微重力条件下水稻的生长发育情况。中科院分子植物科学卓越创新中心供图

■本报记者 高雅丽

7月24日14时22分，我国首个空间站科学实验舱——问天实验舱在文昌航天发射场成功发射。7月28日，载有实验样品拟南芥种子和水稻种子的实验单元，由航天员安装至问天实验舱的生命生态通用实验模块中，通过地面程序注入指令，7月29日正式启动实验。

8月29日，经过为期一个月的培养，《中国科学报》从中国科学院获悉，目前已成功启动了拟南芥和水稻的种子萌发。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，矮秆水稻也有5～6厘米高。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员郑慧琼表示，希望通过本次研究，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。

克服植物“航天综合征”

从20世纪50年代人类发射第一颗人造地球卫星以来，如何利用植物保障人类在地外环境中生存所需要的食物、氧气和纯净水，成为空间生命科学最为关注的问题。

从1963年起，科学家们对于在空间种植和栽培植物进行了大量的研究，国际上研制了21个空间植物培养箱或实验模块，开展植物培养实验。

“当植物进入太空失重环境，会发生各种‘航天综合征’，产生方向乱、开花晚、长得慢、活得长、吐水多等现象。”郑慧琼告诉记者。

因此，早期空间植物培养实验主要目标是如何在空间环境中养活植物，使其能够萌发、生长、开花和产生种子。如今，这些目标已经实现。

与此同时，一些基本的空间植物生物学问题，如植物的向性生长，根的形成、萌发，种子成分，基因和蛋白质的表达变化等，也在此过程中得到了较为深入的研究。

随着载人深空探测的进一步发展，要满足航天员长期的空间生活和工作需求，不能只单纯依靠从地球上携带粮食。要想真正解决人类长期空间探索的粮食保障问题，必须解决在空间内生产粮食这一难题。

由于地球生命不可能在严酷的太空环境条件下无保护地生存，未来的太空作物生产必须在完全封闭的人造环境中进行，种植空间和能源供给都十分稀缺。因此，太空种植的农作物必须具备高产优质、高生产效率和低能源消耗的要求。

“我们研究在完全封闭太空条件下如何培养或栽培植物，是希望探索作物在太空环境中高效生产所需要的条件因素和技术途径，筛选和创建适合太空生产的农作物新品种，以此建立以植物为基础的空间生物再生生命支持系统，最终实现人类长期太空探索的目标。”郑慧琼说。

从开花调控机理入手

据郑慧琼介绍，当下科学家的研究重点已逐渐从对植物幼苗阶段的研究扩展至种子生产研究。但是，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。

在空间条件下，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然没有克服。

“开花”是植物结出新一代种子的前提，因此研究如何控制植物发育的关键环节，开花的调控机理尤为重要。这为改进空间植物培养技术，探索更多的适应空间生命保障要求的粮食作物生产提供了基础。

在这一背景下，郑慧琼研究团队承担了“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。该项目聚焦三个关键科学问题：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？

围绕这三个关键科学问题，本次空间实验样品采用了拟南芥和水稻两种模式植物，研究在空间微重力条件下，拟南芥和水稻开花调控的分子机理。

为何选用这两种模式植物？郑慧琼解释，拟南芥代表双子叶、长日、十字花科植物，很多蔬菜，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，如小麦、玉米等属于禾本科。

据介绍，科研人员通过分析比较微重力在植物开花过程中的作用，获取微重力调控开花的分子基础与关键基因的表达变化，进一步解析空间微重力条件下，长日和短日植物开花基因表达的调控网络，以及二者对空间环境适应性的作用机理。

探索植物生产效率最大化途径

据郑慧琼介绍，本次实验用的水稻生长周期较短，70天左右就能抽穗结籽，后续还会通过地面对照组实验，进一步分析水稻在空间站的生长情况。

“我国在水稻方面有着深厚的研究基础，航天员在轨时间能够满足水稻生长周期要求，同时问天实验舱提供了适宜水稻生长的温度，我们才可以顺利开展科学实验。这也是国际上首次对水稻‘从种子到种子’的研究。”郑慧琼说。

空间站“从种子到种子”全生命周期的培养研究有何作用？郑慧琼表示，这项研究可以探索利用空间环境因素控制植物开花，以探寻在较小的封闭空间中植物生产效率最大化的可能途径。

此外，实验还会通过航天员在轨采集样品、冷冻保存返回分析，鉴定空间微重力调控植物开花的关键枢纽基因并对其进行功能验证，为下一步构建适应空间微重力环境的高产优质农作物提供分子元件。

“实验最理想的状态是水稻在空间站结种，并在空间站继续种植。我们后续还会开展相应的基础研究，探索空间站水稻生长规律并推广到实际生产中。”郑慧琼表示。