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问天舱里,植物长势如何

——科学家解密中国空间站问天实验舱植物生长实验

冯杰

2022年08月31日 02:31

本报记者 颜维琦
光明日报( 2022年08月31日 08版)

植物的种子,到了太空能萌发、生长、开花,进而产生种子吗?在空间站问天实验舱里,一项饶有趣味的植物生长实验正在进行。

自7月28日实验单元安装完成、7月29日通过地面程序注入指令启动实验,一个月来,随舱发射的拟南芥和水稻种子,在微重力条件下都已萌发,目前生长状态良好。

“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。”8月29日,在位于上海的中国科学院分子植物科学卓越创新中心,记者见到了承担这项实验的研究团队。团队负责人、分子植物卓越中心郑慧琼研究员告诉记者,全球首个空间微重力条件下“从种子到种子”的水稻全生命周期培养实验,有望在不久后完成。

为什么要到天上做植物实验

到太空环境中开展植物生长实验,早在60多年前就开始了。从20世纪50年代人类发射第一颗人造地球卫星以来,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,就成为空间生命科学最为关注的问题之一。

科学家们期望,通过研究在完全封闭太空条件下如何培养或栽培植物,探索作物在太空环境中高效生产所需要的条件因素和技术途径,筛选和创建适合太空生产的农作物新品种,从而建立以植物为基础的空间生物再生生命支持系统,最终实现人类长期太空探索的目标。

“动植物和人类进入太空失重环境,会发生各种‘航天综合征’,比如运动慢、方向乱、开花晚、长得慢、活得长……因此,了解并阐明重力在生物生命活动中的作用机制,必要且重要,是载人航天工程需要解决的基础问题。”郑慧琼告诉记者,在过去60多年中,科学家们对于在空间种植和栽培植物进行了大量的研究,在各种空间飞行器中进行了20多种植物的培养实验。

早期,空间植物培养实验的主要目标是探究如何在空间环境中养活植物,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,也在此过程得到了较为深入的研究。中国科学院院士,分子植物卓越中心主任韩斌介绍,眼下,科学家们的研究重点逐渐由对植物幼苗阶段的研究扩展到了种子生产研究。但是,目前只有油菜、小麦和豌豆等少数几种作物在空间完成了“从种子到种子”的实验。同时,在空间条件下,植物开花时间延迟、开花数目少、种子结实率低和种子质量下降等问题仍然没有克服。

“‘开花’是植物结出新一代种子的前提。农作物的种子既是粮食,也是繁殖下一代的载体。因此,迫切需要研究如何控制植物发育的关键环节,也就是‘开花’的调控机理,为改进空间植物培养技术、探索更多的适应空间生命保障要求的粮食作物生产提供指导。”韩斌说。

他强调,由于地球生命不可能在严酷的太空环境条件下无保护地生存,未来的太空作物生产必须在完全封闭的人造环境中进行,种植空间和能源供给都十分受限。尤其是空间微重力的环境,会导致作物生长形态发育和遗传调控等多方面发生巨大变化。“必须研究空间农作物的生长规律,进一步培育出适合太空种植的高产优质的农作物品种,服务于人类长期空间探索的粮食保障需求。”韩斌说,“同时,在特有的微重力和辐射环境下获得的植物生长发育数据和形成的理论,也可为地面农作物育种和生产提供新的支持和启发。”

天上的植物生长实验怎么做

7月24日,空间站问天实验舱成功发射,并与天和核心舱交会对接。问天实验舱搭载了生命生态实验柜、生物技术实验柜等科学实验柜。

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。次日,完成第一次液体加注,并开始在轨实验。这也是问天实验舱内首次开展实验的实验柜。

中国科学院空间应用中心研究员、载人航天工程空间应用系统问天实验舱主任设计师赵黎平告诉记者,在空间微重力的条件下,实验通过调控光周期的途径进行。从8月5日开始,对水稻执行12小时开、12小时关的照明周期,对拟南芥执行16小时开、8小时关的照明周期,根据研究团队要求,确保温度、湿度、光照控制正常。

郑慧琼介绍,这一项目聚焦“微重力条件下高等植物开花调控的分子机理”,选取的空间实验样品——拟南芥和水稻,是两种模式植物。其中,拟南芥代表双子叶、长日、十字花科植物,很多蔬菜,比如青菜、油菜等都属于十字花科。而水稻代表单子叶、短日、禾本科植物,很多粮食类作物,比如小麦、玉米等属于禾本科。

从空间站传回的影像中可以看到,问天舱中的拟南芥和水稻种子萌发正常,并已进入幼苗生长阶段。郑慧琼说,有意思的是,离开地球重力,水稻叶子生长起初呈现螺旋形。眼下,高秆水稻达到了30厘米左右高,看上去“身躯”柔软,像是“骨质疏松”的样子,矮秆水稻的叶子则有一部分“趴”在实验单元壁上。但总体发育进程符合预期,有望在国际上首次在空间结出种子,完成微重力条件下“从种子到种子”全生命周期实验。部分拟南芥已经开始抽薹。

“影像透露的信息还很不全面,下一步我们将对植物的生长行为作量化统计分析。”郑慧琼告诉记者,此次选择的水稻种子生长周期较短,地面上的高秆水稻一般70天左右结籽,在太空可能需要更长时间,预计两到三个月可以结出种子。实验过程中,将由航天员采集种子样品、冷冻保存,最终随航天员返回地面进行分析。此前,国际上只在空间环境做了两次水稻种子萌发实验,郑慧琼团队在“天宫二号”实验室培育的水稻也没有这么高。

“从种子到种子”,可以揭示什么

在空间微重力条件下完成“从种子到种子”的全生命周期培养实验,聚焦三个关键科学问题: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?围绕这三个关键的科学问题,通过分析比较微重力在植物开花过程中的作用,可以获取微重力调控开花的分子基础与关键基因的表达变化,进一步解析空间微重力条件下长日照和短日照植物开花基因表达的调控网络,以及二者在植物对空间环境适应性中的作用机理。

“在此基础上,我们可以获得水稻空间培养的关键环境参数,为进一步解析空间微重力对水稻生长发育的影响及分子基础,利用水稻进行空间粮食生产提供重要理论指导。”郑慧琼说。

接下来,通过航天员在轨采集样品,冷冻保存返回分析,科学家们可以揭示植物适应空间环境的开花调控分子网络及关键枢纽基因,并对其进行功能验证,为下一步构建适应空间微重力环境的高产优质农作物提供分子元件。

航天员带回的拟南芥和水稻种子,今后还有机会继续送往空间站,在太空进行两到三代的繁殖。“未来有可能形成新的概念,带动微重力植物发育生物学研究的新发展,为未来空间蔬菜和粮食生产打下理论基础。”韩斌说。


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2022年08月31日 10:31
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