在展覽中展示的太空水稻

“奇遇之旅”——“上天”大冒險(xiǎn) “入地”開(kāi)盲盒

1987年8月，中國(guó)返回式衛(wèi)星首次將一批水稻、番茄和青椒等種子送入太空，開(kāi)啟了種子的太空“奇遇之旅”。這種“旅行”被稱為航天育種，是讓種子先“上天”，利用太空近似真空、充滿宇宙射線、微重力等特殊環(huán)境，誘使種子發(fā)生基因突變。變異后的種子再“入地”，經(jīng)科研人員篩選及多代選育，最終獲得優(yōu)良新品種。

太空“奇遇之旅”的優(yōu)勢(shì)在于變異過(guò)程快，變異幾率高、變異范圍廣，是緩解優(yōu)質(zhì)農(nóng)作物種源貧乏的有效途徑之一。經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，水稻已成為中國(guó)航天育種里太空旅行次數(shù)最多、研究成果最顯著的作物。

太空“奇遇之旅”其實(shí)是一場(chǎng)大冒險(xiǎn)，太空環(huán)境誘發(fā)的基因變異可遇而不可求，雖然概率高于自然變異的水平，但平均也只有0.5‰～5‰，其中有益的突變大約只占總變異量的3%?；氐降孛嬷?，種子的篩選就像開(kāi)盲盒，要培育到第二代才可以開(kāi)始選拔性能優(yōu)異的種子，經(jīng)過(guò)6～8代培育和層層篩選，5～10年才能誕生新品種。

2020年12月，嫦娥五號(hào)月球探測(cè)器攜帶的2500粒水稻種子，在歷時(shí)23天、近80萬(wàn)千米的“奔月旅行”后順利返回地球。這批種子名為“航聚香絲苗”，是從1萬(wàn)個(gè)品種中脫穎而出的“驕子”?！昂骄巯憬z苗”是出身名門的“航二代”，“父親”華航31號(hào)和“母親”航恢1508都是航天育種的成果。

這批種子除了是目前為止飛得最遠(yuǎn)的水稻種子之外，還脫離了地球磁場(chǎng)保護(hù)，遭遇了更強(qiáng)的輻射和太陽(yáng)黑子，可能會(huì)誘發(fā)更強(qiáng)烈的基因突變?？茖W(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)它們?cè)诋a(chǎn)量、品質(zhì)和抗病性上的一些特殊變異。

2021年7月，在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地種下的“奔月”水稻種子迎來(lái)了第一次收獲。2～3年會(huì)有第一批產(chǎn)品出現(xiàn)，5～10年將完成全面研究。

“萌動(dòng)之旅”——水稻太空“變形記”

標(biāo)準(zhǔn)水稻品種的株高比較長(zhǎng)（水稻的株高因其品種而存在差異，一般在70～100厘米），對(duì)光照強(qiáng)度要求高，因此，在太空有限的空間內(nèi)建立水稻栽培設(shè)施頗為困難。要保證水稻每個(gè)發(fā)育階段都能正常生長(zhǎng)，對(duì)太空實(shí)驗(yàn)條件要求也非?？量蹋?，早期在太空對(duì)水稻全生命周期種植的研究并不多，水稻種子的太空旅行主要是發(fā)芽、成長(zhǎng)的“萌動(dòng)之旅”。科學(xué)家聚焦微重力環(huán)境對(duì)稻苗萌發(fā)和生長(zhǎng)的影響，開(kāi)展向地性、向光性、根的形成、基因和蛋白質(zhì)的表達(dá)變化等研究，為太空水稻栽培及品種選育提供指導(dǎo)。

水稻的太空“萌動(dòng)之旅”往往“水土不服”，一邊“懵懂”一邊“萌動(dòng)”——表現(xiàn)為生長(zhǎng)方向亂、長(zhǎng)得慢、活得長(zhǎng)、吐水多等。

例如，1998年，美國(guó)國(guó)家航空航天局在發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)上進(jìn)行了地面和太空種植水稻的比較實(shí)驗(yàn)。在微重力環(huán)境下，由于失去了重力引導(dǎo)，水稻幼苗生長(zhǎng)方向不受調(diào)控，根和莖失去了方向感，隨機(jī)自由生長(zhǎng)，變成一團(tuán)亂麻（如上圖所示）。

2016年，中國(guó)天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室曾試種水稻，發(fā)現(xiàn)太空水稻葉尖吐水比地面顯著增加，葉尖的露珠明顯更多更大（如上圖所示）。

水稻根部從土壤中吸出水分，由根壓驅(qū)動(dòng)將水分運(yùn)輸至葉子的頂部，水分從葉片上滲出凝成水滴，這就是水稻吐水。在地球上，水滴在重力作用下自然落地；但在太空微重力環(huán)境下，水滴不會(huì)落下，而是越凝越大，葉片會(huì)一直頂著大水珠生長(zhǎng)，水分無(wú)法有效循環(huán)?？蒲腥藛T為此給水稻做了一個(gè)水回收裝置，防止水稻被自己的“唾液”淹死。

“重生之旅”——從種子到種子

隨著太空植物栽培系統(tǒng)不斷進(jìn)步，以及超矮稈水稻的培育成功，太空水稻研究重點(diǎn)逐漸由植物幼苗階段擴(kuò)展至種子生產(chǎn)階段，一種新的太空旅行方式——“重生之旅”橫空出世。

2022年7月，中國(guó)在天宮空間站內(nèi)進(jìn)行了常規(guī)高稈水稻和超矮稈水稻“小薇”的種植實(shí)驗(yàn)。其中，常規(guī)水稻萌發(fā)、生長(zhǎng)、抽穗并結(jié)出種子，完成了歷時(shí)120天的全生命周期培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，這是國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)水稻在太空“從種子到種子”的全生命周期培養(yǎng)。

水稻生下“兒子”完成剪株后，又進(jìn)行了再生稻實(shí)驗(yàn)，20天后再生出兩個(gè)稻穗，收獲了水稻“孫子”（如上圖所示）。這是國(guó)際上首次在太空嘗試再生稻技術(shù)，為太空作物的高效生產(chǎn)提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)和新思路。

帶回地球的水稻種子今后還有機(jī)會(huì)繼續(xù)送往空間站，在太空進(jìn)行兩到三代的繁殖，這對(duì)未來(lái)空間糧食生產(chǎn)、人類長(zhǎng)期空間探索的糧食保障意義重大。在未來(lái)，水稻種子還將開(kāi)啟新的太空旅行，讓我們一起期待吧！

（作者單位：國(guó)際宇航聯(lián)合會(huì)衛(wèi)星商業(yè)應(yīng)用專委會(huì)）

責(zé)任編輯：胡惠雯