國際首次！中科院團(tuán)隊在中國空間站完成實驗獲得水稻種子

水稻在問天艙生命生態(tài)實驗柜通用生物培養(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)隊已完成在中國空間站進(jìn)行水稻和擬南芥育種實驗，國際上首次在軌實現(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的表型?！≈锌圃悍肿又参锟茖W(xué)卓越創(chuàng)新中心 供圖

實驗歷時120天進(jìn)行3次樣品采集

中國空間站第三批空間科學(xué)實驗樣品12月4日晚隨神舟十四號飛船返回艙返回地面，在著陸場交付中科院牽頭負(fù)責(zé)的中國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日運抵北京確認(rèn)完好后交付相關(guān)實驗科學(xué)家。

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

本次在軌實驗共歷時120天，從2022年7月29日注入營養(yǎng)液啟動至11月25日結(jié)束，完成擬南芥和水稻種子萌發(fā)、幼苗生長、開花結(jié)籽全生命周期的培養(yǎng)。實驗期間，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，開花或孕穗期樣品保存于-80℃低溫存儲柜中，種子成熟期樣品保存于4℃低溫存儲柜。按計劃，這些樣品隨神舟十四號返回地面完成交接后，將轉(zhuǎn)運至上海的實驗室中做進(jìn)一步檢測分析。

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

完成三大實驗內(nèi)容并與地面對照比較

鄭慧瓊研究員指出，本次空間項目主要完成三項實驗內(nèi)容：

一是在軌完成水稻從種子萌發(fā)、幼苗生長、抽穗和結(jié)籽全生命周期的培養(yǎng)實驗并通過獲取圖像進(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)、幼苗生長和不同三個生物鐘調(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。

研究團(tuán)隊通過對空間獲取的圖像分析，并與地面對照比較，發(fā)現(xiàn)空間微重力對水稻的多種農(nóng)藝性狀，包括株高、分蘗數(shù)、生長速率、水分調(diào)控、對光反應(yīng)、開花時間、種子發(fā)育過程以及結(jié)實率等產(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)實驗科學(xué)家。　中科院空間應(yīng)用中心 供圖

太空育種實驗收獲一系列初步發(fā)現(xiàn)

鄭慧瓊表示，這次在中國空間站開展的育種實驗已取得多項初步的重要發(fā)現(xiàn)，主要包括以下四個方面：

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，高稈水稻的高度沒有受到明顯的影響。此外，生物鐘控制的水稻葉片生長螺旋上升運動在空間更為凸顯。

二是水稻空間開花時間比地面略有提前，但灌漿時間延長了10多天，大部分穎殼不能關(guān)閉。開花時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是獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)種子方面都有重要作用，此過程受到基因表達(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返回實驗樣品進(jìn)行分解與固化?！≈锌圃嚎臻g應(yīng)用中心 供圖

三是在空間進(jìn)行再生稻實驗并獲得再生稻的種子。從剪株20天后就可以再生出2個稻穗，說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)提供新的思路和實驗證據(jù)。該技術(shù)可以大大增加單位體積中的水稻產(chǎn)量，也是國際上首次在空間嘗試的再生稻技術(shù)。

四是首次對空間生物鐘調(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)，通過對空間擬南芥生長發(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間也大大的延長。

此外，生物鐘基因突變后，空間擬南芥的下胚軸過度伸長，說明生物鐘基因表達(dá)對于維持?jǐn)M南芥在空間生長的正常形態(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)隊后續(xù)將進(jìn)一步利用返回材料對擬南芥適應(yīng)空間環(huán)境的分子基礎(chǔ)進(jìn)行深入解析。