中國(guó)科學(xué)院分子植物卓越中心首次完成水稻從種子到種子全生命周期空間培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)

　　北京時(shí)間12月4日，神舟十四號(hào)載人飛船返回艙在東風(fēng)著陸場(chǎng)成功著陸。當(dāng)天，經(jīng)歷了120天全生命周期的水稻和擬南芥種子，隨同其他載人空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)樣品交付空間應(yīng)用系統(tǒng)。

 

　　水稻是人類主要的糧食作物，養(yǎng)活了世界上近一半的人口，也是未來(lái)載人深空探測(cè)生命支持系統(tǒng)的主要候選糧食作物。利用空間微重力進(jìn)行水稻育種也是空間植物學(xué)研究的重要方向之一。種子既是人類的糧食，也是繁殖下一代植物的載體，人類要在空間長(zhǎng)期生存，就必須要保證植物能夠在空間完成世代交替，成功繁殖種子。但是，之前國(guó)際上在空間只完成了擬南芥、油菜、豌豆和小麥從種子到種子的培養(yǎng)，而主要糧食作物水稻，此前尚沒(méi)有能夠在空間完成水稻全生命周期的培養(yǎng)。

 

　　在我國(guó)空間站生命科學(xué)項(xiàng)目中，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心鄭慧瓊研究團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了“微重力條件下高等植物開(kāi)花調(diào)控的分子機(jī)理”，在國(guó)際上首次開(kāi)展了水稻從種子到種子全生命周期培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，開(kāi)花是結(jié)種子的前提，研究團(tuán)隊(duì)利用模式植物擬南芥，也系統(tǒng)地研究了空間微重力對(duì)植物開(kāi)花的影響。

 

　　從2022年7月29日注入營(yíng)養(yǎng)液?jiǎn)?dòng)實(shí)驗(yàn)，至11月25日結(jié)束實(shí)驗(yàn)，本項(xiàng)目共在軌開(kāi)展實(shí)驗(yàn)120天，完成了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)行了三次樣品采集，包括9月21日孕穗期水稻樣品采集；10月12日擬南芥開(kāi)花期樣品采集和11月25日水稻和擬南芥種子成熟期樣品采集。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。12月4日，樣品隨神舟十四號(hào)返回地面。按計(jì)劃在北京交接樣品后，轉(zhuǎn)運(yùn)至上海實(shí)驗(yàn)室中做進(jìn)一步檢測(cè)分析。

 

　　本次空間項(xiàng)目主要完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：（1）在軌完成了水稻從種子萌發(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；（2）完成了剪株后空間再生稻成功培育并結(jié)出了成熟的種子（二茬）；（3）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。

 

　　通過(guò)對(duì)空間獲取的圖像分析，并與地面對(duì)照比較，研究發(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)率等多方面的影響。實(shí)驗(yàn)初步發(fā)現(xiàn)：

 

　?。?）水稻的株型在空間變得更為松散，主要是莖葉夾角變大；矮桿水稻變得更矮，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。

 

　?。?）水稻空間開(kāi)花時(shí)間比地面略有提前，但是，灌漿時(shí)間延長(zhǎng)了10多天，大部分穎殼不能關(guān)閉（圖1和圖3）。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。

 

　　（3）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天后就可以再生出了2個(gè)稻穗（圖2和圖3），說(shuō)明空間狹小的封閉環(huán)境中再生稻是可行的，為空間作物的高效生產(chǎn)提供了新的思路和實(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)。

 

　　（4）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)建了三種不同開(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。后續(xù)研究團(tuán)隊(duì)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。