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科普之窗

問天艙里,植物長勢如何

——科學家解密中國空間站問天實驗艙植物生長實驗

馮杰

2022-08-31 02:34

本報記者 顏維琦
光明日報( 2022年08月31日 08版)

植物的種子,到了太空能萌發、生長、開花,進而產生種子嗎?在空間站問天實驗艙里,一項饒有趣味的植物生長實驗正在進行。

自7月28日實驗單元安裝完成、7月29日通過地面程序注入指令啟動實驗,一個月來,隨艙發射的擬南芥和水稻種子,在微重力條件下都已萌發,目前生長狀態良好。

“擬南芥幼苗已長出多片葉子,高稈水稻幼苗已長至30厘米左右高,矮稈水稻也有5~6厘米高?!?月29日,在位于上海的中國科學院分子植物科學卓越創新中心,記者見到了承擔這項實驗的研究團隊。團隊負責人、分子植物卓越中心鄭慧瓊研究員告訴記者,全球首個空間微重力條件下“從種子到種子”的水稻全生命周期培養實驗,有望在不久后完成。

為什么要到天上做植物實驗

到太空環境中開展植物生長實驗,早在60多年前就開始了。從20世紀50年代人類發射第一顆人造地球衛星以來,如何利用植物保障人類在地外環境中生存所需要的食物、氧氣和純凈水,就成為空間生命科學最為關注的問題之一。

科學家們期望,通過研究在完全封閉太空條件下如何培養或栽培植物,探索作物在太空環境中高效生產所需要的條件因素和技術途徑,篩選和創建適合太空生產的農作物新品種,從而建立以植物為基礎的空間生物再生生命支持系統,最終實現人類長期太空探索的目標。

“動植物和人類進入太空失重環境,會發生各種‘航天綜合征’,比如運動慢、方向亂、開花晚、長得慢、活得長……因此,了解并闡明重力在生物生命活動中的作用機制,必要且重要,是載人航天工程需要解決的基礎問題?!编嵒郗偢嬖V記者,在過去60多年中,科學家們對于在空間種植和栽培植物進行了大量的研究,在各種空間飛行器中進行了20多種植物的培養實驗。

早期,空間植物培養實驗的主要目標是探究如何在空間環境中養活植物,一些基本的空間植物生物學問題,如植物的向性生長,根的形成、萌發,種子成分,基因和蛋白質的表達變化等,也在此過程得到了較為深入的研究。中國科學院院士,分子植物卓越中心主任韓斌介紹,眼下,科學家們的研究重點逐漸由對植物幼苗階段的研究擴展到了種子生產研究。但是,目前只有油菜、小麥和豌豆等少數幾種作物在空間完成了“從種子到種子”的實驗。同時,在空間條件下,植物開花時間延遲、開花數目少、種子結實率低和種子質量下降等問題仍然沒有克服。

“‘開花’是植物結出新一代種子的前提。農作物的種子既是糧食,也是繁殖下一代的載體。因此,迫切需要研究如何控制植物發育的關鍵環節,也就是‘開花’的調控機理,為改進空間植物培養技術、探索更多的適應空間生命保障要求的糧食作物生產提供指導?!表n斌說。

他強調,由于地球生命不可能在嚴酷的太空環境條件下無保護地生存,未來的太空作物生產必須在完全封閉的人造環境中進行,種植空間和能源供給都十分受限。尤其是空間微重力的環境,會導致作物生長形態發育和遺傳調控等多方面發生巨大變化?!氨仨氀芯靠臻g農作物的生長規律,進一步培育出適合太空種植的高產優質的農作物品種,服務于人類長期空間探索的糧食保障需求?!表n斌說,“同時,在特有的微重力和輻射環境下獲得的植物生長發育數據和形成的理論,也可為地面農作物育種和生產提供新的支持和啟發?!?/span>

天上的植物生長實驗怎么做

7月24日,空間站問天實驗艙成功發射,并與天和核心艙交會對接。問天實驗艙搭載了生命生態實驗柜、生物技術實驗柜等科學實驗柜。

7月28日,載有實驗樣品擬南芥種子和水稻種子的實驗單元,由航天員安裝至問天實驗艙的生命生態通用實驗模塊中。次日,完成第一次液體加注,并開始在軌實驗。這也是問天實驗艙內首次開展實驗的實驗柜。

中國科學院空間應用中心研究員、載人航天工程空間應用系統問天實驗艙主任設計師趙黎平告訴記者,在空間微重力的條件下,實驗通過調控光周期的途徑進行。從8月5日開始,對水稻執行12小時開、12小時關的照明周期,對擬南芥執行16小時開、8小時關的照明周期,根據研究團隊要求,確保溫度、濕度、光照控制正常。

鄭慧瓊介紹,這一項目聚焦“微重力條件下高等植物開花調控的分子機理”,選取的空間實驗樣品——擬南芥和水稻,是兩種模式植物。其中,擬南芥代表雙子葉、長日、十字花科植物,很多蔬菜,比如青菜、油菜等都屬于十字花科。而水稻代表單子葉、短日、禾本科植物,很多糧食類作物,比如小麥、玉米等屬于禾本科。

從空間站傳回的影像中可以看到,問天艙中的擬南芥和水稻種子萌發正常,并已進入幼苗生長階段。鄭慧瓊說,有意思的是,離開地球重力,水稻葉子生長起初呈現螺旋形。眼下,高稈水稻達到了30厘米左右高,看上去“身軀”柔軟,像是“骨質疏松”的樣子,矮稈水稻的葉子則有一部分“趴”在實驗單元壁上。但總體發育進程符合預期,有望在國際上首次在空間結出種子,完成微重力條件下“從種子到種子”全生命周期實驗。部分擬南芥已經開始抽薹。

“影像透露的信息還很不全面,下一步我們將對植物的生長行為作量化統計分析?!编嵒郗偢嬖V記者,此次選擇的水稻種子生長周期較短,地面上的高稈水稻一般70天左右結籽,在太空可能需要更長時間,預計兩到三個月可以結出種子。實驗過程中,將由航天員采集種子樣品、冷凍保存,最終隨航天員返回地面進行分析。此前,國際上只在空間環境做了兩次水稻種子萌發實驗,鄭慧瓊團隊在“天宮二號”實驗室培育的水稻也沒有這么高。

“從種子到種子”,可以揭示什么

在空間微重力條件下完成“從種子到種子”的全生命周期培養實驗,聚焦三個關鍵科學問題:微重力怎樣影響開花?微重力影響植物開花的分子機理是什么?能否利用微重力環境作用來控制植物的開花?圍繞這三個關鍵的科學問題,通過分析比較微重力在植物開花過程中的作用,可以獲取微重力調控開花的分子基礎與關鍵基因的表達變化,進一步解析空間微重力條件下長日照和短日照植物開花基因表達的調控網絡,以及二者在植物對空間環境適應性中的作用機理。

“在此基礎上,我們可以獲得水稻空間培養的關鍵環境參數,為進一步解析空間微重力對水稻生長發育的影響及分子基礎,利用水稻進行空間糧食生產提供重要理論指導?!编嵒郗傉f。

接下來,通過航天員在軌采集樣品,冷凍保存返回分析,科學家們可以揭示植物適應空間環境的開花調控分子網絡及關鍵樞紐基因,并對其進行功能驗證,為下一步構建適應空間微重力環境的高產優質農作物提供分子元件。

航天員帶回的擬南芥和水稻種子,今后還有機會繼續送往空間站,在太空進行兩到三代的繁殖?!拔磥碛锌赡苄纬尚碌母拍?,帶動微重力植物發育生物學研究的新發展,為未來空間蔬菜和糧食生產打下理論基礎?!表n斌說。


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2022-08-31 10:34
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