作者:邹佳雯 来源:澎湃新闻 发布时间:2022/9/1 9:08:58
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对话|怎样在中国空间站种水稻

 

一个月的时间,水稻小种子破土而出,长出幼苗,与以往有所不同的是,这次是在太空中。

8月29日,拟南芥和水稻种子在中国空间站问天实验舱成功萌发、长出幼苗的消息,在网络上引发大量的关注与探讨。这也是国际上首次对水稻在空间站从种子到种子全生命周期的培养研究。

在一个月前的7月24日,中国空间站问天实验舱成功发射并与天和核心舱交会对接,问天实验舱搭载了生命生态实验柜、生物技术实验柜等科学实验柜。中国科学院分子植物科学卓越创新中心(以下简称“分子植物卓越中心”)郑慧琼研究团队承担了“微重力条件下高等植物开花调控的分子机理”生命科学实验项目。

目前,空间站已成功启动拟南芥和水稻的种子萌发,拟南芥幼苗长出多片叶子,高秆水稻幼苗长至30厘米左右高,矮秆水稻也有5-6厘米高,生长状态良好。后续将完成拟南芥和水稻在空间从种子到种子全生命周期的实验,并在实验过程中由航天员采集样品、冷冻保存,最终随航天员返回地面进行分析。

8月30日上午,郑慧琼在分子植物卓越中心接受了澎湃新闻(www.thepaper.cn)的专访。她向记者对此次科研的意义、背景作了介绍,回顾了此次水稻成苗过程中从筛选种子、到模拟太空环境做科研、再到配备相应设备上太空的种种过程,并对接下来的工作进行了展望。

郑慧琼认为,这次的水稻成苗看似是植物科学领域的成果,背后则是包括飞船研制、种子准备等环环相扣的结果。他们也通过观察太空中水稻和拟南芥的生长,从现象上获得了植物在地面生长所难以掌握的信息,后续待植株“落地”,还将在基因等层面进行更严谨的科学研究,而这些都将有助于人类在地球更好地开展生命科学、农作物的探索。

郑慧琼表示,拟南芥早已完成在太空中从种子到种子的科研,此番是力求对如何增产提质等进行进一步的研究分析;而水稻的萌发关卡已经度过,接下来,他们还在紧张地观察、等待水稻开花结籽,目前总体发育符合预期,“很多人觉得我们在研究的是太空问题,其实我们更是在探寻生命本质的奥秘。”

【对话郑慧琼】

水稻在太空中呈螺旋状生长

澎湃新闻:这次科研有怎样不寻常的意义?实验的情况目前如何?

郑慧琼:目前拟南芥和水稻种子萌发正常,已进入幼苗生长阶段,部分拟南芥已经开始抽苔。在空间站里,水稻的生长受到比较明显的影响,比如叶的夹角变大,节间伸长生长受到抑制等,但总体发育进程符合预期,继续培养有望在空间站首次结出种子。我们预期,在航天员返回地面10-15天前进行采集,再低温保存带回地面。

萌发是相当重要的一步,所以看到水稻种子萌发的时候,先松了一口气。但我们做的科研项目,是研究微重力条件下从种子到种子的全生命周期,拟南芥此前已有成功的先例,这一次想进一步研究如何提质增产;此前在天宫二号上,水稻种子也萌发了,但是进行到这一阶段就没再做下去。所以这一次,是国际上首次对水稻在空间站从种子到种子全生命周期的培养研究。

从萌发到开花的这一步也是重要的一步,但并不容易,环境不合适,植物就不开花。研究什么样的环境是适合植物生长的,这就是我们科学家要干的工作。我们现在也不知道天上到底什么环境合适,只能在地面提出假想、推测,再在太空看会不会确实结籽,来验证科学假设是否成立,后续再用理论指导实践,让新的理论为生产所用。

澎湃新闻:这次天空中的科研,是如何与地面联动的?

郑慧琼:问天实验舱是在7月24号发射的,7月28日,载有我们实验样品拟南芥种子和水稻种子的实验单元,就由航天员安装到了问天实验舱的生命生态通用实验模块中。29日,我们就开始通过地面程序,遥控注入指令,装有种子的实验单元就自动启动。

实验单元里植物的生长状况,每小时都有照相,我们每天把照片收集来,进行观察和分析。目前的照片,能让我们从外表来看植物生长的形态,这当然也能反映它的生长规律,但是要真正地掌握规律,还得要看基因层面的表现。所以后面会请航天员采集样品、冷冻保存,最终随航天员返回地面,对这些植物进行基于分子生物学相关的分析。

地面比对实验也会做起来,预计这两周就开始,我们会按太空的环境,把除了重力之外的环境因素数据都下载下来,然后放到地面一样的培养箱中。我们有水稻就长在那里面,会对比看在地面和太空生长的不同情况,不然无法下科学结论。不过,光从目前看到的来说,一些植物生长行为跟地面已经有些不一样了。

澎湃新闻:你们目前看到植物的生长有哪些不一样的现象?

郑慧琼:我们可以看到水稻有节奏地生长,是呈螺旋状上升的。大概在前20天特别明显,非常灵动,后面因为长多了,想看这样的生长会费劲一点。拟南芥因为比较小,目前还看不清,如果再长大一点,它的花序轴也是可以看到的。

这样的生长过程在地面是难以看到的,因为地面重力的作用太强了,植物要想往边上斜一下,重力立刻把它拉回来、不让它有明显这种来回摆动。实际上,植物的生长过程大概是有这种螺旋状的规律,但是现象在地面被掩盖,在太空中观察效果则有机会被放大。

另外多年前我们在天宫二号的实验中,还能看到植物出水的水球,观察到植物在太空中的吐水量要比地面大一点,在地面上水球会掉下来,但太空中的水球会浮着。水稻也是会吐水的,所以我们给水稻做了一个水回收装置,希望让小水珠回收起来、再回到土里,不然担心它别“自己的唾沫把自己淹死了”。

之前我们在天宫二号上还观察到了一个有趣的现象。植物的根一般是扎到土里,但是在太空中,有的根没扎到土里,也搞不清土在哪,它探到边上有个叶子,误以为叶子是土,就绕着这个叶子绕一圈,然后突然感觉到叶子不是土,它就把另外一个叶子又绕一圈,发现还不是土,然后再慢慢地摸,直到把根插到土里去。挺有意思的,这次还没看到类似的情况。

“小薇啊,我要带你飞到天上去”

澎湃新闻:为什么选择拟南芥和水稻这两种作物上太空进行科研实验?有网友评价说“中国人凭借种菜天赋把菜种到了太空”,您怎么看?

郑慧琼:国外曾经做过小麦的太空实验,但是对水稻进行这样全生命周期的研究,我们是第一个。这也是因为我们国家对于水稻的研究在地面上相对成熟,有比较好的基础。所以你说这和中国的国情有否关系,我认为这个层面上是有的。

这里,矮秆水稻育种的这一步是中国农科院的钱前院士团队做的,水稻品种叫“小薇”,是开展遗传育种研究和实现室内水稻工厂化生产的理想种质,我听钱院士还给配了首歌:“小薇啊,你可知道我多爱你,我要带你飞到天上去”,这不就真的“飞天”了。

不过本质上,选择拟南芥和水稻还是基于科学的考量。拟南芥和水稻都是地面上经典的模式植物,是有代表性有普遍规律的植物。拟南芥代表双子叶、长日、十字花科植物, 很多蔬菜,比如青菜、油菜等都属于十字花科。而水稻代表单子叶、短日、禾本科植物,很多粮食类作物,比如小麦、玉米等属于禾本科。

所以我们最后其实不是想要拿到种子,而是要拿到一类知识。拟南芥此前已经被多个国家在太空成功做出了从种子到种子的实验,但是如何提高种子的产量,仍然值得研究。水稻是人类重要的粮食作物之一,可以说养活了世界上一半的人。它自身种子可以食用,单位面积的产出比较高,而且种子一旦休眠,对环境的依赖性比较小,所以从各面看,很适合在未来的星际旅行、深空探测中被用到。

另外在太空中得到的关于模式植物的结论,也可以为我们地面的农业生产和生命科学研究服务。

水稻高秆矮秆的生长机制、植株的夹角大小,在微重力的情况下会不会有不一样的情况,我们对这方面的知识是欠缺的。而如果破解了这个,我们会不会更靠近植物生长本身的奥秘,得到一些更本质的规律?后续当然还有很多植物可以带上天研究,比如研究树木怎么生长、研究蔬菜怎么种植,太空的环境会为我们在生命科学领域打开一个新的平台。

所以与其说我们在做太空研究,就我个人的感受而言,我认为我们更要做对生命本质的研究,这可能是更重要的。

澎湃新闻:在地面上,如何模拟种子在太空中的情况?

郑慧琼:在地面可以模拟一部分的效应,但是地面的重力毕竟还是不能消除,所以无论如何模拟,差别肯定还是有。但是我们的项目因为是探讨“微重力条件下高等植物开花调控的分子机理”,所以抓住了“重力”的要素着重模拟一个有别于一般地面植物生长的环境。

为什么抓住重力的要素?我们知道,地面的重力总是指向地心的,植物生长也是依赖于重力的这个指向,比如树,枝干总是朝上长,如果植物不小心倒了,茎干还会弯过来、直立起来,这就是重力的作用。植物生长素的分布也与重力有关,微重力条件下,可能树木主干和侧枝的粗细的差别会较小。重力其实对我们生命是很重要的。

我们现在的模拟场景,就是让植物保持旋转。因为植物的器官感受重力,是有一个时间阈值的,相当于如果有些东西太快、速度超过阈值后我们的眼睛会看不到一样。在一定的时间内让它不停地转向,植物的器官就会感受不到重力的方向,相当于没有重力。这在某种程度上会像在太空一样,它方向乱了,就不能朝一个方向长了。

上千颗备选水稻种子,像“选美”那样一点点筛

澎湃新闻:为了在太空做这项实验,在地面做了哪些准备工作?尤其是水稻这方面。

郑慧琼:我们这个项目虽然立项是2021年,但具体其实从2015年就启动在做。

首先讲选种子,要选在一个这么小的空间生长的品种,我们对这个品种的水稻也要进行各方面的了解,包括它的生长、遗传背景等等。

然后就是选具体选水稻种子,多少颗我数不清了,上千颗备选是有的,我们的科研人员把种子放到显微镜下一点点筛,集中看了好多天,“选美”一样。他们很有经验,能看出种子是不是健康、饱满、有活力、有光泽,事实上,我们这次选来上天的种子确实100%萌发了,水稻种子加起来18颗,拟南芥种子有近百颗。

还有加水,因为重力,地面的水总是沉在土的下面,天上水不一定,多了怕淹死,少了又不够,水跟土之间的关系又如何,都要经过很多的试验,最后才能找到一个确切的量。好在目前实验单元的运作还是正常的。

还有土、营养液、种植方式,以及模拟太空的生长环境,还须研究人工环境怎么布置,包括选什么样的光、气体,都是在地面做了多年充足的研究。研究完,还要对接硬件专家,通过生态柜把这一套都打造呈现出来,包括要从力学的角度,考虑到这一套系统要安全升空的情况。这一套全部打造出来以后,我们要做大量地面模拟太空的匹配实验,确保地面的先成功,于是也要反复修改数据和成品。所以这真的是一个综合工程。

另外今年上海疫情,也给我们的科研进度带来一定的挑战。因为问天实验舱一开始是横着“装箱”的,我们要赶在6月12日问天实验舱转成竖的之前,把所有实验品装进去。到了海南的发射基地,我们还要做一些准备工作,比如给种子消毒。所以眼看到了5月份,心里还是挺着急的,好在我们所里经过与各级有关部门充分的沟通协调,派了一辆装满试验设备的SUV车,带着我们的种子,2天开到了海南,期间没下过高速。后来我们又向海南那边的科研院所、学校借了很多设备,保证及时完成了规范科学的装舱任务。

最后到了发射那天,我看着火箭和实验舱的震动很大,喷火呼呼呼的,就很担心那小种子,会不会掉到土里或者别的地方去,所幸它们安全地上天发芽了。

澎湃新闻:您自己是何时参与到太空生命科学研究的项目的?对于未来的工作有什么展望?

郑慧琼:1992年1月,中国政府批准载人航天工程正式上马,我们单位从那时就参与工作了。我自己是1996年从所里博士毕业,跟着国家载人航天工程空间生命科学分系统的主任设计师刘承宪先生做“空间细胞电融合”项目,之后因刘先生患癌接手主持。2002年底,项目在神舟四号上取得圆满成功,中国的太空植物研究,就是这样从细胞融合开始的。2003年,刘先生不幸逝世。

那时候中国还是无人飞船,在太空飞的时间也比较短,所以对我们整个植物学展开实验,局限非常大。后来到2016年天宫二号,中国第一个真正意义上的太空实验室,当时拟南芥和水稻由神舟十一号运至天宫二号开展培养实验,6个月就完成了我国首次“从种子到种子”高等植物全周期培养实验。

那次的环境比现在的还差一些,如无法为水稻和拟南芥适配不同的温度。但那次把拟南芥的材料拿回来,研究首次发现了微重力条件下植物寿命比地面对照组植物寿命极大地延长,这往前进了一大步。

这次实验舱的条件,无疑又前进一步,给我们创造了一个条件,让水稻可以自由选择它喜欢的温度,奠定了我们科研的基础,我们也基于之前的研究,做了更多植物基因方面的设计。我们现在还在等待第一代的水稻从种子到种子的全生命周期。但我想,即使我们这次拿到了水稻的种子,也不能保证它在天上经过了几代之后,能否稳定地生长,所以势必要在更大的时间和空间中,继续探索。

我估计去火星的话,也是不久以后的事情,但是人类上去要活下来,所以需要有空间可持续的粮食生产。就目前来说,有待研究的还有很多,宇宙太大了,还是太超出我们目前的认知范围。但人类对自身有很强的认识的欲望,在好奇心的驱动下,必然会走出去。

 
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