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2023-01-31
對話｜怎樣在中國空間站種水稻
更新時間：2022-09-01 10:12:44作者：未知
一個月的時間，水稻小種子破土而出，長出幼苗，與以往有所不同的是，這次是在太空中。
8月29日，擬南芥和水稻種子在中國空間站問天實驗艙成功萌發(fā)、長出幼苗的消息，在網(wǎng)絡(luò)上引發(fā)大量的關(guān)注與探討。這也是國際上首次對水稻在空間站從種子到種子全生命周期的培養(yǎng)研究。
在一個月前的7月24日，中國空間站問天實驗艙成功發(fā)射并與天和核心艙交會對接，問天實驗艙搭載了生命生態(tài)實驗柜、生物技術(shù)實驗柜等科學實驗柜。中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心（以下簡稱“分子植物卓越中心”）鄭慧瓊研究團隊承擔了“微重力條件下高等植物開花調(diào)控的分子機理”生命科學實驗項目。
擬南芥幼苗已長出葉子。中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心 供圖
目前，空間站已成功啟動擬南芥和水稻的種子萌發(fā)，擬南芥幼苗長出多片葉子，高稈水稻幼苗長至30厘米左右高，矮稈水稻也有5-6厘米高，生長狀態(tài)良好。后續(xù)將完成擬南芥和水稻在空間從種子到種子全生命周期的實驗，并在實驗過程中由航天員采集樣品、冷凍保存，最終隨航天員返回地面進行分析。
2022年8月30日，鄭慧瓊在中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心辦公室。 澎湃新聞記者 鄒佳雯 圖
8月30日上午，鄭慧瓊在分子植物卓越中心接受了澎湃新聞（www.thepaper.cn）的專訪。她向記者對此次科研的意義、背景作了介紹，回顧了此次水稻成苗過程中從篩選種子、到模擬太空環(huán)境做科研、再到配備相應(yīng)設(shè)備上太空的種種過程，并對接下來的工作進行了展望。
鄭慧瓊認為，這次的水稻成苗看似是植物科學領(lǐng)域的成果，背后則是包括飛船研制、種子準備等環(huán)環(huán)相扣的結(jié)果。他們也通過觀察太空中水稻和擬南芥的生長，從現(xiàn)象上獲得了植物在地面生長所難以掌握的信息，后續(xù)待植株“落地”，還將在基因等層面進行更嚴謹?shù)目茖W研究，而這些都將有助于人類在地球更好地開展生命科學、農(nóng)作物的探索。
鄭慧瓊表示，擬南芥早已完成在太空中從種子到種子的科研，此番是力求對如何增產(chǎn)提質(zhì)等進行進一步的研究分析；而水稻的萌發(fā)關(guān)卡已經(jīng)度過，接下來，他們還在緊張地觀察、等待水稻開花結(jié)籽，目前總體發(fā)育符合預(yù)期，“很多人覺得我們在研究的是太空問題，其實我們更是在探尋生命本質(zhì)的奧秘?！?/p>
【對話鄭慧瓊】
水稻在太空中呈螺旋狀生長
澎湃新聞：這次科研有怎樣不尋常的意義？實驗的情況目前如何？
鄭慧瓊：目前擬南芥和水稻種子萌發(fā)正常，已進入幼苗生長階段，部分擬南芥已經(jīng)開始抽苔。在空間站里，水稻的生長受到比較明顯的影響，比如葉的夾角變大，節(jié)間伸長生長受到抑制等，但總體發(fā)育進程符合預(yù)期，繼續(xù)培養(yǎng)有望在空間站首次結(jié)出種子。我們預(yù)期，在航天員返回地面10-15天前進行采集，再低溫保存帶回地面。
萌發(fā)是相當重要的一步，所以看到水稻種子萌發(fā)的時候，先松了一口氣。但我們做的科研項目，是研究微重力條件下從種子到種子的全生命周期，擬南芥此前已有成功的先例，這一次想進一步研究如何提質(zhì)增產(chǎn)；此前在天宮二號上，水稻種子也萌發(fā)了，但是進行到這一階段就沒再做下去。所以這一次，是國際上首次對水稻在空間站從種子到種子全生命周期的培養(yǎng)研究。
從萌發(fā)到開花的這一步也是重要的一步，但并不容易，環(huán)境不合適，植物就不開花。研究什么樣的環(huán)境是適合植物生長的，這就是我們科學家要干的工作。我們現(xiàn)在也不知道天上到底什么環(huán)境合適，只能在地面提出假想、推測，再在太空看會不會確實結(jié)籽，來驗證科學假設(shè)是否成立，后續(xù)再用理論指導(dǎo)實踐，讓新的理論為生產(chǎn)所用。
澎湃新聞：這次天空中的科研，是如何與地面聯(lián)動的？
鄭慧瓊：問天實驗艙是在7月24號發(fā)射的，7月28日，載有我們實驗樣品擬南芥種子和水稻種子的實驗單元，就由航天員安裝到了問天實驗艙的生命生態(tài)通用實驗?zāi)K中。29日，我們就開始通過地面程序，遙控注入指令，裝有種子的實驗單元就自動啟動。
實驗單元里植物的生長狀況，每小時都有照相，我們每天把照片收集來，進行觀察和分析。目前的照片，能讓我們從外表來看植物生長的形態(tài)，這當然也能反映它的生長規(guī)律，但是要真正地掌握規(guī)律，還得要看基因?qū)用娴谋憩F(xiàn)。所以后面會請航天員采集樣品、冷凍保存，最終隨航天員返回地面，對這些植物進行基于分子生物學相關(guān)的分析。
地面比對實驗也會做起來，預(yù)計這兩周就開始，我們會按太空的環(huán)境，把除了重力之外的環(huán)境因素數(shù)據(jù)都下載下來，然后放到地面一樣的培養(yǎng)箱中。我們有水稻就長在那里面，會對比看在地面和太空生長的不同情況，不然無法下科學結(jié)論。不過，光從目前看到的來說，一些植物生長行為跟地面已經(jīng)有些不一樣了。
澎湃新聞：你們目前看到植物的生長有哪些不一樣的現(xiàn)象？
鄭慧瓊：我們可以看到水稻有節(jié)奏地生長，是呈螺旋狀上升的。大概在前20天特別明顯，非常靈動，后面因為長多了，想看這樣的生長會費勁一點。擬南芥因為比較小，目前還看不清，如果再長大一點，它的花序軸也是可以看到的。
這樣的生長過程在地面是難以看到的，因為地面重力的作用太強了，植物要想往邊上斜一下，重力立刻把它拉回來、不讓它有明顯這種來回擺動。實際上，植物的生長過程大概是有這種螺旋狀的規(guī)律，但是現(xiàn)象在地面被掩蓋，在太空中觀察效果則有機會被放大。
另外多年前我們在天宮二號的實驗中，還能看到植物出水的水球，觀察到植物在太空中的吐水量要比地面大一點，在地面上水球會掉下來，但太空中的水球會浮著。水稻也是會吐水的，所以我們給水稻做了一個水回收裝置，希望讓小水珠回收起來、再回到土里，不然擔心它別“自己的唾沫把自己淹死了”。
之前我們在天宮二號上還觀察到了一個有趣的現(xiàn)象。植物的根一般是扎到土里，但是在太空中，有的根沒扎到土里，也搞不清土在哪，它探到邊上有個葉子，誤以為葉子是土，就繞著這個葉子繞一圈，然后突然感覺到葉子不是土，它就把另外一個葉子又繞一圈，發(fā)現(xiàn)還不是土，然后再慢慢地摸，直到把根插到土里去。挺有意思的，這次還沒看到類似的情況。
“小薇啊，我要帶你飛到天上去”
澎湃新聞：為什么選擇擬南芥和水稻這兩種作物上太空進行科研實驗？有網(wǎng)友評價說“中國人憑借種菜天賦把菜種到了太空”，您怎么看？
鄭慧瓊：國外曾經(jīng)做過小麥的太空實驗，但是對水稻進行這樣全生命周期的研究，我們是第一個。這也是因為我們國家對于水稻的研究在地面上相對成熟，有比較好的基礎(chǔ)。所以你說這和中國的國情有否關(guān)系，我認為這個層面上是有的。
這里，矮稈水稻育種的這一步是中國農(nóng)科院的錢前院士團隊做的，水稻品種叫“小薇”，是開展遺傳育種研究和實現(xiàn)室內(nèi)水稻工廠化生產(chǎn)的理想種質(zhì)，我聽錢院士還給配了首歌：“小薇啊，你可知道我多愛你，我要帶你飛到天上去”，這不就真的“飛天”了。
微重力條件下水稻的生長發(fā)育情況組圖。中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心 供圖
不過本質(zhì)上，選擇擬南芥和水稻還是基于科學的考量。擬南芥和水稻都是地面上經(jīng)典的模式植物，是有代表性有普遍規(guī)律的植物。擬南芥代表雙子葉、長日、十字花科植物， 很多蔬菜，比如青菜、油菜等都屬于十字花科。而水稻代表單子葉、短日、禾本科植物，很多糧食類作物，比如小麥、玉米等屬于禾本科。
所以我們最后其實不是想要拿到種子，而是要拿到一類知識。擬南芥此前已經(jīng)被多個國家在太空成功做出了從種子到種子的實驗，但是如何提高種子的產(chǎn)量，仍然值得研究。水稻是人類重要的糧食作物之一，可以說養(yǎng)活了世界上一半的人。它自身種子可以食用，單位面積的產(chǎn)出比較高，而且種子一旦休眠，對環(huán)境的依賴性比較小，所以從各面看，很適合在未來的星際旅行、深空探測中被用到。
另外在太空中得到的關(guān)于模式植物的結(jié)論，也可以為我們地面的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生命科學研究服務(wù)。
水稻高稈矮稈的生長機制、植株的夾角大小，在微重力的情況下會不會有不一樣的情況，我們對這方面的知識是欠缺的。而如果破解了這個，我們會不會更靠近植物生長本身的奧秘，得到一些更本質(zhì)的規(guī)律？后續(xù)當然還有很多植物可以帶上天研究，比如研究樹木怎么生長、研究蔬菜怎么種植，太空的環(huán)境會為我們在生命科學領(lǐng)域打開一個新的平臺。
所以與其說我們在做太空研究，就我個人的感受而言，我認為我們更要做對生命本質(zhì)的研究，這可能是更重要的。
澎湃新聞：在地面上，如何模擬種子在太空中的情況？
鄭慧瓊：在地面可以模擬一部分的效應(yīng)，但是地面的重力畢竟還是不能消除，所以無論如何模擬，差別肯定還是有。但是我們的項目因為是探討“微重力條件下高等植物開花調(diào)控的分子機理”，所以抓住了“重力”的要素著重模擬一個有別于一般地面植物生長的環(huán)境。
為什么抓住重力的要素？我們知道，地面的重力總是指向地心的，植物生長也是依賴于重力的這個指向，比如樹，枝干總是朝上長，如果植物不小心倒了，莖干還會彎過來、直立起來，這就是重力的作用。植物生長素的分布也與重力有關(guān)，微重力條件下，可能樹木主干和側(cè)枝的粗細的差別會較小。重力其實對我們生命是很重要的。
中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心，種子在模擬器中旋轉(zhuǎn)。澎湃新聞記者 鄒佳雯 圖
我們現(xiàn)在的模擬場景，就是讓植物保持旋轉(zhuǎn)。因為植物的器官感受重力，是有一個時間閾值的，相當于如果有些東西太快、速度超過閾值后我們的眼睛會看不到一樣。在一定的時間內(nèi)讓它不停地轉(zhuǎn)向，植物的器官就會感受不到重力的方向，相當于沒有重力。這在某種程度上會像在太空一樣，它方向亂了，就不能朝一個方向長了。
上千顆備選水稻種子，像“選美”那樣一點點篩
澎湃新聞：為了在太空做這項實驗，在地面做了哪些準備工作？尤其是水稻這方面。
鄭慧瓊：我們這個項目雖然立項是2021年，但具體其實從2015年就啟動在做。
首先講選種子，要選在一個這么小的空間生長的品種，我們對這個品種的水稻也要進行各方面的了解，包括它的生長、遺傳背景等等。
然后就是選具體選水稻種子，多少顆我數(shù)不清了，上千顆備選是有的，我們的科研人員把種子放到顯微鏡下一點點篩，集中看了好多天，“選美”一樣。他們很有經(jīng)驗，能看出種子是不是健康、飽滿、有活力、有光澤，事實上，我們這次選來上天的種子確實100%萌發(fā)了，水稻種子加起來18顆，擬南芥種子有近百顆。
還有加水，因為重力，地面的水總是沉在土的下面，天上水不一定，多了怕淹死，少了又不夠，水跟土之間的關(guān)系又如何，都要經(jīng)過很多的試驗，最后才能找到一個確切的量。好在目前實驗單元的運作還是正常的。
還有土、營養(yǎng)液、種植方式，以及模擬太空的生長環(huán)境，還須研究人工環(huán)境怎么布置，包括選什么樣的光、氣體，都是在地面做了多年充足的研究。研究完，還要對接硬件專家，通過生態(tài)柜把這一套都打造呈現(xiàn)出來，包括要從力學的角度，考慮到這一套系統(tǒng)要安全升空的情況。這一套全部打造出來以后，我們要做大量地面模擬太空的匹配實驗，確保地面的先成功，于是也要反復(fù)修改數(shù)據(jù)和成品。所以這真的是一個綜合工程。
另外今年上海疫情，也給我們的科研進度帶來一定的挑戰(zhàn)。因為問天實驗艙一開始是橫著“裝箱”的，我們要趕在6月12日問天實驗艙轉(zhuǎn)成豎的之前，把所有實驗品裝進去。到了海南的發(fā)射基地，我們還要做一些準備工作，比如給種子消毒。所以眼看到了5月份，心里還是挺著急的，好在我們所里經(jīng)過與各級有關(guān)部門充分的溝通協(xié)調(diào)，派了一輛裝滿試驗設(shè)備的SUV車，帶著我們的種子，2天開到了海南，期間沒下過高速。后來我們又向海南那邊的科研院所、學校借了很多設(shè)備，保證及時完成了規(guī)范科學的裝艙任務(wù)。
最后到了發(fā)射那天，我看著火箭和實驗艙的震動很大，噴火呼呼呼的，就很擔心那小種子，會不會掉到土里或者別的地方去，所幸它們安全地上天發(fā)芽了。
澎湃新聞：您自己是何時參與到太空生命科學研究的項目的？對于未來的工作有什么展望？
鄭慧瓊：1992年1月，中國政府批準載人航天工程正式上馬，我們單位從那時就參與工作了。我自己是1996年從所里博士畢業(yè)，跟著國家載人航天工程空間生命科學分系統(tǒng)的主任設(shè)計師劉承憲先生做“空間細胞電融合”項目，之后因劉先生患癌接手主持。2002年底，項目在神舟四號上取得圓滿成功，中國的太空植物研究，就是這樣從細胞融合開始的。2003年，劉先生不幸逝世。
那時候中國還是無人飛船，在太空飛的時間也比較短，所以對我們整個植物學展開實驗，局限非常大。后來到2016年天宮二號，中國第一個真正意義上的太空實驗室，當時擬南芥和水稻由神舟十一號運至天宮二號開展培養(yǎng)實驗，6個月就完成了我國首次“從種子到種子”高等植物全周期培養(yǎng)實驗。
那次的環(huán)境比現(xiàn)在的還差一些，如無法為水稻和擬南芥適配不同的溫度。但那次把擬南芥的材料拿回來，研究首次發(fā)現(xiàn)了微重力條件下植物壽命比地面對照組植物壽命極大地延長，這往前進了一大步。
這次實驗艙的條件，無疑又前進一步，給我們創(chuàng)造了一個條件，讓水稻可以自由選擇它喜歡的溫度，奠定了我們科研的基礎(chǔ)，我們也基于之前的研究，做了更多植物基因方面的設(shè)計。我們現(xiàn)在還在等待第一代的水稻從種子到種子的全生命周期。但我想，即使我們這次拿到了水稻的種子，也不能保證它在天上經(jīng)過了幾代之后，能否穩(wěn)定地生長，所以勢必要在更大的時間和空間中，繼續(xù)探索。
我估計去火星的話，也是不久以后的事情，但是人類上去要活下來，所以需要有空間可持續(xù)的糧食生產(chǎn)。就目前來說，有待研究的還有很多，宇宙太大了，還是太超出我們目前的認知范圍。但人類對自身有很強的認識的欲望，在好奇心的驅(qū)動下，必然會走出去。