究。

　　韩斌指出，目前科学家们的研究重点逐渐由对植物幼苗阶段的研究扩展至种子生产研究。事实上，开花结果对于农作物来说，至关重要。尤其是一旦人类进入深空探索，如移民火星，或是长期航行，都需要太空中的农作物不仅实现足够的产量，还能够进行稳定的遗传，确保一代代都可以进行种植。

　　然而，如今只有油菜、小麦和豌豆少数几种作物在空间完成了从种子到种子的实验。“植物与人和动物一样，进入太空失重环境，会发生各种‘航天综合征’。”郑慧琼说，空间站里植物虽然活得长，却开花晚、长得慢、吐水多、方向乱、运动慢，“例如，国际空间站的小麦结实率比地面低得多。而水稻在地面的重力环境下会笔直向上生长，但在空间站里却散开来生长”。

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　　微重力下怎样影响开花？ 实验将解答三个关键科学问题

　　“我们研究组对于植物在太空中的研究早在2002年就已经开始。”郑慧琼说，当时受制于中国航天器在轨的时间和条件限制，只能选取植物生长过程中的一部分加以研究，包括2002年神舟四号的空间细胞融合、2006年实践八号的空间开花和传粉、2008年神舟八号的空间细胞培养、2016年实践十号的空间光周期调控开花和天宫二号的拟南芥从种子到种子培养，“现在中国空间站给了我们足够实践，可以完成中国重要农作物水稻的从种子到种子培育”。

　　郑慧琼介绍说，该实验主要内容包括：空间微重力条件下拟南芥和水稻从种子到种子全生命周期受到的影响和变化规律；解析微重力调控长日和短日植物开花的分子基础，鉴定微重力作用的关键基因；解析长期空间微重力条件下植物对空间环境可能的适应性机制。

　　郑慧琼希望实验能解答三个关键科学问题：微重力怎样影响开花？微重力影响植物开花的分子机理是什么？能否利用微重力环境作用来控制植物的开花？此次实验选取的拟南芥和水稻是两种代表性的模式植物，前者代表双子叶、长日、十字花科植物，很多蔬菜，如青菜、油菜等都属于十字花科；而后者代表单子叶、短日、禾本科植物，很多粮食类作物，如小麦、玉米等属于禾本科。

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　　寻找可以改造的基因 让地面植物更适应太空环境

　　8月29日，“微重力条件下高等植物开花调控的分子机理”生命科学实验已经进行了一个月。从中国空间站传回的画面来看，拟南芥和水稻的种子按时萌发，拟南芥幼苗已长出多片叶子，高秆水稻幼苗已长至30厘米左右高，矮秆水稻也有5-6厘米高。

　　拟南芥 郑慧琼研究组曾在天宫二号中完成了拟南芥从种子到种子的实验，因此对拟南芥中调控微重力环境中的基因和蛋白进行了对照研究。

　　在此次中国空间站的实验中，拟南芥的基因中被添加了微重力敏感蛋白启动子等元素，实现了提早开花的预期结果。这意味着，可以通过转基因等人为手段，让地面的植物变得更加适应太空环境，而科学家的任务是把这些潜在的基因找出来。

　　水稻 与改造过的拟南芥相比，此次在空间站里的水稻是正常的品种。在微重力环境中，水稻叶片不再笔直向上，而是“慵懒”地趴在地面上和壁面上。

　　郑慧琼表示，水稻总体生长符合预期，继续培养有望在空间首次结出种子。后续将完成拟南芥和水稻在空间从种子到种子全生命周期的实验，并在实验过程中由航天员采集样品、冷冻保存，最终随航天员返回地面进行分析。

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　　中国航天史上，哪些植物“上过天”？

　　我国的神舟飞船几乎每次飞行都要携带大量的种子，如今年4月返回的神舟十三号就携带了12000颗种子。中国科学院国家空间科学中心助理研究员王铮盘点了人类航天史上那些“上过天”的植物。

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　　植物“上天”做生物实验

　　航天史上，宇宙飞船和空间站携带甚至种植了一些植物，主要是从事科学研究，如观察太空微重力、充满太阳射线和宇宙射线的宇宙环境对细胞和植物生长的影响，观察不同光周期植物的生长发育和代谢活动，认识重力和光周期在高等植物开花调控中的作用机制等。

　　2016年我国发射的“天宫二号”空间实验室开展了高等植物培养实验，航天员在太空主要种植水稻、拟南芥等植物，以检测空间微重力对生命活动的影响。还有一些植物种子被带上天，是希望利用太空各种复杂的环境，提高植物基因变异的可能性，随后再从中培育出新的植物品种。据悉，这已经是一项市场价值可达2千亿元的产业。

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　　植物在太空中生长开花

　　1999年，中国神舟一号带上了生物活性菌株和一些种子，神舟二号也带了小球藻。

　　2011年，神舟八号飞行任务组织开展“番茄试管苗空间开花结实”实验，共搭载8株番茄蓓蕾，实现开花结果。

　　2016年，神舟十一号将5支装着芒果胚性愈伤组织的试管带上天，后在湛江培育出全新组织。

　　2016年，“天宫二号”空间实验室开展了高等植物培养实验，有人把试验设备叫做“微型LED植物工厂”。2016年至2019年，这里种植了6棵水稻、30棵拟南芥，观察到种子在太空中从萌发、生长、开花到结籽的全过程。

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　　1987年开启太空育种

　　1987年，我国第9颗“返回式科学试验卫星”首次将一批水稻和青椒等农作物种子送上太空，揭开中国航天育种的序幕。

　　从1987年开始，我国已将数以万计的植物种子送入太空。2020年发射的“嫦娥五号”搭载的水稻种子“航聚香丝苗”，是太空种子“二代”。它的“父亲”华航31号和“母亲”航恢1508都去过太空，它是目前人类历史上飞得最远的稻种。

　　2022年5月，中国载人航天工程办公室公布神舟十二号和神舟十三号载人飞船航天育种实验项目清单，包括上千份植物种子、微生物菌种等航天育种材料。其中，有牧草种子如苜蓿，有药用种子如杜仲，有水果种子如甜瓜，有蔬菜种子如黄瓜，有林木种子如红豆杉，有花卉种子如地被菊，有食用菌菌种如羊肚菌，有农作物种子如小麦。

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　　月球种菜实验已经开启

　　中国“天宫二号”的“微型LED植物工厂”，种植的水稻和拟南芥完成了种子在太空中从萌发、生长、开花到结籽的全过程，这说明中国航天员在太空中种粮食、种菜是完全可行的。

　　2014年，我国实验舱“月宫一号”进行了105天的月球基地生命保障系统的模拟，在地面上模拟了月球基地的运转，其中的氧气和水都循环再生，未来可作为外星之上的“蔬菜大棚”。

　　2019年，中国的“嫦娥四号”月球探测器，携带了由大量的植物种植和昆虫卵构筑的“月面微型生态圈”，首次开展了在月球种植的实验，其中的棉花种子还长出了嫩芽，成为人类历史上第一批在月球生长的植物。