水稻的種子，到了太空能萌發(fā)、生長(zhǎng)、開(kāi)花，進(jìn)而產(chǎn)生種子嗎？我國(guó)的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)給出了答案。

12月4日，神舟十四號(hào)載人飛船返回艙在東風(fēng)著陸場(chǎng)成功著陸。當(dāng)天，隨艙返回的水稻和擬南芥種子，連同其他空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)樣品交付空間應(yīng)用系統(tǒng)。

航天員在軌進(jìn)行三次樣品采集

種子既是人類(lèi)的糧食，也是繁殖下一代植物的載體，人類(lèi)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。

然而，之前國(guó)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(yǎng)，而主要糧食作物水稻并沒(méi)有在空間完成全生命周期的培養(yǎng)。

“我們?cè)趪?guó)際上首次完成了水稻從種子到種子全生命周期培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，開(kāi)花是結(jié)種子的前提，我們還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。”中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員鄭慧瓊告訴記者。

在我國(guó)空間站生命科學(xué)項(xiàng)目中，鄭慧瓊帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了“微重力條件下高等植物開(kāi)花調(diào)控的分子機(jī)理”項(xiàng)目。

鄭慧瓊介紹，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)，“微重力條件下高等植物開(kāi)花調(diào)控的分子機(jī)理”項(xiàng)目共開(kāi)展在軌實(shí)驗(yàn)120天，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)。

Δ水稻在問(wèn)天艙生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜通用生物培養(yǎng)模塊中完成從種子到種子全生命周期不同發(fā)育階段代表性圖片。

圖像上的數(shù)字表示注入營(yíng)養(yǎng)液?jiǎn)?dòng)實(shí)驗(yàn)后的天數(shù)。

期間，航天員在軌進(jìn)行了三次樣品采集，包括9月21日孕穗期水稻樣品采集，10月12日擬南芥開(kāi)花期樣品采集和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。12月4日，這些樣品隨神舟十四號(hào)返回地面。按計(jì)劃，樣品在北京交接后，將被轉(zhuǎn)運(yùn)至上海實(shí)驗(yàn)室做進(jìn)一步檢測(cè)分析。

鄭慧瓊表示，本次空間項(xiàng)目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)并成功獲取相關(guān)圖像；成功完成剪株后空間再生稻培育并結(jié)出了成熟的種子，即二茬種子；完成了擬南芥種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)和三個(gè)不同生物鐘調(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。

空間微重力影響水稻的多種農(nóng)藝性狀

“通過(guò)對(duì)空間獲取的圖像進(jìn)行分析，并與地面對(duì)照組比較，我們發(fā)現(xiàn)了空間微重力對(duì)水稻的多種農(nóng)藝性狀的影響，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。”鄭慧瓊說(shuō)。

在軌實(shí)驗(yàn)初步發(fā)現(xiàn)，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(méi)有受到明顯影響。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。

Δ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。

“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)、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)我們將利用返回樣品進(jìn)一步分析。

同時(shí)，項(xiàng)目還在空間進(jìn)行了再生稻實(shí)驗(yàn)并獲得再生稻的種子。“剪株20天后就再生出了2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)。”鄭慧瓊表示，該技術(shù)可以大大增加單位體積的水稻產(chǎn)量，也是國(guó)際上首次在空間嘗試的再生稻技術(shù)。

Δ空間再生水稻的過(guò)程圖像，圖中的時(shí)間為剪株后的天數(shù)。

此外，項(xiàng)目還首次對(duì)空間生物鐘調(diào)控光周期開(kāi)花的關(guān)鍵基因進(jìn)行了研究。利用基因突變和轉(zhuǎn)基因的方法，研究人員構(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）。

通過(guò)對(duì)空間擬南芥生長(zhǎng)發(fā)育的圖譜進(jìn)行觀察與分析，研究人員發(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)花的擬南芥在空間微重力條件下開(kāi)花時(shí)間也大大延長(zhǎng)。

“生物鐘基因突變后，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，這為今后利用改造開(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。”鄭慧瓊說(shuō)，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。

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