天宫二号是中国第一个真正意义上的空间实验室,空间应用系统在天宫二号空间实验室上安排了共14项空间科学和应用任务,其中包括选择了水稻和拟南芥,计划进行“从种子到种子”的植物全生育发展过程实验。为发展空间植物培养技术、探索保障人类长期空间生存,又向前迈进了一步。

天宫二号

据课题负责人、中科院植物生理生态研究所郑慧琼研究员介绍,高等植物是空间生态生保系统的关键因素。如何利用植物在空间生产粮食与蔬菜,供人类长期空间生活需求,是载人航天必须要解决的关键科学问题之一。

以往,我国利用返回式卫星也曾开展过多次空间搭载飞行实验,但由于在太空中时间有限,最多只能展开种子萌发、幼苗生长阶段的实验。2016年9月15日,天宫二号在发射之际,搭载了一个由中科院上海技术物理研究所研制的微型培养箱,里面种植有粮食作物的典型代表水稻,和绿叶植物的典型代表拟南芥。

除了部分植物样品于2016年11月18日随着神舟十一号返回地面,大部分植物样品至今仍然留在天宫二号。科研人员成功地通过地面遥控,对留在太空中的培养箱进行温控和浇水,启动了拟南芥和水稻生长,并顺利开花结果。这是我国首次在太空中完成“从种子到种子”全过程的空间植物培养实验。

郑慧琼表示,此次实验验证了利用植物光周期反应原理调控空间植物营养生长与生殖生长的设计思想,为有效利用空间有限资源进行最大化的植物生产,提供了重要空间实验证据;首次成功获得了拟南芥和水稻在“长日”与“短日”条件下,生长发育全过程的实时图像数据,有多项新的发现;在国际上首次成功为基因信息安装了“追踪器”,利用植物开花基因“启动子”带动绿色荧光蛋白,在微重力条件下表达并获得实时荧光图像;首次获得微重力在叶维管组织发育作用的证据,并对其进行了转录组分析;首次对水稻吐水、拟南芥寿命和根的“向触性运动”进行了观察与分析。

通过与地面上同步种植的水稻与拟南芥进行对比研究,科研人员还发现了一些有趣现象:例如,由于在太空中没有地球上的重力引导,植物方向感差,根的定向生长运动明显受阻,太空中的水也不能有效地回到土壤中。但在太空微重力的条件下,水稻的吐水活性却显著增强。利用这一特性,未来可应用于空间制备净化水或空间制药。

“点头运动”是植物细胞周期性生长的外在表现,其过程受到生物钟基因的严格控制。研究发现,太空中生长的拟南芥花序轴的点头幅度和频率,都明显小于地面对照,说明微重力抑制了植物的点头运动。

研究还发现,植物在太空中虽然开花晚,长得慢,但衰老速度慢,寿命显著延长。太空中拟南芥在“长日”条件下,植株比地面对照多活65天,“短日”转“长日”,植株则比地面多活456天。在太空中,水稻的第一和第二叶片衰老也慢于地面。

        拓展知识:天宫二号挑选了两种的水稻和拟南芥是典型的受光周期诱导的高等植物,水稻是短日照植物,而拟南芥是长日照植物。空间实验种植在将来可进一步应用于作物产量与品质的改良,以及空间生命生态支持系统中植物品种的选育等,也为有效利用空间有限资源进行最大化的植物生产提供了重要的空间实验证据。

(第一农经整理)