“上天”植物别样新

太空育种创纪录

2022年12月4日20时09分，“神舟十四号”载人飞船返回舱在内蒙古东风着陆场成功着陆，航天员陈冬、刘洋和蔡旭哲顺利出舱，状况良好，还带回了来自太空的“礼物”，其中包括经历了120天太空生长发育全过程的水稻、拟南芥和蔓越莓的种子。它们每一种都意义非凡：水稻是粮食作物的代表，用来验证粮食作物在太空生长周期的理论；拟南芥代表蔬菜，用来验证蔬菜在太空生长的过程；蔓越莓则是太空育种的一部分，用来打破国外在相关技术方面的垄断。研究人员会对返回样品进行分子生物学、细胞学和代谢等相关检测及研究，解析空间微重力对水稻、拟南芥和蔓越莓的作用规律和分子基础。这些研究，将为进一步创制适应空间环境的作物和开发利用空间微重力环境资源提供理论依据。

太空育种即通过强辐射、微重力和高真空等太空综合环境因素，诱发植物种子的基因变异。亿万年来，地球植物的形态、生理和进化始终受到地球重力的影响，一旦进入失重状态，并受到其他物理辐射的作用，这些植物将有可能产生在地面上难以获得的基因变异。先进的航天技术为快速培育优良品种及特异种质资源开辟了一条新途径，展示了未来人类进入太空农业时代的美好图景。

此次空间科学实验的具体内容共有三项：一是在轨完成水稻种子萌发、幼苗生长、抽穗和结籽全生命周期的培养实验，并获取图像进行分析；二是完成了剪株后空间再生稻的成功培育，并结出了成熟的种子；三是在轨完成了拟南芥种子的萌发和幼苗生长，以及蔓越莓的太空育种。在此之前，国际上在空间站只完成了拟南芥、油菜、豌豆和小麦“从种子到种子”的培养，而这次我国不仅成为世界上首个在轨完成主要粮食作物水稻“从种子到种子”全生命周期空间站培养实验的国家，而且还收获了稻穗数目超出实验团队预期的再生稻。目前，我国航天育种的数量和应用率已达到世界第一，未来还将对更多的植物进行太空育种。

水稻和拟南芥的种子跟随问天实验舱发射升空后，航天员将它们安放到舱内的生命生态实验柜里面。生命生态实验柜给植物提供光照，保持温度和湿度并进行气体控制。从2022年7月29日注入营养液启动实验，到11月25日实验结束，水稻和拟南芥在生命生态实验柜里完成了种子萌发、幼苗生长、开花结籽的全生命周期。实验期间，航天员在轨进行了3次样品采集，分别是9月21日的孕穗期水稻样品采集，10月12日的拟南芥开花期样品采集，以及11月25日的水稻和拟南芥种子成熟期样品采集。采集后，孕穗期样品和种子成熟期样品分别保存于-80℃和4℃的低温存储柜中。与此同时，航天员还分别在水稻和拟南芥的花期做了样品采集。

要保证植物能够在太空实验空间内正常地生长发育，最大的难题在于如何在非常狭小的人造空间内完成农作物全生命周期的种植任务。在实验过程中，尽管植物无法接受阳光的照射，但是实验柜内安装的人工光源能解决这个难题——通过调控光源的强度和光谱，可以为植物提供充足的光照，满足植物生长发育的需求。科学家们还可以根据不同植物对光的不同需求，来设计相应的光照条件。

微重力下种水稻

水稻养活了世界上近一半的人口，是未来载人深空探测生命支持系统的主要候选粮食作物。水稻种子既是人类的粮食，也是繁殖下一代植物的载体。人类想要在太空长期生存，就必须保证植物能够在太空中完成世代交替，成功繁殖出种子。利用空间站微重力环境进行水稻育种，是空间植物学研究的重要方向之一。

在空间站的半年时间里，“神舟十四号”航天员乘组竟然种植了一季水稻，真是令人惊叹！在空间站微重力环境下生长的水稻，表现出的多种农艺性状都与地面有所不同。太空实验选择的水稻分为高秆和矮秆两种，水稻的株型在空间站生长得更为松散，矮秆水稻变得更矮，而高秆水稻的高度没有受到明显影响。此外，水稻叶片生长螺旋上升运动在空间站更为凸显。水稻在空间站中的开花时间比地面略有提前，但是灌浆时间延长了十多天，大部分颖壳不能关闭。开花时间和颖壳闭合均是水稻的重要农艺性状，两者在保障植物充分的生殖生长和获得高产优质种子方面都有重要作用。

此外，航天员还在空间站内开展了再生稻实验，并获得了再生稻的种子。水稻被剪株后，仅20天就再生出了2个稻穗。这说明再生稻在空间站这样狭小封闭的环境中也能生长，这为空间作物的高效生产提供了新的思路和实验证据。该技术可以大大增加单位体积的水稻产量，这也是国际上首次在空间站尝试再生稻技术。

太空育种，即利用独特的高空环境对植物形成诱变作用，以产生有益变异，之后工作人员再选育农作物新品种。这种方式也被称为“航天育种”或“空间诱变育种”。空间站的特殊环境会诱发农作物染色体畸变，导致生物遗传性状的变异，变异率较普通诱变育种高3～4倍。育种周期大约只有杂交育种的一半，可由8年缩短至4年左右。育出的种子具有高产、优质、早熟和抗病力强等特点。

这批太空水稻极具科研价值，能帮助科研人员深入了解被选定的生物物种（模式生物）响应深空环境的分子及遗传机制，为探索生命起源、物种进化和宇航生物安全提供理论支撑。此外，这批太空水稻将获取一批全新的、具有重要价值的优良基因，服务于水稻品种选育。

拟南芥肩负重任

2022年11月29日23时08分，另一批拟南芥种子随“神舟十五号”载人飞船奔赴太空，供航天员开展“空间微重力环境调控植物细胞结构和功能的分子网络研究”项目。约20小时后，它们被航天员安置在问天实验舱生命生态实验柜的通用生物培养箱中。在不到两天的时间里，它们就长出了嫩芽。通过这次空间实验，研究团队对拟南芥种子的某些与重力反应有关的基因进行了改造和标记跟踪，希望研究这些种子在特殊微重力环境中的表现，重新认识它们的生物学功能。

拟南芥与油菜、萝卜、卷心菜等同为十字花科植物，又名“鼠耳芥”“阿拉伯芥”“阿拉伯草”。拟南芥是一种名不见经传的小草，既不好吃，也不好看。由于毫无经济价值，有人用拟南芥比喻那些卑微、低贱之物，有个成语就叫“视若草芥”。但是，近一百年来，随着生物学和经典遗传学的蓬勃发展，科学家们逐渐注意到拟南芥的研究价值。生物学家为了研究某种具有普遍规律的生命现象，会选择一些能作为样品的生物，这类生物物种就被称为“模式生物”。现如今，拟南芥已成为全球应用最广泛的模式植物。

拟南芥植株较小，一个8平方厘米的培养钵可种植4～10株；生长周期短，从发芽到开花约4～6周；结籽多，每株可产生数千粒种子。这些特点使得它的突变表型易于观察，为突变体筛选提供了便利。这种植物易于转化，在含有合适抗生素的平板上能够健康生长的幼苗为转基因植株。整个转化过程操作简便、转化效率较高，为研究人员建立突变体库、进行实验研究提供了便利。

特别值得一提的是，拟南芥只有10条染色体，而且每条染色体都非常短小，染色体上携带的信息非常少，相对应的基因数量只有2.5万多个。这种特性意味着拟南芥很可能拥有所有植物都必须拥有的最小的基因集合，在它们身上所观察到的实验现象很可能也能在其他植物上观察到。拟南芥还是一种严格自花授粉的植物，这种授粉方式决定了它们身上的特征全部都是基因突变不断积累的结果。由于不需要与其他植株交换基因，亲代的遗传特征可以分毫不差地遗传给子代。如果拟南芥在空间站发生变异，那么所有的变异特征都会被保留下来。

中国空间站这次的在轨实验项目还首次对看不见的空间生物钟如何调控光周期开花的关键基因进行了研究。利用基因突变和转基因的方法，培养了3种不同开花时间的拟南芥，分别是提前开花、延迟开花和正常开花（野生型）。通过对空间站拟南芥生长发育的图谱进行观察与分析，科学家们发现开花的关键基因对太空微重力的响应与地面有明显的差异，其中在地面提早开花的拟南芥，在空间站微重力条件下开花时间会被大大延迟。

生物钟基因突变后，来自空间站的拟南芥下胚轴过度生长。这说明生物钟基因表达对于维持拟南芥在空间站生长的正常形态和适应太空环境非常重要，这为今后利用改造开花基因促进植物适应空间站微重力环境提供了新方向。后续，研究团队将进一步对拟南芥适应空间站环境的分子基础进行深入解析。

蔓越莓首次上天

蔓越莓又称“蔓越橘”，是杜鹃花科越橘属草本植物。蔓越莓整体看起来很像鹤，其花朵像鹤头和嘴，因此又被称为“鹤莓”。其果实为卵圆形浆果，长2～5厘米，生长过程中果实的颜色由白色变为深红色，有重酸微甜的口感。蔓越莓中含有原花青素、鞣花酸、酚酸、白藜芦醇等物质，具有抗菌的功效，对人体健康多有益处，能预防尿道感染、胃溃疡、胃癌、十二指肠溃疡和心血管疾病，保护口腔和牙齿健康，甚至可以作为药材使用。

蔓越莓素有“北美红宝石”的美誉，美国的产量占世界总产量的95%，其品种也一直被北美垄断。蔓越莓“洋种子”特别“娇气”，在国内只能选择和原产地同纬度、同环境的地区种植，从而限制了种植面积。由于产量上不去，质量不过关，严重影响了我国在国际市场上对蔓越莓价格的主导权。良种是制约种植的“卡脖子”技术难题，没有自产的种子就得向国外购买，价格受制于人不说，还面临着随时被“断种”的风险。

“神舟十四号”载人飞船携带5万粒蔓越莓种子，开创了国内蔓越莓太空育种的先河。这些蔓越莓种子来自黑龙江省抚远市东安村——这里是我国乃至亚洲最大的蔓越莓规模化种植基地。如果太空育种成功的话，可以根据我国土壤的性质和特点培育出具有我国自主知识产权的蔓越莓种植品种，这将具有划时代的意义。5万粒蔓越莓种子在经过太空特殊的环境诱导变异后，被实验人员带回地面，在科研院所经过短暂的“休整”后，“入驻”抚远市蔓越莓研发中心。后续，航天生物领域的科学家和科研单位的研究人员将一起在抚远市对“太空莓”开展温室繁育、种苗移栽、优良单株类型品种选育及区域试验，进行蔓越莓品种的改良创新。