国际首次!我国完成水稻全生命周期空间培养实验

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  ◎科技日报记者 陆成宽

  水稻的种子,到了太空能萌发、生长、开花,进而产生种子吗?我国的空间科学实验给出了答案。

  12月4日,神舟十四号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆。当天,随舱返回的水稻和拟南芥种子,连同其他空间科学实验样品交付空间应用系统。

  航天员在轨进行了三次样品采集

  种子既是人类的粮食,也是繁殖下一代植物的载体,人类要在空间长期生存,就必须要保证植物能够在空间完成世代交替,成功繁殖种子。

  然而,之前国际上只在空间完成了拟南芥、油菜、豌豆和小麦“从种子到种子”的培养,而主要粮食作物水稻并没有在空间完成全生命周期的培养。

  “我们在国际上首次完成了水稻‘从种子到种子’全生命周期空间培养实验。同时,开花是结种子的前提,我们还利用模式植物拟南芥,系统地研究了空间微重力对植物开花的影响。”中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员郑慧琼告诉记者。

  在我国空间站生命科学项目中,郑慧琼带领的研究团队承担了“微重力条件下高等植物开花调控的分子机理”项目。

  郑慧琼介绍,从2022年7月29日注入营养液启动实验,至11月25日结束实验,“微重力条件下高等植物开花调控的分子机理”项目共开展在轨实验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的培养实验。

  其间,航天员在轨进行了3次样品采集,包括9月21日孕穗期水稻样品采集、10月12日拟南芥开花期样品采集、11月25日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。12月4日,这些样品随神舟十四号返回地面。按计划,样品在北京交接后,将被转运至上海实验室做进一步检测分析。

  郑慧琼表示,本次空间项目在轨完成了水稻从种子萌发、幼苗生长、抽穗和结籽全生命周期的培养实验并成功获取相关图像;成功完成剪株后空间再生稻培育并结出了成熟的种子,即二茬种子;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。

  空间微重力影响水稻的多种农艺性状

  “通过对空间获取的图像进行分析,并与地面对照组比较,我们发现了空间微重力对水稻的多种农艺性状的影响,包括株高、分蘖数、生长速率、水分调控、对光反应、开花时间、种子发育过程以及结实率等。”郑慧琼说。

  在轨实验初步发现,水稻的株型在空间变得更为松散,矮秆水稻变得更矮,高秆水稻的高度没有受到明显影响。此外,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。

  “水稻空间开花时间比地面略有提前,但是,灌浆时间延长了10多天,大部分颖壳不能关闭。”郑慧琼说,开花时间和颖壳闭合均是水稻的重要农艺性状,二者在保障植物充分的生殖生长、获得高产优质种子方面都有重要作用,此过程受到基因表达的调控,后续我们将利用返回样品进一步分析。

  同时,项目还在空间进行了再生稻实验并获得再生稻的种子。“剪株20天后就再生出了2个稻穗,说明空间狭小的封闭环境中再生稻是可行的。这为空间作物的高效生产提供了新的思路和实验证据。”郑慧琼表示,该技术可以大大增加单位体积的水稻产量,也是国际上首次在空间尝试的再生稻技术。

  此外,项目还首次对空间生物钟调控光周期开花的关键基因进行了研究。利用基因突变和转基因的方法,研究人员构建了3种不同开花时间的拟南芥,分别是提前开花、延迟开花和正常开花(野生型)。

  通过对空间拟南芥生长发育的图谱进行观察与分析,研究人员发现,开花关键基因对微重力的响应与地面有明显的差异。其中,在地面提早开花的拟南芥在空间微重力条件下开花时间也大大延长。

  “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,这为今后利用改造开花基因来促进植物适应空间微重力环境提供了新方向。”郑慧琼说,后续研究团队将进一步利用返回材料对拟南芥适应空间环境的分子基础进行深入解析。

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