在過去六十多年中，科學家們對於在空間種植和栽培植物進行了大量的研究，在各種空間飛行器中進行了20多種植物的培養實驗。早期人們的空間植物培養實驗主要目標是如何在空間環境中養活植物，使其能夠萌發、生長、開花和產生種子，如今這些目標都一一實現了。一些基本的空間植物生物學問題，如植物的向性生長，根的形成、萌發，種子成分，基因和蛋白質的表達變化等，也在此過程得到了較為深入的研究。目前科學家們的研究重點逐漸由對植物幼苗階段的研究擴展至種子生產研究。但是，目前只有油菜、小麥和豌豆少數幾種作物在空間完成了從種子到種子的實驗。同時，在空間條件下，植物開花時間延遲、開花數目少、種子結實率低和種子質量下降等問題仍然沒有克服。因此，迫切需要研究如何控制植物發育的關鍵環節開花的調控機理，為改進空間植物培養技術和探索更多的適應空間生命保障要求的糧食作物生產提供指導。
2022年7月24日，我國空間站問天實驗艙成功發射並與天和核心艙交會對接，問天實驗艙搭載了生命生態實驗櫃、生物技術實驗櫃等科學實驗櫃。中國科學院分子植物科學卓越創新中心（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控的分子機理」生命科學實驗項目。7月28日，載有實驗樣品擬南芥種子和水稻種子的實驗單元，由航天員安裝至問天實驗艙的生命生態通用實驗模塊中，通過地面程序注入指令於7月29日啟動實驗。目前已成功啟動了擬南芥和水稻的種子萌發，擬南芥幼苗已長出多片葉子，高杆水稻幼苗已長至30厘米左右高，矮杆水稻也有5-6厘米高，生長狀態良好，後續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，並在實驗過程中由航天員採集樣品、冷凍保存，最終隨航天員返回地面進行分析。
本次空間實驗樣品擬南芥和水稻是兩種模式植物。擬南芥代表雙子葉、長日、十字花科植物， 很多蔬菜，比如青菜、油菜等都屬於十字花科。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、玉米等屬於禾本科。本項目主要研究空間微重力條件下，擬南芥和水稻的開花調控的分子機理。「開花」是植物結出新一代種子的前提。農作物的種子既是糧食，也是繁殖下一代的載體。隨着載人深空探測的發展深入，比如登陸火星，要想真正解決人類長期空間探索的糧食保障問題，不可能單純依靠從地球上攜帶糧食來滿足航天員長期的空間生活和工作需求，必須要解決在空間生產糧食這一難題。由於地球生命不可能在嚴酷的太空環境條件下無保護地生存 ，未來的太空作物生產必須要在完全封閉的人造環境中進行，種植空間和能源供給都十分稀缺。因此，太空種植的農作物必須具備高產優質、高生產效率和低能源消耗的要求。
擬南芥
水稻
本次實驗的目標是完成擬南芥和水稻在空間站從種子到種子全生命周期的培養研究，探索利用空間環境因素控制植物的開花，來實現在較小的封閉空間中植物生產效率最大化的可能途徑，同時通過航天員在軌採集樣品，冷凍保存返回分析，鑑定空間微重力調控植物開花的關鍵樞紐基因並對其進行功能驗證，為下一步構建適應空間微重力環境的高產優質農作物提供分子元件。
本次項目將聚焦三個關鍵科學問題：微重力怎樣影響開花？微重力影響植物開花的分子機理是什麼？能否利用微重力環境作用來控制植物的開花？圍繞這三個關鍵的科學問題，通過分析比較微重力在植物開花過程中的作用，獲取微重力調控開花的分子基礎與關鍵基因的表達變化，進一步解析空間微重力條件下長日和短日植物開花基因表達的調控網絡及二者在植物對空間環境適應性中的作用機理。
分子植物卓越中心鄭慧瓊研究員表示，希望通過本次研究，在國際上首次完成空間微重力條件下水稻從「種子到種子」全生命周期的培養實驗，並獲得水稻培養的關鍵環境參數，為進一步解析空間微重力對水稻生長發育的影響及分子基礎，利用水稻進行空間糧食生產提供重要理論指導。同時，通過轉錄組分析比較擬南芥和水稻兩種模式植物在空間環境中開花途徑關鍵基因的表達及其調控網絡的變化，解析空間微重力對於長日和短日植物開花的分子機理，為進一步創製適應空間環境的作物和開發利用空間微重力環境資源提供理論依據。
來源：中國科學院分子植物科學卓越創新中心
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