水稻種子的太空“奇幻漂流”

上海科技獎勵研究成果科普化特別報道

我國科學家在國際上首次在空間完成了水稻從種子到種子全生命周期的培養實驗，這一突破為未來載人深空探測的糧食保障帶來了新的曙光。

在太空種水稻

人類探索宇宙的腳步從未停歇，走出地球、邁向深空一直是我們的夢想。然而，要想實現在月球、火星建立基地，開啟星際生活的夢想，一個現實的問題擺在眼前——如何在太空獲取足夠的食物？

自20世紀40年代空間生物學誕生，“如何在空間微重力環境中獲得種子”一直都是各航天大國空間生物實驗的重要目標之一。但是，國內外大多數空間植物學實驗都是20天以內的幼苗生長階段或干種子空間搭載實驗，只有油菜、豌豆、小麥和擬南芥少數幾種植物在空間完成了從種子到種子的實驗。在2022年之前，水稻在太空的全生命周期培養研究一直是空白。作為養活世界近一半人口的主要糧食作物，水稻若能在太空成功種植，將為未來載人深空探測和星際定居提供關鍵的糧食保障。

2022年，中國科學院分子植物科學卓越創新中心鄭慧瓊研究團隊和中國科學院上海技術物理研究所張濤團隊共同完成了“空間微重力對植物從種子到種子生長發育作用機理研究”項目。項目利用“實踐十號”科學實驗衛星、“天宮二號”空間實驗室和天宮空間站系統地研究了擬南芥和水稻在空間生長發育變化的規律，以及微重力條件下植物開花時間控制的分子途徑，在國際上首次在空間完成了水稻從種子到種子全生命周期的培養實驗。

2022年7月24日，問天實驗艙成功發射，它搭載了生命生態實驗柜等科學實驗柜。7月28日，水稻和擬南芥種子實驗單元被航天員小心翼翼地安裝到問天實驗艙的通用生物實驗模塊中，開啟了為期120天的太空生長之旅。在這120天里，航天員如同勤勞的園丁，精心照料著這些水稻，通過攝像頭實時監控水稻的生長情況，見證它們經歷種子萌發、幼苗生長、抽穗開花、灌漿結籽4個關鍵階段。

水稻在問天艙生命生態實驗柜通用生物培養模塊中完成從種子到種子全生命周期不同發育階段代表性圖片

（圖像上的數字表示注入營養液啟動實驗后的天數）

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

（圖片來源：中國科學院分子植物科學卓越創新中心）

微重力下的奇妙生長

在地球上，重力引導植物的根向下生長，莖向上生長，一切都顯得自然有序。但是，在太空微重力環境下，水稻的生長模式變得截然不同。

水稻幼苗的莖葉生長方向變得隨機，葉片經常會疊在一起，就像一群迷失方向的舞者，這使得它們無法像在地球上那樣高效利用光能進行光合作用。隨著水稻的生長，其株型也發生了顯著變化，變得更為松散，莖葉夾角變大。矮稈水稻變得更矮，高稈水稻的“身高”卻沒受到明顯影響，就好像太空對不同“身高”的水稻有著不同的“偏愛”。

更有趣的是，水稻葉片在太空中呈螺旋上升生長運動比在地球上更加突出，仿佛在太空中跳起了獨特的“螺旋舞蹈”。這一現象讓科學家首次發現微重力會放大植物的內在生長節律。

水稻在太空中的開花和灌漿時間與地球上也有差異。開花時間比地面略有提前，灌漿時間卻延長了10多天，而且大部分穎殼無法關閉。穎殼閉合對保護種子發育至關重要，“關不上門”的穎殼讓種子的發育充滿了不確定性。這些變化背后，隱藏著復雜的基因調控機制。不過，令人欣慰的是，通過實時圖像記錄，科學家見證了水稻從抽穗到結籽的完整過程，最終收獲了國際上首批太空發育的水稻種子。

再生稻：太空農業的新希望

在這次的太空水稻實驗中，再生稻技術的成功應用是一大亮點，為太空農業帶來了新的希望。

再生稻技術，簡單來說，就是在水稻收割后，利用稻樁上的休眠芽再次生長出稻穗的技術。在地球上，這項技術已經得到了廣泛應用，但在太空嘗試還是首次。在問天實驗艙內，當原生稻穗成熟后，航天員剪去上部植株。20天后，稻茬上竟然冒出2個飽滿的稻穗，并成功結出了成熟的種子！這一成果不僅證明了再生稻技術在空間狹小的封閉環境中的可行性，更為未來空間作物的高效生產提供了全新的思路。這一過程讓我們看到了植物在極端環境下頑強的生命力和適應能力，也為后續研究植物在微重力環境下的生長規律和分子機制提供了重要線索。

擬南芥開花的秘密

除了水稻之外，擬南芥也在這次太空之旅中有精彩表現。作為模式植物，擬南芥幫助科學家研究空間微重力對植物開花的影響。

科學家用基因突變和轉基因的方法，造出了3種不同開花時間的擬南芥：提前開花、延遲開花和正常開花（野生型）。在太空里，這些擬南芥的表現和在地球上大不一樣。原本在地面提早開花的擬南芥，到了太空，開花時間大大延長，就像被太空施了“遲緩魔法”。而且，生物鐘基因突變后，空間擬南芥的下胚軸過度伸長。

這揭示了一個關鍵規律：微重力會打亂植物的“生物鐘”，讓控制開花的基因“作息紊亂”。科學家可以根據這些發現改造開花基因，讓植物在太空長得更好。

未來的太空稻香

我國在太空種稻領域的研究雖然起步較晚，但發展迅速。從早期利用返回式衛星進行干種子搭載實驗，到如今在空間站實現水稻從種子到種子，再到再生稻種子的實驗，每一步都凝聚著科學家的智慧和努力，標志著我國在空間植物學研究領域取得了重大進展。

太空種稻的成功，不僅標志著我國在空間植物學領域取得了重大突破，更為未來載人深空探測提供了堅實的物質保障。隨著航天技術的不斷發展，人類必然要進行更長時間、更遠距離的太空探索。在這個過程中，如何保障航天員的糧食供應，將成為必須面對的問題。太空種稻技術的成功應用，為解決這一問題提供了可能。通過不斷優化空間植物培養裝置和技術手段，未來我們有望在太空中實現糧食的自給自足。

本文相關成果“空間微重力對植物從種子到種子生長發育作用機理研究”榮獲2023年上海市科技進步獎二等獎。

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