植物的種子，到了太空能萌發(fā)、生長(zhǎng)、開花，進(jìn)而產(chǎn)生種子嗎？在空間站問天實(shí)驗(yàn)艙里，一項(xiàng)饒有趣味的植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行。
(資料圖)
自7月28日實(shí)驗(yàn)單元安裝完成、7月29日通過地面程序注入指令啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，一個(gè)月來，隨艙發(fā)射的擬南芥和水稻種子，在微重力條件下都已萌發(fā)，目前生長(zhǎng)狀態(tài)良好。
“擬南芥幼苗已長(zhǎng)出多片葉子，高稈水稻幼苗已長(zhǎng)至30厘米左右高，矮稈水稻也有5~6厘米高。”8月29日，在位于上海的中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心，記者見到了承擔(dān)這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的研究團(tuán)隊(duì)。團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、分子植物卓越中心鄭慧瓊研究員告訴記者，全球首個(gè)空間微重力條件下“從種子到種子”的水稻全生命周期培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，有望在不久后完成。
為什么要到天上做植物實(shí)驗(yàn)
到太空環(huán)境中開展植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，早在60多年前就開始了。從20世紀(jì)50年代人類發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星以來，如何利用植物保障人類在地外環(huán)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(xué)最為關(guān)注的問題之一。
科學(xué)家們期望，通過研究在完全封閉太空條件下如何培養(yǎng)或栽培植物，探索作物在太空環(huán)境中高效生產(chǎn)所需要的條件因素和技術(shù)途徑，篩選和創(chuàng)建適合太空生產(chǎn)的農(nóng)作物新品種，從而建立以植物為基礎(chǔ)的空間生物再生生命支持系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)人類長(zhǎng)期太空探索的目標(biāo)。
“動(dòng)植物和人類進(jìn)入太空失重環(huán)境，會(huì)發(fā)生各種‘航天綜合征’，比如運(yùn)動(dòng)慢、方向亂、開花晚、長(zhǎng)得慢、活得長(zhǎng)……因此，了解并闡明重力在生物生命活動(dòng)中的作用機(jī)制，必要且重要，是載人航天工程需要解決的基礎(chǔ)問題。”鄭慧瓊告訴記者，在過去60多年中，科學(xué)家們對(duì)于在空間種植和栽培植物進(jìn)行了大量的研究，在各種空間飛行器中進(jìn)行了20多種植物的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。
早期，空間植物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的主要目標(biāo)是探究如何在空間環(huán)境中養(yǎng)活植物，一些基本的空間植物生物學(xué)問題，如植物的向性生長(zhǎng)，根的形成、萌發(fā)，種子成分，基因和蛋白質(zhì)的表達(dá)變化等，也在此過程得到了較為深入的研究。中國(guó)科學(xué)院院士，分子植物卓越中心主任韓斌介紹，眼下，科學(xué)家們的研究重點(diǎn)逐漸由對(duì)植物幼苗階段的研究擴(kuò)展到了種子生產(chǎn)研究。但是，目前只有油菜、小麥和豌豆等少數(shù)幾種作物在空間完成了“從種子到種子”的實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，在空間條件下，植物開花時(shí)間延遲、開花數(shù)目少、種子結(jié)實(shí)率低和種子質(zhì)量下降等問題仍然沒有克服。
“‘開花’是植物結(jié)出新一代種子的前提。農(nóng)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(fā)育的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也就是‘開花’的調(diào)控機(jī)理，為改進(jìn)空間植物培養(yǎng)技術(shù)、探索更多的適應(yīng)空間生命保障要求的糧食作物生產(chǎn)提供指導(dǎo)。”韓斌說。
他強(qiáng)調(diào)，由于地球生命不可能在嚴(yán)酷的太空環(huán)境條件下無保護(hù)地生存，未來的太空作物生產(chǎn)必須在完全封閉的人造環(huán)境中進(jìn)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(huán)境，會(huì)導(dǎo)致作物生長(zhǎng)形態(tài)發(fā)育和遺傳調(diào)控等多方面發(fā)生巨大變化。“必須研究空間農(nóng)作物的生長(zhǎng)規(guī)律，進(jìn)一步培育出適合太空種植的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的農(nóng)作物品種，服務(wù)于人類長(zhǎng)期空間探索的糧食保障需求。”韓斌說，“同時(shí)，在特有的微重力和輻射環(huán)境下獲得的植物生長(zhǎng)發(fā)育數(shù)據(jù)和形成的理論，也可為地面農(nóng)作物育種和生產(chǎn)提供新的支持和啟發(fā)。”
天上的植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)怎么做
7月24日，空間站問天實(shí)驗(yàn)艙成功發(fā)射，并與天和核心艙交會(huì)對(duì)接。問天實(shí)驗(yàn)艙搭載了生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜、生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)柜等科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜。
7月28日，載有實(shí)驗(yàn)樣品擬南芥種子和水稻種子的實(shí)驗(yàn)單元，由航天員安裝至問天實(shí)驗(yàn)艙的生命生態(tài)通用實(shí)驗(yàn)?zāi)K中。次日，完成第一次液體加注，并開始在軌實(shí)驗(yàn)。這也是問天實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)首次開展實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)柜。
中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用中心研究員、載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)問天實(shí)驗(yàn)艙主任設(shè)計(jì)師趙黎平告訴記者，在空間微重力的條件下，實(shí)驗(yàn)通過調(diào)控光周期的途徑進(jìn)行。從8月5日開始，對(duì)水稻執(zhí)行12小時(shí)開、12小時(shí)關(guān)的照明周期，對(duì)擬南芥執(zhí)行16小時(shí)開、8小時(shí)關(guān)的照明周期，根據(jù)研究團(tuán)隊(duì)要求，確保溫度、濕度、光照控制正常。
鄭慧瓊介紹，這一項(xiàng)目聚焦“微重力條件下高等植物開花調(diào)控的分子機(jī)理”，選取的空間實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(fā)正常，并已進(jìn)入幼苗生長(zhǎng)階段。鄭慧瓊說，有意思的是，離開地球重力，水稻葉子生長(zhǎng)起初呈現(xiàn)螺旋形。眼下，高稈水稻達(dá)到了30厘米左右高，看上去“身軀”柔軟，像是“骨質(zhì)疏松”的樣子，矮稈水稻的葉子則有一部分“趴”在實(shí)驗(yàn)單元壁上。但總體發(fā)育進(jìn)程符合預(yù)期，有望在國(guó)際上首次在空間結(jié)出種子，完成微重力條件下“從種子到種子”全生命周期實(shí)驗(yàn)。部分?jǐn)M南芥已經(jīng)開始抽薹。
“影像透露的信息還很不全面，下一步我們將對(duì)植物的生長(zhǎng)行為作量化統(tǒng)計(jì)分析。”鄭慧瓊告訴記者，此次選擇的水稻種子生長(zhǎng)周期較短，地面上的高稈水稻一般70天左右結(jié)籽，在太空可能需要更長(zhǎng)時(shí)間，預(yù)計(jì)兩到三個(gè)月可以結(jié)出種子。實(shí)驗(yàn)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(jìn)行分析。此前，國(guó)際上只在空間環(huán)境做了兩次水稻種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)，鄭慧瓊團(tuán)隊(duì)在“天宮二號(hào)”實(shí)驗(yàn)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(yǎng)實(shí)驗(yàn)，聚焦三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題：微重力怎樣影響開花？微重力影響植物開花的分子機(jī)理是什么？能否利用微重力環(huán)境作用來控制植物的開花？圍繞這三個(gè)關(guān)鍵的科學(xué)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(diào)控開花的分子基礎(chǔ)與關(guān)鍵基因的表達(dá)變化，進(jìn)一步解析空間微重力條件下長(zhǎng)日照和短日照植物開花基因表達(dá)的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，以及二者在植物對(duì)空間環(huán)境適應(yīng)性中的作用機(jī)理。
“在此基礎(chǔ)上，我們可以獲得水稻空間培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)，為進(jìn)一步解析空間微重力對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育的影響及分子基礎(chǔ)，利用水稻進(jìn)行空間糧食生產(chǎn)提供重要理論指導(dǎo)。”鄭慧瓊說。
接下來，通過航天員在軌采集樣品，冷凍保存返回分析，科學(xué)家們可以揭示植物適應(yīng)空間環(huán)境的開花調(diào)控分子網(wǎng)絡(luò)及關(guān)鍵樞紐基因，并對(duì)其進(jìn)行功能驗(yàn)證，為下一步構(gòu)建適應(yīng)空間微重力環(huán)境的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)農(nóng)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(jī)會(huì)繼續(xù)送往空間站，在太空進(jìn)行兩到三代的繁殖。“未來有可能形成新的概念，帶動(dòng)微重力植物發(fā)育生物學(xué)研究的新發(fā)展，為未來空間蔬菜和糧食生產(chǎn)打下理論基礎(chǔ)。”韓斌說。
（本報(bào)記者 顏維琦）
標(biāo)簽： 植物生長(zhǎng)
