水稻種子的太空旅行

朱林崎

1987年8月，中國返回式衛(wèi)星首次將一批水稻、番茄和青椒等種子送入太空，開啟了種子的太空“奇遇之旅”。這種“旅行”被稱為航天育種，是讓種子先“上天”，利用太空近似真空、充滿宇宙射線、微重力等特殊環(huán)境，誘使種子發(fā)生基因突變。變異后的種子再“入地”，經(jīng)科研人員篩選及多代選育，最終獲得優(yōu)良新品種。

太空“奇遇之旅”的優(yōu)勢在于變異過程快，變異幾率高、變異范圍廣，是緩解優(yōu)質(zhì)農(nóng)作物種源貧乏的有效途徑之一。經(jīng)過30多年的發(fā)展，水稻已成為中國航天育種里太空旅行次數(shù)最多、研究成果最顯著的作物。

在展覽中展示的太空水稻

太空“ 奇遇之旅” 其實(shí)是一場大冒險，太空環(huán)境誘發(fā)的基因變異可遇不可求，雖然概率高于自然變異的水平，但平均也只有0.5‰～5‰，其中有益的突變大約只占總變異量的3%。回到地面之后，種子的篩選就像開盲盒，要培育到第二代才可以開始選拔性能優(yōu)異的種子，經(jīng)過6 ～8代培育和層層篩選，5～10年才能誕生新品種。

2020年12月，嫦娥五號月球探測器攜帶的2500粒水稻種子， 在歷時23天、近80萬千米的“奔月旅行”后順利返回地球。這批種子名為“航聚香絲苗”，是從1 萬個品種中脫穎而出的“驕子”。“航聚香絲苗”是出身名門的“航二代”，“父親”華航31 號和“母親”航恢1508 都是航天育種的成果。

這批種子除了是目前為止飛得最遠(yuǎn)的水稻種子之外，還脫離了地球磁場保護(hù)，遭遇了更強(qiáng)的輻射和太陽黑子，可能會誘發(fā)更強(qiáng)烈的基因突變。科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)它們在產(chǎn)量、品質(zhì)和抗病性上的一些特殊變異。

2021年7月，在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地種下的“奔月”水稻種子迎來了第一次收獲（ 下圖）。2～3年會有第一批產(chǎn)品出現(xiàn)，5～10年將完成全面研究。

研究人員對成熟的“奔月”水稻進(jìn)行取樣（ 來源/華南農(nóng)業(yè)大學(xué)）

地面種植水稻（A） 與太空種植水稻（B）對比（ 來源/日本大阪市立大學(xué)保尊隆享教授）

在太空生長的水稻吐水，比地面對照組明顯增加（ 來源/中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心）

標(biāo)準(zhǔn)水稻品種的株高比較長（水稻的株高因其品種而存在差異，一般在70～100 厘米），對光照強(qiáng)度要求高，因此，在太空有限的空間內(nèi)建立水稻栽培設(shè)施頗為困難。要保證水稻每個發(fā)育階段都能正常生長，對太空實(shí)驗(yàn)條件要求也非常苛刻，所以，早期在太空對水稻全生命周期種植的研究并不多，水稻種子的太空旅行主要是發(fā)芽、成長的“萌動之旅”。科學(xué)家聚焦微重力環(huán)境對稻苗萌發(fā)和生長的影響，開展向地性、向光性、根的形成、基因和蛋白質(zhì)的表達(dá)變化等研究，為太空水稻栽培及品種選育提供指導(dǎo)。

水稻的太空“萌動之旅”往往“水土不服”，一邊“懵懂”一邊“萌動”——表現(xiàn)為生長方向亂、長得慢、活得長、吐水多等。

例如，1998年，美國國家航空航天局在發(fā)現(xiàn)號航天飛機(jī)上進(jìn)行了地面和太空種植水稻的比較實(shí)驗(yàn)。在微重力環(huán)境下，由于失去了重力引導(dǎo)，水稻幼苗生長方向不受調(diào)控，根和莖失去了方向感，隨機(jī)自由生長，變成一團(tuán)亂麻（ 如左上圖所示）。

2016年，中國天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室曾試種水稻，發(fā)現(xiàn)太空水稻葉尖吐水比地面顯著增加，葉尖的露珠明顯更多更大（ 如右上圖所示）。

水稻完成“從種子到種子”全生命周期不同發(fā)育階段代表性圖片。圖像上的數(shù)字表示注入營養(yǎng)液，啟動實(shí)驗(yàn)后的天數(shù)（ 來源/中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心）

水稻根部從土壤中吸出水分，由根壓驅(qū)動將水分運(yùn)輸至葉子的頂部，水分從葉片上滲出凝成水滴，這就是水稻吐水。在地球上，水滴在重力作用下自然落地；但在太空微重力環(huán)境下，水滴不會落下，而是越凝越大，葉片會一直頂著大水珠生長，水分無法有效循環(huán)。科研人員為此給水稻做了一個水回收裝置，防止水稻被自己的“唾液”淹死。

隨著太空植物栽培系統(tǒng)不斷進(jìn)步，以及超矮稈水稻的培育成功，太空水稻研究重點(diǎn)逐漸由植物幼苗階段擴(kuò)展至種子生產(chǎn)階段，一種新的太空旅行方式——“重生之旅”橫空出世。

2022年7月，中國在天宮空間站內(nèi)進(jìn)行了常規(guī)高稈水稻和超矮稈水稻“小薇”的種植實(shí)驗(yàn)。其中，常規(guī)水稻萌發(fā)、生長、抽穗并結(jié)出種子，完成了歷時120天的全生命周期培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，這是國際上首次實(shí)現(xiàn)水稻在太空“從種子到種子”的全生命周期培養(yǎng)。

天宮空間站中，水稻原生稻和再生稻（ 來源/ 中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心）

水稻生下“兒子”完成剪株后，又進(jìn)行了再生稻實(shí)驗(yàn)，20 天后再生出兩個稻穗，收獲了水稻“孫子”（ 如上圖所示）。這是國際上首次在太空嘗試再生稻技術(shù)，為太空作物的高效生產(chǎn)提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)和新思路。

帶回地球的水稻種子今后還有機(jī)會繼續(xù)送往空間站，在太空進(jìn)行兩到三代的繁殖，這對未來空間糧食生產(chǎn)、人類長期空間探索的糧食保障意義重大。在未來，水稻種子還將開啟新的太空旅行，讓我們一起期待吧！

（責(zé)任編輯 / 高琳 美術(shù)編輯 / 周游）

保護(hù)水稻生命的生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜

天宮空間站生命生態(tài)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜結(jié)構(gòu)圖（ 來源/ 中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心）

水稻的太空“重生之旅”得以順利實(shí)現(xiàn)，天宮空間站的生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜功不可沒。2016年水稻在天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室“試種”時，由于天宮二號的高等植物培養(yǎng)箱，無法同時為開展實(shí)驗(yàn)的擬南芥和水稻提供不同溫度，所以水稻未能結(jié)籽。

而在天宮空間站，生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜的通用生物培養(yǎng)模塊為植物種植提供穩(wěn)定的溫度、光照、二氧化碳濃度及濕度等，同時創(chuàng)新性地提供了雙溫區(qū)設(shè)計(jì)，使擬南芥和水稻能同時在各自適宜的溫區(qū)生長，為水稻完成“從種子到種子”的過程創(chuàng)造了良好的培育環(huán)境。