水稻的種子，到了太空能萌發(fā)、生長、開花，進而產(chǎn)生種子嗎？我國的空間科學(xué)實驗給出了答案。

12月4日，神舟十四號載人飛船返回艙在東風(fēng)著陸場成功著陸。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)實驗樣品交付空間應(yīng)用系統(tǒng)。

航天員在軌進行三次樣品采集

種子既是人類的糧食，也是繁殖下一代植物的載體，人類要在空間長期生存，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有在空間完成全生命周期的培養(yǎng)。

“我們在國際上首次完成了水稻從種子到種子全生命周期培養(yǎng)實驗。同時，開花是結(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植物開花的影響。”中國科學(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。

在我國空間站生命科學(xué)項目中，鄭慧瓊帶領(lǐng)的研究團隊承擔(dān)了“微重力條件下高等植物開花調(diào)控的分子機理”項目。

鄭慧瓊介紹，從2022年7月29日注入營養(yǎng)液啟動實驗，至11月25日結(jié)束實驗，“微重力條件下高等植物開花調(diào)控的分子機理”項目共開展在軌實驗120天，完成了擬南芥和水稻種子萌發(fā)、幼苗生長、開花結(jié)籽全生命周期的培養(yǎng)實驗。

Δ水稻在問天艙生命生態(tài)實驗柜通用生物培養(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)字表示注入營養(yǎng)液啟動實驗后的天數(shù)。

期間，航天員在軌進行了三次樣品采集，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，開花或孕穗期樣品保存于-80℃低溫存儲柜中，種子成熟期樣品保存于4℃低溫存儲柜。12月4日，這些樣品隨神舟十四號返回地面。按計劃，樣品在北京交接后，將被轉(zhuǎn)運至上海實驗室做進一步檢測分析。

鄭慧瓊表示，本次空間項目在軌完成了水稻從種子萌發(fā)、幼苗生長、抽穗和結(jié)籽全生命周期的培養(yǎng)實驗并成功獲取相關(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)、幼苗生長和三個不同生物鐘調(diào)控的開花關(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

“通過對空間獲取的圖像進行分析，并與地面對照組比較，我們發(fā)現(xiàn)了空間微重力對水稻的多種農(nóng)藝性狀的影響，包括株高、分蘗數(shù)、生長速率、水分調(diào)控、對光反應(yīng)、開花時間、種子發(fā)育過程以及結(jié)實率等。”鄭慧瓊說。

在軌實驗初步發(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，高稈水稻的高度沒有受到明顯影響。此外，生物鐘控制的水稻葉片生長螺旋上升運動在空間更為凸顯。

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的表型。

“水稻空間開花時間比地面略有提前，但是，灌漿時間延長了10多天，大部分穎殼不能關(guān)閉?！编嵒郗傉f，開花時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、獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)種子方面都有重要作用，此過程受到基因表達的調(diào)控，后續(xù)我們將利用返回樣品進一步分析。

同時，項目還在空間進行了再生稻實驗并獲得再生稻的種子。“剪株20天后就再生出了2個稻穗，說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驗證據(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空間再生水稻的過程圖像，圖中的時間為剪株后的天數(shù)。

此外，項目還首次對空間生物鐘調(diào)控光周期開花的關(guān)鍵基因進行了研究。利用基因突變和轉(zhuǎn)基因的方法，研究人員構(gòu)建了三種不同開花時間的擬南芥，分別是提前開花，延遲開花和正常開花（野生型）。

通過對空間擬南芥生長發(fā)育的圖譜進行觀察與分析，研究人員發(fā)現(xiàn)，開花關(guān)鍵基因?qū)ξ⒅亓Φ捻憫?yīng)與地面有明顯的差異。其中，在地面提早開花的擬南芥在空間微重力條件下開花時間也大大延長。

“生物鐘基因突變后，空間擬南芥的下胚軸過度伸長，說明生物鐘基因表達對于維持擬南芥在空間生長的正常形態(tài)和適應(yīng)空間環(huán)境非常重要，這為今后利用改造開花基因來促進植物適應(yīng)空間微重力環(huán)境提供了新方向。”鄭慧瓊說，后續(xù)研究團隊將進一步利用返回材料對擬南芥適應(yīng)空間環(huán)境的分子基礎(chǔ)進行深入解析。

來源：科技日報微信公眾號