“太空植物”擬南芥

孫二虎

2016年11月18日，神州十一號飛船返回地球，帶回了隨天宮二號前期進入太空的實驗植物擬南芥。這是一種什么樣的植物？有何“過人”之處，得以有幸進入太空？

2016年9月，中國發射了天宮二號空間實驗室，向建立中國自己的宇宙空間站邁出了重要一步。不久后的10月17日，神州十一號飛船載著兩名宇航員成功發射升空，并在兩天后與天宮二號完美對接，宇航員開始了天宮為期一個月的工作，開創中國宇航員在軌駐留33天的時間最長紀錄。

據報道，在神十一飛船返回地球時，還有一項任務：將在太空發芽、開花、結籽的擬南芥帶回地球。

那么，這“擬南芥”是何種“神圣植物”？它怎么會作為天宮二號空間實驗室中的被選實驗物種呢？

在天宮二號升空時搭載了一系列科學研究實驗裝置，我國科學家在天宮二號太空倉入軌后，通過遙控器完成預先設計的實驗。這其中有一項意義深遠的實驗，就是太空植物種植。科學家認為，未來人類如果能不依賴地球供應，而是在太空利用自己種植的糧食和蔬菜生活500天，那么人類在月球或者火星建立“別墅”度假村將有實際可能！

人類未雨綢繆，美俄等國家已經進行了多年的太空生物學研究，中國要建立自己的太空站，完成自己的登陸月球、火星等航天科技目標，我們當然要奮起直追。據報道，種植實驗物種有兩種，一是水稻，這是中國人的主要糧食，也是中國農業科技的強項；另一種就是擬南芥。水稻人人都認識，而“擬南芥”可能大多數人都不認識。

當我聽到“神十一”要從天宮二號帶回擬南芥的消息時，雖然天已近黑，且下著小雨，我還是冒著小雨出門：釆擬南芥。

雖是深秋，但在地處西南方的成都，應當找得到擬南芥。實際上，擬南芥在成都一年四季都會開花結籽。

擬南芥和油菜同家族，都是十字花科植物！可能很多成都人都認識，不認識的可能聽說過“甘油菜”，擬南芥就是成都人作野菜、作補肝草藥的甘油菜！

從圖中“油菜莢”的大小，你就可以知道擬南芥植株和種子的大小。實際上，它就是自然界中十分不起眼的小草！別看它小，在科學家眼中，它可能是太空種植實驗最理想的材料之一。

具體說，擬南芥八大特征決定其成為登上太空實驗室“寶座”的最佳選手。

其一，看似脆弱，實際極具生命活力以及繁殖力。這個特點很重要：在太空，實驗物種要經歷太空輻射、失重等等一系列與地面不同的生活逆境，首先抗逆不死，然后才能完成其他生理過程。

其二，光生理學方面，它是典型的長日照植物，與水稻短日照植物形成太空實驗的對照關系；兩種植物是具有代表性的、典型的受光周期調控的植物。

其三，目前對于擬南芥生產發育和基因表達情況非常清楚，如果在太空的生長過程中發生變化，很容易識別。

其四，科學家很早以前就注意到它作為種子植物的了不起的特點：從種子入土到開花結出新的種子只需一個多月時間。這對遺傳學家非常重要。植物傳代周期過長常常是農學遺傳育種的極大障礙。具體到此次天宮實驗，從9月到11月，如果順利的話，擬南芥可以完成2～3個“種子-種子”周期，為科學家提供更多的遺傳變異數據。

其五，擬南芥基因組是目前已知最小的植物基因組。現在已知擬南芥基因組大約為12500萬堿基對和5對染色體，因而成為一種應用廣泛的模式生物。什么是模式生物？模式生物就是被生物學家選定進行科學研究，用以揭示某種具有普遍規律的生命現象的生物物種。舉例來說：近代遺傳學奠基人孟德爾在豌豆雜交實驗的豌豆、摩爾根的果蠅、遺傳工程（基因工程）的大腸桿菌、現代生物醫學實驗室的小白鼠等等，都是模式生物。正是有了這些本底清楚、易于繁殖且操作簡便的模式生物，成就了多少科學家的事業，為人類的科技進步提供了極大貢獻。

其六，擬南芥是當前分子生物學研究最多的實驗材料之一。其基因表達、轉基因種類以及生物表觀特征都有較深入的研究和科技信息儲備，在世界科技信息交流途徑廣泛。例如，讓多種植物（特別是禾本科糧食作物）都獲得像豆科植物那樣能與根癌農桿菌共生從而使植物本身獲得“固氮”的本領，是科學家長期夢寐以求的事。科學家已知根癌農桿菌和豆科植物“聯姻”的途徑：該桿菌含有一種稱為“ Ti 質粒”的帶有特定基因的基因運載體，借助它可以在寄主植物特殊區域（vir區域）插入癌農桿菌的特定DNA序列，誘導在宿主植物中瘤狀物的形成，最終使目的基因轉移進宿主植物并起動工作，實現非豆科植物的固氮目的。可喜的是，科學家已經成功地完成了擬南芥Ti-vir株培養，并在一定程度上形成商品化科學材料，為固氮作物育種研究提供方便途徑。

其七，擬南芥是自花受粉物種，因此在生殖傳代過程中種子變異的可能性比異花授粉植物小得多，因而可以保持物種品系的純粹性。這個特點非常重要。例如白菜、蘿卜這些異花受粉作物，在種植中會出現嚴重的雜化現象，因此一個優良品種在幾代后優良品質很快丟失。對育種研究而言，怎樣保持一個新材料的特殊品性不會在后代種子中不失，最直接的方法就是自花授粉。這也是基因工程學家特別看重擬南芥的重要原因之一。據報道，這次登上天宮二號的擬南芥中，就有包括轉基因材料的不同品種，科學家在對比“天上和地上”兩種重力環境中形成植物種子的差異時，不會受到“雜交”因素的干擾。

其八，擬南芥是表觀遺傳學研究的重要模式物種。近百年以DNA為中心的遺傳學盡管取得絕對的優勢，但仍然不能完美解釋生物遺傳中的所有現象；從另一方面，許多用DNA遺傳學不能解釋的現象卻不斷提醒人們，兩百年來充滿爭議的拉馬克學說以及半個世紀以來一直被人垢病的“米丘林遺傳學”理論，卻可以解釋這些不符合DNA遺傳學的現象。這說明，拉馬克學說存在科學實驗的證據。例如，米丘林用“引種馴化”方法創造新的蘋果品種是缺乏基因遺傳學根據的，但事實上，“被馴化”的特征確實會在后代中表現出來。就連聲名狼藉的蘇聯農學家李森科的某些“偽科學”理論[例如他的“春化”（yarovization）理論]，也不斷在現代科學實驗室中獲得支持。更驚人的是，過去被主流遺傳學認為“荒謬”的電擊小白鼠實驗（20世紀70年代就有人做過類似的實驗），現在獲得了確鑿可信的結果。這實驗的結論是：被連續強化電擊的老鼠受到的精神創傷，會在下一代身上表現出來！更通俗地闡述這個結果就相當于是，如果一個人受過嚴重的肉體和精神的創傷，這個人的后代身上會有一種遺傳機制把先輩的創傷保留下來。

科學家在生物體（植物或動物）中找到了這種遺傳的分子機制，確定生物物種如何在DNA序列不發生改變的條件下，物種怎樣“獲得”并“遺傳”新的生物特性。這一科學新領域被稱為“表觀遺傳學（epigenetics）”。

一年前我在中科院院士評選材料中讀到曹曉風博士的工作介紹，內中關于影響擬南芥開花因素的文字觸碰到我的“痛處”：1993年我和同事一起去俄羅斯“引種北京大白菜”的失敗原因就在于大棚低溫引發的白菜苗“春化”，大批菜苗還沒出苗圃就開花，最后7公頃大白菜變成一片“戰地黃花”！也許這次失敗與表觀遺傳學有一定的關系。

祝愿小草擬南芥在中國航天生物學研究中有上佳的表現！