7月24日14時22分，問天實驗艙在我國文昌航天發(fā)射場成功發(fā)射。7月28日，載有實驗樣品擬南芥種子和水稻種子的實驗單元，由航天員安裝至問天實驗艙的生命生態(tài)通用實驗?zāi)K中。通過地面程序注入指令，7月29日正式啟動實驗。

8月29日，經(jīng)過為期一個月的培養(yǎng)，《中國科學報》從中科院獲悉，目前已成功啟動了擬南芥和水稻的種子萌發(fā)。擬南芥幼苗已長出多片葉子，高稈水稻幼苗已長至30厘米左右，矮稈水稻也有5～6厘米高。

中科院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心研究員鄭慧瓊表示，希望通過本次研究，在國際上首次完成空間微重力條件下水稻從“種子到種子”全生命周期的培養(yǎng)實驗，并獲得水稻培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)，為進一步解析空間微重力對水稻生長發(fā)育的影響及分子基礎(chǔ)、利用水稻進行空間糧食生產(chǎn)提供重要理論指導。

克服植物“航天綜合癥”

從二十世紀五十年代人類發(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，成為空間生命科學最為關(guān)注的問題。

從1963年起，科學家們對于在空間種植和栽培植物進行了大量的研究，國際上研制了21臺空間植物培養(yǎng)箱或者實驗?zāi)K，開展植物培養(yǎng)實驗。

鄭慧瓊說：“當植物進入太空失重環(huán)境，會發(fā)生各種‘航天綜合癥’，產(chǎn)生運動慢、方向亂、開花晚、長得慢、活得長、吐水多等現(xiàn)象。”

因此，早期空間植物培養(yǎng)實驗主要目標是如何在空間環(huán)境中養(yǎng)活植物，使其能夠萌發(fā)、生長、開花和產(chǎn)生種子，如今這些目標已經(jīng)實現(xiàn)。

與此同時，一些基本的空間植物生物學問題，如植物的向性生長，根的形成、萌發(fā)，種子成分，基因和蛋白質(zhì)的表達變化等，也在此過程得到了較為深入的研究。

隨著載人深空探測的發(fā)展深入，滿足航天員長期的空間生活和工作需求，不能只單純依靠從地球上攜帶糧食。要想真正解決人類長期空間探索的糧食保障問題，必須要解決在空間生產(chǎn)糧食這一難題。

由于地球生命不可能在嚴酷的太空環(huán)境條件下無保護地生存，未來的太空作物生產(chǎn)必須要在完全封閉的人造環(huán)境中進行，種植空間和能源供給都十分稀缺。因此，太空種植的農(nóng)作物必須具備高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、高生產(chǎn)效率和低能源消耗的要求。

“我們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，以此建立以植物為基礎(chǔ)的空間生物再生生命支持系統(tǒng)，最終實現(xiàn)人類長期太空探索的目標。”鄭慧瓊說。

從開花調(diào)控機理入手

據(jù)鄭慧瓊介紹，科學家的研究重點逐漸從對植物幼苗階段的研究擴展至種子生產(chǎn)研究。但是，目前只有油菜、小麥和豌豆少數(shù)幾種作物在空間完成了從種子到種子的實驗。

在空間條件下，植物開花時間延遲、開花數(shù)目少、種子結(jié)實率低和種子質(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，因此，研究如何控制植物發(fā)育的關(guān)鍵環(huán)節(jié)開花的調(diào)控機理尤為重要，這為改進空間植物培養(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)提供了基礎(chǔ)。

在這個背景下，鄭慧瓊研究團隊承擔了“微重力條件下高等植物開花調(diào)控的分子機理”生命科學實驗項目。本次項目將聚焦三個關(guān)鍵科學問題：微重力怎樣影響開花？微重力影響植物開花的分子機理是什么？能否利用微重力環(huán)境作用來控制植物的開花？

圍繞這三個關(guān)鍵的科學問題，本次空間實驗樣品采用了擬南芥和水稻兩種模式植物，研究在空間微重力條件下，擬南芥和水稻的開花調(diào)控的分子機理。

為何選用這兩種模式植物？鄭慧瓊解釋，擬南芥代表雙子葉、長日、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。

據(jù)介紹，科研人員通過分析比較微重力在植物開花過程中的作用，獲取微重力調(diào)控開花的分子基礎(chǔ)與關(guān)鍵基因的表達變化，進一步解析空間微重力條件下。長日和短日植物開花基因表達的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)以及二者在植物對空間環(huán)境適應(yīng)性中的作用機理。

探索植物生產(chǎn)效率最大化途徑

據(jù)鄭慧瓊介紹，水稻生長周期較短，水稻70天左右就能抽穗結(jié)籽，后續(xù)還會通過地面對照組實驗，進一步分析水稻在空間站的生長情況。

“因為我國在水稻上有著深厚的研究基礎(chǔ)，我們才可以在問天實驗艙開展相應(yīng)的科學實驗，這也是國際上首次對水稻‘從種子到種子’的研究。”鄭慧瓊說。

空間站“從種子到種子”全生命周期的培養(yǎng)研究有何作用？鄭慧瓊表示，這項研究可以探索利用空間環(huán)境因素控制植物的開花，來實現(xiàn)在較小的封閉空間中植物生產(chǎn)效率最大化的可能途徑。

此外，實驗還會通過航天員在軌采集樣品、冷凍保存返回分析，鑒定空間微重力調(diào)控植物開花的關(guān)鍵樞紐基因并對其進行功能驗證，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。

“實驗最理想的狀態(tài)是水稻在空間站結(jié)種、并在空間站繼續(xù)種植，我們后續(xù)還會開展相應(yīng)的基礎(chǔ)研究，探索空間站水稻生長規(guī)律是否有機會推廣到實際生產(chǎn)中。”鄭慧瓊表示。

微重力條件下水稻的生長發(fā)育情況（中科院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心供圖）

微重力條件下擬南芥的生長發(fā)育情況（中科院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心供圖）