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“植物宇航员”满月了!高秆水稻一月身高窜到30厘米 拟南芥也长势喜人

图说:中科院分子植物卓越中心展示的培养盒,种植的水稻共有三排,前面两排是矮秆水稻,最后一排是高秆水稻 郜阳 摄(下同)

遥远的蔚蓝太空,天宫空间站环绕着牵挂着它的地球。

透过问天实验舱里的摄像头,人们惊喜地发现,“植物宇航员”在科研人员精心为它们打造的“太空之家”里有了变化: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厘米了,长得也很茁壮——就是“植物宇航员”的“家”只有14厘米高,高秆水稻不得不暂时弯下身子。

2022年7月29日,在航天员将载有“植物宇航员”的实验单元安装在问天实验舱生命生态通用模块中后,地面程序注入指令启动实验。在实验开展满月的日子,载人航天工程空间应用暨空间站高等植物培养实验阶段性进展情况介绍会,向人们带来了好消息!

从太空到天宫 “植物宇航员”住进“新家”

六年前,住着上海科研人巧手搭建的“太空温室”,两位“植物宇航员”水稻和拟南芥参与了多个“第一”:我国航天员首次参与生物样品的回收、国内首次从“种子到种子”的空间长周期培养……带给了地球上的人们无穷的想象。

我们为什么这么执着地要把植物带上太空?“随着载人深空探测技术的飞速发展,人们未来或许需要长时间在太空工作和生活,如何解决人类在太空中长期生存的粮食需求成为十分迫切的问题。”中国科学院院士、中科院分子植物科学卓越创新中心主任韩斌说,“在太空高真空、强辐射和微重力的环境中,包括植物在内的地球生命不可能在无保护的条件下生存。”

因此,在太空种植农作物必须在完全封闭的人造环境中进行,种植空间和能源都十分受限。尤其空间微重力环境导致作物生长形态发育和遗传调控等多方面产生巨大变化,严重影响了植物的生长。

图说:中科院分子植物卓越中心研究员郑慧琼介绍模式植物空间生长情况

分子植物卓越中心研究员郑慧琼从2002年神舟四号开始,就将目光投向了浩渺太空。从关注空间细胞融合到空间光周期调控开花,她在天宫二号开展的实验中发现,陌生环境里,拟南芥和水稻患上了“航天综合症”,变得不认方向,长得东倒西歪。还有就是,植物在太空开花更晚,长得也慢,可寿命却更长。

“目前,只有油菜、小麦和豌豆少数几种作物在空间完成了‘从种子到种子’的实验。不过,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没有克服。”韩斌坦言。

这次,中科院上海技术物理研究所为“植物宇航员”打造了更舒适的“太空之家”——科研人员克服种种困难,使生命生态实验系统中的温度、湿度、光照、液体和气体组分等都采用不同模块独立控制。除了自动注水外,还可调节二氧化碳浓度、去除乙烯气体。

“植物宇航员”也经过了“层层选拔”,郑慧琼告诉记者,与天宫二号的野生型拟南芥相比,此次随问天实验舱开启太空之旅的是转基因拟南芥——研究人员将经过分析受微重力影响较大的开花基因进行了设计,携带4种不同基因型——这样做同样是为了验证此前做出的判断。

图说:郑慧琼介绍空间与地面植物生长比较

从种子到种子 期待取得重要环境参数在此次向星河“问天”的任务里,郑慧琼团队承担了“微重力条件下高等植物开花调控的分子机理”生命科学实验项目。她透露,团队希望回答三个关键科学问题: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? 两位“植物宇航员”的“生日”是2022年7月29日。那天,地面程序注入指令启动了实验。满月的日子转眼到来,郑慧琼通过摄像头看到,问天舱中拟南芥和水稻种子萌发正常,并已进入幼苗生长阶段,部分拟南芥已经开始抽苔,水稻同样长势喜人,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!

图说:微重力情况下拟南芥的生长发育情况组图 来源/分子植物卓越中心

“水稻的生长受到了很明显的影响,比如叶的夹角变大,叶子生长变成螺旋状,节间伸长生长受到抑制等。”郑慧琼透露,“不过,总体发育进程符合预期,继续培养有望首次在空间结出种子。” 她透露,即将启动地面对照实验,通过比对分析了解微重力对植物生长的影响。此外,后续将利用航天员在轨采集的样品进行分子生物学分析,解析微重力参与调控开花的分子机理。“航天员在上天前都开展了相关培训,能够胜任这些生物学操作。”韩斌补充道。

图说:微重力条件下水稻的生长发育情况组图 来源/分子植物卓越中心

郑慧琼希望,通过这次研究,在国际上首次完成空间微重力条件下水稻从“种子到种子”全生命周期的培养实验,并获得水稻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。

记者获悉,本次空间实验样品拟南芥和水稻是两种模式植物。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。 “能在天上开展研究,表明有着坚实的地面基础。”郑慧琼说,“理想状态自然是‘天上收、天上种’,但现阶段,航天员会在返回前10-15天前收集‘植物航天员’的种子,保存在4℃的低温存储柜中带回地球,并利用种子培育后代。”她进一步解释,科研人员对于模式植物的材料背景都非常清楚。通过对返回的拟南芥和水稻样品展开分析,或能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。这将带动微重力植物发育生物学研究新的发展,为哪些植物能成为“太空粮食”提供理论基础。 当然,科研人员还畅想,能利用“太空二代”,继续在空间开展2-3代的培育,来验证长期空间环境中植物的遗传稳定性及其机理…… 值得一提的是,送“植物宇航员”去文昌与问天实验舱汇合时,恰逢“大上海保卫战”,许多航班停飞,分子植物卓越中心克服重重困难,通过地面运输的方式将实验样品如期送到了海南文昌发射基地。 见证着问天实验舱里“植物宇航员”的“节节高”,来自中国的科技工作者们更坚信,建立以植物为基础的空间生物再生生命支持系统,总有一天能到来! 新民晚报记者 郜阳