“民以食為天,食以稻為先。”水稻是全球最主要的糧食作物之一,養(yǎng)活了世界上近一半人口。從田間、實驗室到太空,人類對水稻種子的研究從未停止。自1973年美國天空實驗室將第一批水稻種子送上天以來,科學(xué)家為水稻種子安排了數(shù)十次太空奇幻旅行,取得了大量研究成果。讓我們一起來盤點,50年來水稻種子的太空旅行!
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(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)勢在于變異過程快,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(jīng)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(yuǎn)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??茖W(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)它們在產(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(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(nèi)建立水稻栽培設(shè)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(xué)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(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(jìn)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(dǎo),水稻幼苗生長方向不受調(diào)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(qū)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(jìn)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(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”的種植實驗。其中,常規(guī)水稻萌發(fā)、生長、抽穗并結(jié)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(jìn)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(shù),為太空作物的高效生產(chǎn)提供了實驗證據(jù)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(jìn)行兩到三代的繁殖,這對未來空間糧食生產(chǎn)、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(yīng)用專委會)
責(zé)任編輯:胡惠雯