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“上天”的水稻回来了!它们在太空完成了国际上首次全生命周期培养实验

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那些“上天”的水稻种子,又结出种子回来了!
北京时间2022年12月4日20时09分,神舟十四号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆。
澎湃新闻记者从中国科学院获悉,当天,随舱下行的载人空间站第三批空间科学实验样品在着陆场交付空间应用系统,并于12月5日凌晨返回北京,顺利运抵中科院空间应用工程与技术中心,空间应用系统总体与相关实验人员进行了实验样品基本状态的检查,确认返回样品完好后,顺利交接相关实验科学家。

图1 水稻在问天舱生命生态实验柜通用生物培养模块中完成从种子到种子全生命周期不同发育阶段代表性图片。图像上的数字表示注入营养液启动实验后的天数。本文图片 中国科学院分子植物科学卓越创新中心供图

据了解,返回的样品包括3个生物样品冷包和1个无容器样品袋,3个生物样品冷包装载的是水稻和拟南芥的实验样品。
其中,水稻和拟南芥种子经历了120天的空间培育生长,完成了从种子到种子的发育全过程,是国际上首次在轨获得水稻种子。
目前,返回水稻和拟南芥样品一部分已做固定处理,水稻种子将带回中科院分子植物卓越中心实验室继续培养。
科学家将对返回样品进行分子生物学、细胞学和代谢等相关分析,通过检测及分析研究,解析空间微重力对于拟南芥和水稻作用的规律和分子基础,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。

中科院分子植物卓越中心郑慧琼研究员对返回水稻和拟南芥科学实验样品进行分解与固化。中科院空间应用中心 供图

中科院分子植物卓越中心郑慧琼研究员对返回水稻和拟南芥科学实验样品进行分解与固化。中科院空间应用中心 供图

中科院分子植物卓越中心郑慧琼研究员对返回水稻和拟南芥科学实验样品进行分解与固化。中科院空间应用中心 供图

在轨开展实验120天
水稻是人类主要的粮食作物,养活了世界上近一半的人口,也是未来载人深空探测生命支持系统的主要候选粮食作物。
人类要在空间长期生存,就必须要保证植物能够在空间完成世代交替,成功繁殖种子。
但是,之前国际上在空间只完成了拟南芥、油菜、豌豆和小麦从种子到种子的培养,主要粮食作物水稻,尚没有能够在空间完成水稻全生命周期的培养。
中国科学院分子植物科学卓越创新中心郑慧琼研究团队承担了“微重力条件下高等植物开花调控的分子机理”,在国际上首次开展了水稻从种子到种子全生命周期培养实验。同时,开花是结种子的前提,研究团队利用模式植物拟南芥,也系统地研究了空间微重力对植物开花的影响。
从2022年7月29日注入营养液启动实验,至11月25日结束实验,本项目共在轨开展实验120天,完成了拟南芥和水稻种子萌发、幼苗生长、开花结籽全生命周期的培养实验。
期间航天员在轨进行了三次样品采集,包括9月21日孕穗期水稻样品采集;10月12日拟南芥开花期样品采集和11月25日水稻和拟南芥种子成熟期样品采集。
采集后,开花或孕穗期样品保存于-80℃低温存储柜中,种子成熟期样品保存于4℃低温存储柜,并于12月4日样品将随神舟十四号返回地面。计划在北京交接样品后,转运至上海实验室做进一步检测分析。
证明空间狭小封闭环境中再生稻可行性
令人欣喜的是,通过对空间获取的图像分析,并与地面对照比较,郑慧琼研究团队已经获得了一些发现。
该团队发现空间微重力对水稻的多种农艺性状,包括株高、分蘖数、生长速率、水分调控、对光反应、开花时间、种子发育过程以及结实率等多方面的影响。

图2 空间再生水稻的过程图像,图中的时间为剪株后的天数。

图3 空间水稻原生稻和再生稻图片,显示空间稻穗与颖壳张开的表型。

本次实验初步发现,水稻的株型在空间变得更为松散,主要是茎叶夹角变大; 矮秆水稻变得更矮,高秆水稻的高度没有受到明显的影响。此外,生物钟控制的水稻叶片生长螺旋上升运动在空间更为凸显。
此外,水稻空间开花时间比地面略有提前,但是,灌浆时间延长了10多天,大部分颖壳不能关闭(图1和图3)。开花时间和颖壳闭合均是水稻的重要农艺性状,二者在保障植物充分的生殖生长是获得高产优质种子方面都有重要作用,此过程受到基因表达的调控,后续将利用返回样品进一步分析。
本次实验在空间进行再生稻实验,并获得再生稻的种子。
从剪株20天后就可以再生出了2个稻穗(图2和图3),说明空间狭小的封闭环境中再生稻是可行的,为空间作物的高效生产提供了新的思路和实验证据。
该技术可以大大增加单位体积中的水稻产量,也是国际上首次在空间尝试的再生稻技术。

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