在太空生长120天的水稻有啥不一样？“太空植物”生长有何奥秘？

12月4日20时09分

神舟十四号载人飞船返回舱

在东风着陆场成功着陆

随舱下行的中国空间站

第三批空间科学实验样品

也在着陆场交付空间应用系统

其中就包括经历了120天

空间培育生长、完成发育全过程的

水稻和拟南芥种子

此次空间科学实验

我国在国际上首次在轨完成了

水稻“从种子到种子”的

全生命周期培养

获得了水稻种子

（图源：中科院）

那么

这120天的空间培育

如何实现“从种子到种子”？

微重力环境中生长的水稻

和地面有啥不一样？

水稻是人类主要粮食作物之一，也是未来载人深空探测生命支持系统的主要候选粮食作物。种子既是人类的粮食，也是繁殖下一代植物的载体。但是，国际上之前在空间只完成了拟南芥、油菜、豌豆和小麦“从种子到种子”的培养，而作为主要粮食作物的水稻，此前未能在空间完成全生命周期培养。

而如今，我国不仅达成了水稻“从种子到种子”全生命周期空间站培养实验，而且还收获了再生稻，稻穗数目也超出了实验团队的预期。那么，这样的成果是如何实现的呢？

（图源：中科院）

这两种实验种子跟随问天实验舱发射升空后，从7月29日注入营养液启动实验，至11月25日结束实验。该项目共在轨开展实验120天，完成了拟南芥和水稻种子萌发、幼苗生长、开花结籽全生命周期培养实验。

升空之后，航天员就把这个实验单元安装到问天舱实验柜的生命生态实验柜里面，生命生态实验柜可以给植物提供光照，保持温度和湿度并进行气体控制。

上天之前它是干种子，在空间站中有一部分种子是自动浇水的，一部分是航天员给浇水的。通过浇水，种子发芽、生长，然后再开花、结籽，这两种植物都完成了全生命周期的培育。

空间环境对植物来讲是巨大的逆境环境，因为生命都是适应地球重力的，没有重力对植物来说是一个很大的挑战。

我们做了很多次试验，给种子提供合适的水分和营养，在品种上进行一些改造，控制生长环境。例如，选用了对抗微重力比较厉害的、抗逆性和抗缺氧能力比较强的水稻品种。最重要的还是空间站的生命生态实验柜，为这次更新的植物培养技术提供了非常好的培养环境。

其间，航天员在轨进行了3次样品采集：

孕穗期水稻样品采集

拟南芥开花期样品采集

水稻和拟南芥种子成熟期样品采集

采集后，开花或孕穗期样品保存于-80℃低温存储柜中，种子成熟期样品保存于4℃低温存储柜中。

样品随神舟十四号返回地面

（图源：中科院）

本次空间项目完成了三项试验项目：

在轨完成了水稻从种子萌发、幼苗生长、抽穗到结籽全生命周期培养实验，并通过获取图像进行分析；

完成了剪株后空间再生稻成功培育并结出成熟种子（二茬）；

完成了拟南芥种子萌发、幼苗生长和3个不同生物钟调控的开花关键基因对空间微重力响应的图像观察分析，并在轨采集了样品。

通过对空间获取的图像进行分析，并与地面对照比较，科研人员发现，空间微重力对水稻的多种农艺性状，包括株高、分蘖数、生长速率、水分调控、对光反应、开花时间、种子发育过程及结实率等有多方面影响。

（图源：中科院）

①水稻株型在空间变得更为松散，主要是茎叶夹角变大。

②矮秆水稻变得更矮，高秆水稻的高度没有受到明显影响。

③生物钟控制的水稻叶片生长螺旋上升运动在空间更为凸显。

④水稻空间开花时间比地面略有提前，但灌浆时间延长了10多天，大部分颖壳不能关闭。

⑤ 水稻从剪株20天后就可以再生出两个稻穗，这说明在空间狭小的封闭环境中再生稻是可行的。

（图源：中科院）

①通过对空间拟南芥生长发育图谱的观察与分析发现，开花关键基因对微重力的响应与地面有明显差异，其中在地面提早开花的拟南芥在微重力条件下开花时间大大延长。

②生物钟基因突变后，空间拟南芥的下胚轴过度伸长，说明生物钟基因表达对于维持拟南芥在空间生长的正常形态和适应空间环境非常重要。

了解了在太空环境下，水稻“从种子到种子”全生命周期培育的实验过程，是不是对其中的奥秘更好奇了？以下是关于“太空植物”的四问四答，你想问的都有答案！

跟随神十四乘组返回的水稻和拟南芥样品已经交付了科研机构。那么，对水稻和拟南芥样品将开展哪些后续研究？

目前，返回水稻和拟南芥样品一部分已做固定处理，水稻种子将带回实验室继续培养。

①要对冷冻的植株进行一些组学分析报告，分析它的转录组研究和基因表达。

②要做一个蛋白质组的变化分析。

③一方面要观察种子后代的活力如何，另一方面也要看它的营养物质有没有变化，后续也要做进一步分析。

在空间站里种植植物，这些植物是如何得到充足的光照呢？

此次开展的实验，植物是在问天舱的实验柜里培养的，无法接受太阳光的照射。但是实验柜里有人工光源，通过调控光源的强度和光谱，可以为植物提供充足的光照，满足生长发育的需求。同时，科学家还可以根据不同植物生长对光的不同要求来设计相应的光照条件。

在太空实验空间完成对植物生长周期所需要的环境控制，实验团队面临的最大难题又是什么呢？

要在非常狭小的空间，而且是人造环境里完成农作物的全生命周期种植，是有非常大的难度的。保证每个发育阶段都能通过，且能够正常地生长是最大的难点，条件要求是非常苛刻的。

此次为何要选择拟南芥与水稻的种子在问天舱中进行培植呢？

拟南芥代表蔬菜，水稻代表粮食作物，可为将来载人深空探测蔬菜和粮食生产提供理论支持。尤其是水稻，作为人类主要的粮食作物，也是未来载人深空探测生命支持系统的主要候选粮食作物。而人类要在太空长期生存，就必须要保证植物能够在太空完成世代交替，成功繁殖种子。

事实上，我国乃至国际在太空育种上已经有过60多年的探索。科学家们对于在空间种植和栽培植物进行了大量研究，在各种空间飞行器中进行了数十种植物的培养实验。那么，为什么各国都在进行太空育种实验？太空育种到底有什么独特之处？

太空育种，也称空间诱变育种，是将农作物种子或试管种苗搭载返回式太空舱，进入太空，利用太空的高真空、宇宙射线、微重力等特殊环境的共同诱变作用，使生物自身产生基因变异，再回到陆地上，经过科研人员多代筛选、培育，形成特性稳定的新品种。

（图源：中科院）

“太空育种”起步于20世纪60年代，目前世界上只有美国、俄罗斯和中国三个国家成功进行了卫星搭载太空育种。中国的太空育种始于1987年，最开始仅为蔬菜种子，随着太空育种技术不断发展，粮食、蔬菜、水果、油料等农作物品种，花卉、中草药及制药、酿酒等微生物类都有涉及。超市常见的太空椒便是太空育种的成功品种。

相较于在地球土生土长的农作物，太空育种并在试验中培育成功的作物一方面整体耐性会更好，抗病性、抗热性、抗寒性都会有所提升；另一方面，太空育种在不受地球重力影响的情况下，株型会有所变化，后期如果试验成功，其收成也会大大提高。

从基因变异的角度讲，太空育种需要试验一段时间才有定论。最终试验成功并上市的种子，需要经历从太空带回来、登记到成果转化以及田间试验等共计5-8年的时间。

太空育种使基因变异频率高、变异周期短，可以创造出许多在地面上无法获得的新基因资源。同时，太空育种能够探索在失重的太空条件下，育种的环境条件改变后，对于植物种子的变化情况是否能够适应性生长，从而探索在太空中人类如何利用植物生存。

来源｜央视新闻、人民网、光明网、北京日报、北京商报、新华社等

编辑｜曹梦媛

主编丨蒋   琳

监审丨钟   倩