文/李忠東

太空育種創(chuàng)紀錄

2022 年12 月4 日20 時09 分，“神舟十四號”載人飛船返回艙在內(nèi)蒙古東風著陸場成功著陸，航天員陳冬、劉洋和蔡旭哲順利出艙，狀況良好，還帶回了來自太空的“禮物”，其中包括經(jīng)歷了120 天太空生長發(fā)育全過程的水稻、擬南芥和蔓越莓的種子。它們每一種都意義非凡：水稻是糧食作物的代表，用來驗證糧食作物在太空生長周期的理論；擬南芥代表蔬菜，用來驗證蔬菜在太空生長的過程；蔓越莓則是太空育種的一部分，用來打破國外在相關(guān)技術(shù)方面的壟斷。研究人員會對返回樣品進行分子生物學、細胞學和代謝等相關(guān)檢測及研究，解析空間微重力對水稻、擬南芥和蔓越莓的作用規(guī)律和分子基礎。這些研究，將為進一步創(chuàng)制適應空間環(huán)境的作物和開發(fā)利用空間微重力環(huán)境資源提供理論依據(jù)。

太空育種即通過強輻射、微重力和高真空等太空綜合環(huán)境因素，誘發(fā)植物種子的基因變異。億萬年來，地球植物的形態(tài)、生理和進化始終受到地球重力的影響，一旦進入失重狀態(tài)，并受到其他物理輻射的作用，這些植物將有可能產(chǎn)生在地面上難以獲得的基因變異。先進的航天技術(shù)為快速培育優(yōu)良品種及特異種質(zhì)資源開辟了一條新途徑，展示了未來人類進入太空農(nóng)業(yè)時代的美好圖景。

水稻在軌完成“從種子到種子”的不同發(fā)育階段，圖中的時間為注入營養(yǎng)液啟動實驗后的天數(shù)

此次空間科學實驗的具體內(nèi)容共有三項：一是在軌完成水稻種子萌發(fā)、幼苗生長、抽穗和結(jié)籽全生命周期的培養(yǎng)實驗，并獲取圖像進行分析；二是完成了剪株后空間再生稻的成功培育，并結(jié)出了成熟的種子；三是在軌完成了擬南芥種子的萌發(fā)和幼苗生長，以及蔓越莓的太空育種。在此之前，國際上在空間站只完成了擬南芥、油菜、豌豆和小麥“從種子到種子”的培養(yǎng)，而這次我國不僅成為世界上首個在軌完成主要糧食作物水稻“從種子到種子”全生命周期空間站培養(yǎng)實驗的國家，而且還收獲了稻穗數(shù)目超出實驗團隊預期的再生稻。目前，我國航天育種的數(shù)量和應用率已達到世界第一，未來還將對更多的植物進行太空育種。

水稻和擬南芥的種子跟隨問天實驗艙發(fā)射升空后，航天員將它們安放到艙內(nèi)的生命生態(tài)實驗柜里面。生命生態(tài)實驗柜給植物提供光照，保持溫度和濕度并進行氣體控制。從2022 年7 月29 日注入營養(yǎng)液啟動實驗，到11 月25 日實驗結(jié)束，水稻和擬南芥在生命生態(tài)實驗柜里完成了種子萌發(fā)、幼苗生長、開花結(jié)籽的全生命周期。實驗期間，航天員在軌進行了3 次樣品采集，分別是9月21 日的孕穗期水稻樣品采集，10月12 日的擬南芥開花期樣品采集，以及11 月25 日的水稻和擬南芥種子成熟期樣品采集。采集后，孕穗期樣品和種子成熟期樣品分別保存于-80℃和4℃的低溫存儲柜中。與此同時，航天員還分別在水稻和擬南芥的花期做了樣品采集。

要保證植物能夠在太空實驗空間內(nèi)正常地生長發(fā)育，最大的難題在于如何在非常狹小的人造空間內(nèi)完成農(nóng)作物全生命周期的種植任務。在實驗過程中，盡管植物無法接受陽光的照射，但是實驗柜內(nèi)安裝的人工光源能解決這個難題——通過調(diào)控光源的強度和光譜，可以為植物提供充足的光照，滿足植物生長發(fā)育的需求?？茖W家們還可以根據(jù)不同植物對光的不同需求，來設計相應的光照條件。

微重力下種水稻

水稻養(yǎng)活了世界上近一半的人口，是未來載人深空探測生命支持系統(tǒng)的主要候選糧食作物。水稻種子既是人類的糧食，也是繁殖下一代植物的載體。人類想要在太空長期生存，就必須保證植物能夠在太空中完成世代交替，成功繁殖出種子。利用空間站微重力環(huán)境進行水稻育種，是空間植物學研究的重要方向之一。

在空間站的半年時間里，“神舟十四號”航天員乘組竟然種植了一季水稻，真是令人驚嘆！在空間站微重力環(huán)境下生長的水稻，表現(xiàn)出的多種農(nóng)藝性狀都與地面有所不同。太空實驗選擇的水稻分為高稈和矮稈兩種，水稻的株型在空間站生長得更為松散，矮稈水稻變得更矮，而高稈水稻的高度沒有受到明顯影響。此外，水稻葉片生長螺旋上升運動在空間站更為凸顯。水稻在空間站中的開花時間比地面略有提前，但是灌漿時間延長了十多天，大部分穎殼不能關(guān)閉。開花時間和穎殼閉合均是水稻的重要農(nóng)藝性狀，兩者在保障植物充分的生殖生長和獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)種子方面都有重要作用。

此外，航天員還在空間站內(nèi)開展了再生稻實驗，并獲得了再生稻的種子。水稻被剪株后，僅20 天就再生出了2 個稻穗。這說明再生稻在空間站這樣狹小封閉的環(huán)境中也能生長，這為空間作物的高效生產(chǎn)提供了新的思路和實驗證據(jù)。該技術(shù)可以大大增加單位體積的水稻產(chǎn)量，這也是國際上首次在空間站嘗試再生稻技術(shù)。

空間水稻原生稻和再生稻的比較(左圖)；空間水稻和地面水稻的比較(右圖)

太空育種，即利用獨特的高空環(huán)境對植物形成誘變作用，以產(chǎn)生有益變異，之后工作人員再選育農(nóng)作物新品種。這種方式也被稱為“航天育種”或“空間誘變育種”?？臻g站的特殊環(huán)境會誘發(fā)農(nóng)作物染色體畸變，導致生物遺傳性狀的變異，變異率較普通誘變育種高3 ～4 倍。育種周期大約只有雜交育種的一半，可由8 年縮短至4 年左右。育出的種子具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、早熟和抗病力強等特點。

這批太空水稻極具科研價值，能幫助科研人員深入了解被選定的生物物種（模式生物）響應深空環(huán)境的分子及遺傳機制，為探索生命起源、物種進化和宇航生物安全提供理論支撐。此外，這批太空水稻將獲取一批全新的、具有重要價值的優(yōu)良基因，服務于水稻品種選育。

擬南芥肩負重任

2022 年11 月29 日23 時08 分，另一批擬南芥種子隨“神舟十五號”載人飛船奔赴太空，供航天員開展“空間微重力環(huán)境調(diào)控植物細胞結(jié)構(gòu)和功能的分子網(wǎng)絡研究”項目。約20 小時后，它們被航天員安置在問天實驗艙生命生態(tài)實驗柜的通用生物培養(yǎng)箱中。在不到兩天的時間里，它們就長出了嫩芽。通過這次空間實驗，研究團隊對擬南芥種子的某些與重力反應有關(guān)的基因進行了改造和標記跟蹤，希望研究這些種子在特殊微重力環(huán)境中的表現(xiàn)，重新認識它們的生物學功能。

全球應用最廣泛的模式植物——擬南芥

擬南芥與油菜、蘿卜、卷心菜等同為十字花科植物，又名“鼠耳芥”“阿拉伯芥”“阿拉伯草”。擬南芥是一種名不見經(jīng)傳的小草，既不好吃，也不好看。由于毫無經(jīng)濟價值，有人用擬南芥比喻那些卑微、低賤之物，有個成語就叫“視若草芥”。但是，近一百年來，隨著生物學和經(jīng)典遺傳學的蓬勃發(fā)展，科學家們逐漸注意到擬南芥的研究價值。生物學家為了研究某種具有普遍規(guī)律的生命現(xiàn)象，會選擇一些能作為樣品的生物，這類生物物種就被稱為“模式生物”。現(xiàn)如今，擬南芥已成為全球應用最廣泛的模式植物。

擬南芥植株較小，一個8 平方厘米的培養(yǎng)缽可種植4 ～10 株；生長周期短，從發(fā)芽到開花約4 ～6 周；結(jié)籽多，每株可產(chǎn)生數(shù)千粒種子。這些特點使得它的突變表型易于觀察，為突變體篩選提供了便利。這種植物易于轉(zhuǎn)化，在含有合適抗生素的平板上能夠健康生長的幼苗為轉(zhuǎn)基因植株。整個轉(zhuǎn)化過程操作簡便、轉(zhuǎn)化效率較高，為研究人員建立突變體庫、進行實驗研究提供了便利。

特別值得一提的是，擬南芥只有10 條染色體，而且每條染色體都非常短小，染色體上攜帶的信息非常少，相對應的基因數(shù)量只有2.5 萬多個。這種特性意味著擬南芥很可能擁有所有植物都必須擁有的最小的基因集合，在它們身上所觀察到的實驗現(xiàn)象很可能也能在其他植物上觀察到。擬南芥還是一種嚴格自花授粉的植物，這種授粉方式?jīng)Q定了它們身上的特征全部都是基因突變不斷積累的結(jié)果。由于不需要與其他植株交換基因，親代的遺傳特征可以分毫不差地遺傳給子代。如果擬南芥在空間站發(fā)生變異，那么所有的變異特征都會被保留下來。

中國空間站這次的在軌實驗項目還首次對看不見的空間生物鐘如何調(diào)控光周期開花的關(guān)鍵基因進行了研究。利用基因突變和轉(zhuǎn)基因的方法，培養(yǎng)了3 種不同開花時間的擬南芥，分別是提前開花、延遲開花和正常開花（野生型）。通過對空間站擬南芥生長發(fā)育的圖譜進行觀察與分析，科學家們發(fā)現(xiàn)開花的關(guān)鍵基因?qū)μ瘴⒅亓Φ捻憫c地面有明顯的差異，其中在地面提早開花的擬南芥，在空間站微重力條件下開花時間會被大大延遲。

生物鐘基因突變后，來自空間站的擬南芥下胚軸過度生長。這說明生物鐘基因表達對于維持擬南芥在空間站生長的正常形態(tài)和適應太空環(huán)境非常重要，這為今后利用改造開花基因促進植物適應空間站微重力環(huán)境提供了新方向。后續(xù)，研究團隊將進一步對擬南芥適應空間站環(huán)境的分子基礎進行深入解析。

蔓越莓首次上天

蔓越莓又稱“蔓越橘”，是杜鵑花科越橘屬草本植物。蔓越莓整體看起來很像鶴，其花朵像鶴頭和嘴，因此又被稱為“鶴莓”。其果實為卵圓形漿果，長2 ～5 厘米，生長過程中果實的顏色由白色變?yōu)樯罴t色，有重酸微甜的口感。蔓越莓中含有原花青素、鞣花酸、酚酸、白藜蘆醇等物質(zhì)，具有抗菌的功效，對人體健康多有益處，能預防尿道感染、胃潰瘍、胃癌、十二指腸潰瘍和心血管疾病，保護口腔和牙齒健康，甚至可以作為藥材使用。

蔓越莓素有“北美紅寶石”的美譽，美國的產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的95%，其品種也一直被北美壟斷。蔓越莓“洋種子”特別“嬌氣”，在國內(nèi)只能選擇和原產(chǎn)地同緯度、同環(huán)境的地區(qū)種植，從而限制了種植面積。由于產(chǎn)量上不去，質(zhì)量不過關(guān)，嚴重影響了我國在國際市場上對蔓越莓價格的主導權(quán)。良種是制約種植的“卡脖子”技術(shù)難題，沒有自產(chǎn)的種子就得向國外購買，價格受制于人不說，還面臨著隨時被“斷種”的風險?！吧裰凼奶枴陛d人飛船攜帶5萬粒蔓越莓種子，開創(chuàng)了國內(nèi)蔓越莓太空育種的先河。這些蔓越莓種子來自黑龍江省撫遠市東安村——這里是我國乃至亞洲最大的蔓越莓規(guī)?；N植基地。如果太空育種成功的話，可以根據(jù)我國土壤的性質(zhì)和特點培育出具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的蔓越莓種植品種，這將具有劃時代的意義。5 萬粒蔓越莓種子在經(jīng)過太空特殊的環(huán)境誘導變異后，被實驗人員帶回地面，在科研院所經(jīng)過短暫的“休整”后，“入駐”撫遠市蔓越莓研發(fā)中心。后續(xù)，航天生物領域的科學家和科研單位的研究人員將一起在撫遠市對“太空莓”開展溫室繁育、種苗移栽、優(yōu)良單株類型品種選育及區(qū)域試驗，進行蔓越莓品種的改良創(chuàng)新。

可作為水果和藥材用的蔓越莓果實