國(guó)際上首次在空間站培育出水稻種子
- 發(fā)布時(shí)間：2022-12-07 08:07:31
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空間站第三批空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)樣品順利返回并交付實(shí)驗(yàn)科學(xué)家
國(guó)際上首次在空間站培育出水稻種子（科技自立自強(qiáng)）
本報(bào)記者吳月輝余建斌
北京時(shí)間12月4日20時(shí)09分，神舟十四號(hào)載人飛船返回艙在東風(fēng)著陸場(chǎng)成功著陸。當(dāng)天，隨艙下行的載人空間站第三批空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)樣品在著陸場(chǎng)交付空間應(yīng)用系統(tǒng)，并于次日凌晨返回北京，順利運(yùn)抵中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心，空間應(yīng)用系統(tǒng)總體與相關(guān)實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)樣品基本狀態(tài)的檢查，確認(rèn)返回樣品完好后，順利交接相關(guān)實(shí)驗(yàn)科學(xué)家。
返回的樣品包括3個(gè)生物樣品冷包和1個(gè)無(wú)容器樣品袋，其中3個(gè)生物樣品冷包裝載的是水稻和擬南芥的實(shí)驗(yàn)樣品，無(wú)容器樣品袋中為4盒無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)樣品。
水稻和擬南芥種子經(jīng)歷了120天全生命周期。水稻是人類主要的糧食作物，也是未來(lái)載人深空探測(cè)生命支持系統(tǒng)的主要候選糧食作物。利用空間微重力進(jìn)行水稻育種也是空間植物學(xué)研究的重要方向之一。人類要在空間長(zhǎng)期生存，就必須要保證植物能夠在空間成功繁殖種子。之前國(guó)際上在空間只完成了擬南芥、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，此前尚沒(méi)有能夠在空間完成水稻全生命周期的培養(yǎng)。
在我國(guó)空間站生命科學(xué)項(xiàng)目中，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心鄭慧瓊研究團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了“微重力條件下高等植物開花調(diào)控的分子機(jī)理”，在國(guó)際上首次開展了水稻從種子到種子全生命周期空間培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，開花是結(jié)種子的前提，研究團(tuán)隊(duì)利用模式植物擬南芥，也系統(tǒng)地研究了空間微重力對(duì)植物開花的影響。
本項(xiàng)目共在軌開展實(shí)驗(yàn)120天，完成了擬南芥和水稻種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)、開花結(jié)籽全生命周期的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。其間航天員在軌進(jìn)行了3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零下80攝氏度低溫存儲(chǔ)柜中，種子成熟期樣品保存于4攝氏度低溫存儲(chǔ)柜。12月4日，樣品隨神舟十四號(hào)返回地面。按計(jì)劃在北京交接樣品后，轉(zhuǎn)運(yùn)至上海實(shí)驗(yàn)室中做進(jìn)一步檢測(cè)分析。
本次空間項(xiàng)目主要完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：在軌完成了水稻從種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)、抽穗和結(jié)籽全生命周期的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)并通過(guò)獲取圖像進(jìn)行分析；完成了剪株后空間再生稻成功培育并結(jié)出了成熟的種子（二茬）；在軌完成擬南芥種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)和不同3個(gè)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。
實(shí)驗(yàn)初步發(fā)現(xiàn)，水稻的株型在空間變得更為松散，主要是莖葉夾角變大；矮稈水稻變得更矮，高稈水稻的高度沒(méi)有受到明顯的影響。此外，生物鐘控制的水稻葉片生長(zhǎng)螺旋上升運(yùn)動(dòng)在空間更為凸顯。
水稻空間開花時(shí)間比地面略有提前，但是灌漿時(shí)間延長(zhǎng)了10多天，大部分穎殼不能關(guān)閉。開花時(shí)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生殖生長(zhǎng)和獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)種子方面都有重要作用，此過(guò)程受到基因表達(dá)的調(diào)控，后續(xù)將利用返回樣品進(jìn)一步分析。
在空間進(jìn)行再生稻實(shí)驗(yàn)并獲得再生稻的種子。從剪株20天后就可以再生出兩個(gè)稻穗，說(shuō)明空間狹小的封閉環(huán)境中再生稻是可行的，為空間作物的高效生產(chǎn)提供了新的思路和實(shí)驗(yàn)證據(jù)。該技術(shù)可以大大增加單位體積中的水稻產(chǎn)量，也是國(guó)際上首次在空間嘗試的再生稻技術(shù)。
首次對(duì)空間生物鐘調(diào)控光周期開花的關(guān)鍵基因進(jìn)行研究。利用基因突變和轉(zhuǎn)基因的方法，構(gòu)建了3種不同開花時(shí)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(guò)對(duì)空間擬南芥生長(zhǎng)發(fā)育的圖普觀察與分析，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微重力條件下開花時(shí)間也大大延長(zhǎng)。
此外，生物鐘基因突變后，空間擬南芥的下胚軸過(guò)度伸長(zhǎng)，說(shuō)明生物鐘基因表達(dá)對(duì)于維持?jǐn)M南芥在空間生長(zhǎng)的正常形態(tài)和適應(yīng)空間環(huán)境非常重要，為今后利用改造開花基因來(lái)促進(jìn)植物適應(yīng)空間微重力環(huán)境提供了新方向。后續(xù)研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步利用返回材料對(duì)擬南芥適應(yīng)空間環(huán)境的分子基礎(chǔ)進(jìn)行深入解析。
同時(shí)返回的還有4盒無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)樣品。無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)柜是國(guó)內(nèi)首個(gè)、國(guó)際上第二臺(tái)在軌成功運(yùn)行的同類實(shí)驗(yàn)設(shè)施，到目前為止已實(shí)現(xiàn)在軌穩(wěn)定運(yùn)行590余天，順利完成了7盒材料樣品在軌實(shí)驗(yàn)，成功加熱樣品73顆。通過(guò)長(zhǎng)期在軌實(shí)驗(yàn)，空間應(yīng)用系統(tǒng)突破并掌握了一系列關(guān)鍵技術(shù)，獲取了大量重要的科學(xué)數(shù)據(jù)，揭示了一批空間實(shí)驗(yàn)新現(xiàn)象，并通過(guò)地面分析研究，產(chǎn)生了一些初步成果，在多個(gè)國(guó)際著名頂級(jí)期刊上發(fā)表多篇論文。
后續(xù)，科學(xué)家將繼續(xù)加快開展新型金屬合金深過(guò)冷凝固過(guò)程研究和熱物性參數(shù)測(cè)量，以獲得地面高性能制備工藝關(guān)鍵條件，指導(dǎo)地面新材料制備。