國(guó)際首次！中科院團(tuán)隊(duì)在中國(guó)空間站完成實(shí)驗(yàn)獲得水稻種子

水稻在問(wèn)天艙生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜通用生物培養(yǎng)模塊中完成從種子到種子全生命周期不同發(fā)育階段代表性圖片?！≈锌圃悍肿又参锟茖W(xué)卓越創(chuàng)新中心 供圖

中新網(wǎng)北京12月5日電 (記者 孫自法 鄭瑩瑩)記者12月5日從中國(guó)科學(xué)院(中科院)獲悉，中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究團(tuán)隊(duì)已完成在中國(guó)空間站進(jìn)行水稻和擬南芥育種實(shí)驗(yàn)，國(guó)際上首次在軌實(shí)現(xiàn)水稻從種子到種子全生命周期培養(yǎng)，成功收獲太空水稻種子。

空間水稻原生稻和再生稻圖片，顯示空間稻穗與穎殼張開(kāi)的表型?！≈锌圃悍肿又参锟茖W(xué)卓越創(chuàng)新中心 供圖

實(shí)驗(yàn)歷時(shí)120天進(jìn)行3次樣品采集

中國(guó)空間站第三批空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)樣品12月4日晚隨神舟十四號(hào)飛船返回艙返回地面，在著陸場(chǎng)交付中科院牽頭負(fù)責(zé)的中國(guó)載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)。這批樣品中就包括經(jīng)歷120天全生命周期的水稻和擬南芥種子，并于5日運(yùn)抵北京確認(rèn)完好后交付相關(guān)實(shí)驗(yàn)科學(xué)家。

中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心介紹說(shuō)，該中心鄭慧瓊研究團(tuán)隊(duì)承擔(dān)中國(guó)空間站“微重力條件下高等植物開(kāi)花調(diào)控的分子機(jī)理”生命科學(xué)項(xiàng)目，國(guó)際上首次在軌開(kāi)展水稻從種子到種子全生命周期培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，基于開(kāi)花是結(jié)種子的前提，研究團(tuán)隊(duì)還利用模式植物擬南芥，系統(tǒng)研究空間微重力對(duì)植物開(kāi)花的影響。

本次在軌實(shí)驗(yàn)共歷時(shí)120天，從2022年7月29日注入營(yíng)養(yǎng)液?jiǎn)?dòng)至11月25日結(jié)束，完成擬南芥和水稻種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)、開(kāi)花結(jié)籽全生命周期的培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)期間，航天員在軌進(jìn)行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(kāi)花期樣品采集、11月25日水稻和擬南芥種子成熟期樣品采集。

樣品采集后，開(kāi)花或孕穗期樣品保存于-80℃低溫存儲(chǔ)柜中，種子成熟期樣品保存于4℃低溫存儲(chǔ)柜。按計(jì)劃，這些樣品隨神舟十四號(hào)返回地面完成交接后，將轉(zhuǎn)運(yùn)至上海的實(shí)驗(yàn)室中做進(jìn)一步檢測(cè)分析。

空間再生水稻的過(guò)程圖像，圖中的時(shí)間為剪株后的天數(shù)?！≈锌圃悍肿又参锟茖W(xué)卓越創(chuàng)新中心 供圖

完成三大實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并與地面對(duì)照比較

鄭慧瓊研究員指出，本次空間項(xiàng)目主要完成三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

一是在軌完成水稻從種子萌發(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;

二是完成剪株后空間再生稻成功培育并結(jié)出成熟的種子(二茬)。

三是在軌完成擬南芥種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)和不同三個(gè)生物鐘調(diào)控的開(kāi)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。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)空間獲取的圖像分析，并與地面對(duì)照比較，發(fā)現(xiàn)空間微重力對(duì)水稻的多種農(nóng)藝性狀，包括株高、分蘗數(shù)、生長(zhǎng)速率、水分調(diào)控、對(duì)光反應(yīng)、開(kāi)花時(shí)間、種子發(fā)育過(guò)程以及結(jié)實(shí)率等產(chǎn)生多方面影響。

中科院空間應(yīng)用中心，返回樣品順利交接相關(guān)實(shí)驗(yàn)科學(xué)家?！≈锌圃嚎臻g應(yīng)用中心 供圖

太空育種實(shí)驗(yàn)收獲一系列初步發(fā)現(xiàn)

鄭慧瓊表示，這次在中國(guó)空間站開(kāi)展的育種實(shí)驗(yàn)已取得多項(xiàng)初步的重要發(fā)現(xiàn)，主要包括以下四個(gè)方面：

一是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。

二是水稻空間開(kāi)花時(shí)間比地面略有提前，但灌漿時(shí)間延長(zhǎng)了10多天，大部分穎殼不能關(guān)閉。開(kāi)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的生殖生長(zhǎng)是獲得高產(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。

中科院分子植物卓越中心鄭慧瓊研究員對(duì)返回實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行分解與固化。　中科院空間應(yīng)用中心 供圖

三是在空間進(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2個(gè)稻穗，說(shuō)明空間狹小的封閉環(huán)境中再生稻可行，這也為空間作物的高效生產(chǎn)提供新的思路和實(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)。

四是首次對(duì)空間生物鐘調(diào)控光周期開(kāi)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(kāi)花時(shí)間的擬南芥，分別是提前開(kāi)花、延遲開(kāi)花和正常開(kāi)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(kāi)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(kāi)花的擬南芥在微重力條件下開(kāi)花時(shí)間也大大的延長(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(kāi)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。研究團(tuán)隊(duì)后續(xù)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。