在展覽中展示的太空水稻

“奇遇之旅”——“上天”大冒險 “入地”開盲盒

1987年8月，中國返回式衛(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)勢在于變異過程快，變異幾率高、變異范圍廣，是緩解優(yōu)質農作物種源貧乏的有效途徑之一。經過30多年的發(fā)展，水稻已成為中國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”其實是一場大冒險，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?，種子的篩選就像開盲盒，要培育到第二代才可以開始選拔性能優(yōu)異的種子，經過6～8代培育和層層篩選，5～10年才能誕生新品種。

2020年12月，嫦娥五號月球探測器攜帶的2500粒水稻種子，在歷時23天、近80萬千米的“奔月旅行”后順利返回地球。這批種子名為“航聚香絲苗”，是從1萬個品種中脫穎而出的“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的水稻種子之外，還脫離了地球磁場保護，遭遇了更強的輻射和太陽黑子，可能會誘發(fā)更強烈的基因突變。科學家已經發(fā)現(xiàn)它們在產量、品質和抗病性上的一些特殊變異。

2021年7月，在華南農業(yè)大學試驗基地種下的“奔月”水稻種子迎來了第一次收獲。2～3年會有第一批產品出現(xiàn)，5～10年將完成全面研究。

“萌動之旅”——水稻太空“變形記”

標準水稻品種的株高比較長（水稻的株高因其品種而存在差異，一般在70～100厘米），對光照強度要求高，因此，在太空有限的空間內建立水稻栽培設施頗為困難。要保證水稻每個發(fā)育階段都能正常生長，對太空實驗條件要求也非?？量?，所以，早期在太空對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、成長的“萌動之旅”?？茖W家聚焦微重力環(huán)境對稻苗萌發(fā)和生長的影響，開展向地性、向光性、根的形成、基因和蛋白質的表達變化等研究，為太空水稻栽培及品種選育提供指導。

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

例如，1998年，美國國家航空航天局在發(fā)現(xiàn)號航天飛機上進行了地面和太空種植水稻的比較實驗。在微重力環(huán)境下，由于失去了重力引導，水稻幼苗生長方向不受調控，根和莖失去了方向感，隨機自由生長，變成一團亂麻（如上圖所示）。

2016年，中國天宮二號空間實驗室曾試種水稻，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，由根壓驅動將水分運輸至葉子的頂部，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，水滴不會落下，而是越凝越大，葉片會一直頂著大水珠生長，水分無法有效循環(huán)?？蒲腥藛T為此給水稻做了一個水回收裝置，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)不斷進步，以及超矮稈水稻的培育成功，太空水稻研究重點逐漸由植物幼苗階段擴展至種子生產階段，一種新的太空旅行方式——“重生之旅”橫空出世。

2022年7月，中國在天宮空間站內進行了常規(guī)高稈水稻和超矮稈水稻“小薇”的種植實驗。其中，常規(guī)水稻萌發(fā)、生長、抽穗并結出種子，完成了歷時120天的全生命周期培養(yǎng)實驗，這是國際上首次實現(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，又進行了再生稻實驗，20天后再生出兩個稻穗，收獲了水稻“孫子”（如上圖所示）。這是國際上首次在太空嘗試再生稻技術，為太空作物的高效生產提供了實驗證據和新思路。

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

（作者單位：國際宇航聯(lián)合會衛(wèi)星商業(yè)應用專委會）

責任編輯：胡惠雯