7月24日14時22分，問天實驗艙在我國文昌航天發射場成功發射。7月28日，載有實驗樣品擬南芥種子和水稻種子的實驗單元，由航天員安裝至問天實驗艙的生命生態通用實驗模塊中。通過地面程序注入指令，7月29日正式啟動實驗。

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8月29日，經過為期一個月的培養，《中國科學報》從中科院獲悉，目前已成功啟動了擬南芥和水稻的種子萌發。擬南芥幼苗已長出多片葉子，高稈水稻幼苗已長至30厘米左右，矮稈水稻也有5～6厘米高。

中科院分子植物科學卓越創新中心研究員鄭慧瓊表示，希望通過本次研究，在國際上首次完成空間微重力條件下水稻從“種子到種子”全生命周期的培養實驗，并獲得水稻培養的關鍵環境參數，為進一步解析空間微重力對水稻生長發育的影響及分子基礎、利用水稻進行空間糧食生產提供重要理論指導。

克服植物“航天綜合癥”

從二十世紀五十年代人類發射第一顆人造地球衛星以來，如何利用植物保障人類在地外環境中生存所需要的食物、氧氣和純凈水，成為空間生命科學最為關注的問題。

從1963年起，科學家們對于在空間種植和栽培植物進行了大量的研究，國際上研制了21臺空間植物培養箱或者實驗模塊，開展植物培養實驗。

鄭慧瓊說：“當植物進入太空失重環境，會發生各種‘航天綜合癥’，產生運動慢、方向亂、開花晚、長得慢、活得長、吐水多等現象。”

因此，早期空間植物培養實驗主要目標是如何在空間環境中養活植物，使其能夠萌發、生長、開花和產生種子，如今這些目標已經實現。

與此同時，一些基本的空間植物生物學問題，如植物的向性生長，根的形成、萌發，種子成分，基因和蛋白質的表達變化等，也在此過程得到了較為深入的研究。

隨著載人深空探測的發展深入，滿足航天員長期的空間生活和工作需求，不能只單純依靠從地球上攜帶糧食。要想真正解決人類長期空間探索的糧食保障問題，必須要解決在空間生產糧食這一難題。

由于地球生命不可能在嚴酷的太空環境條件下無保護地生存，未來的太空作物生產必須要在完全封閉的人造環境中進行，種植空間和能源供給都十分稀缺。因此，太空種植的農作物必須具備高產優質、高生產效率和低能源消耗的要求。

“我們研究在完全封閉太空條件下如何培養或栽培植物，探索作物在太空環境中高效生產所需要的條件因素和技術途徑，篩選和創建適合太空生產的農作物新品種，以此建立以植物為基礎的空間生物再生生命支持系統，最終實現人類長期太空探索的目標。”鄭慧瓊說。

從開花調控機理入手

據鄭慧瓊介紹，科學家的研究重點逐漸從對植物幼苗階段的研究擴展至種子生產研究。但是，目前只有油菜、小麥和豌豆少數幾種作物在空間完成了從種子到種子的實驗。

在空間條件下，植物開花時間延遲、開花數目少、種子結實率低和種子質量下降等問題仍然沒有克服。

“開花”是植物結出新一代種子的前提，因此，研究如何控制植物發育的關鍵環節開花的調控機理尤為重要，這為改進空間植物培養技術、探索更多的適應空間生命保障要求的糧食作物生產提供了基礎。

在這個背景下，鄭慧瓊研究團隊承擔了“微重力條件下高等植物開花調控的分子機理”生命科學實驗項目。本次項目將聚焦三個關鍵科學問題：微重力怎樣影響開花？微重力影響植物開花的分子機理是什么？能否利用微重力環境作用來控制植物的開花？

圍繞這三個關鍵的科學問題，本次空間實驗樣品采用了擬南芥和水稻兩種模式植物，研究在空間微重力條件下，擬南芥和水稻的開花調控的分子機理。

為何選用這兩種模式植物？鄭慧瓊解釋，擬南芥代表雙子葉、長日、十字花科植物，很多蔬菜，比如青菜、油菜等都屬于十字花科；而水稻代表單子葉、短日、禾本科植物，很多糧食類作物，比如小麥、玉米等屬于禾本科。

據介紹，科研人員通過分析比較微重力在植物開花過程中的作用，獲取微重力調控開花的分子基礎與關鍵基因的表達變化，進一步解析空間微重力條件下。長日和短日植物開花基因表達的調控網絡以及二者在植物對空間環境適應性中的作用機理。

探索植物生產效率最大化途徑

據鄭慧瓊介紹，水稻生長周期較短，水稻70天左右就能抽穗結籽，后續還會通過地面對照組實驗，進一步分析水稻在空間站的生長情況。

“因為我國在水稻上有著深厚的研究基礎，我們才可以在問天實驗艙開展相應的科學實驗，這也是國際上首次對水稻‘從種子到種子’的研究。”鄭慧瓊說。

空間站“從種子到種子”全生命周期的培養研究有何作用？鄭慧瓊表示，這項研究可以探索利用空間環境因素控制植物的開花，來實現在較小的封閉空間中植物生產效率最大化的可能途徑。

此外，實驗還會通過航天員在軌采集樣品、冷凍保存返回分析，鑒定空間微重力調控植物開花的關鍵樞紐基因并對其進行功能驗證，為下一步構建適應空間微重力環境的高產優質農作物提供分子元件。

“實驗最理想的狀態是水稻在空間站結種、并在空間站繼續種植，我們后續還會開展相應的基礎研究，探索空間站水稻生長規律是否有機會推廣到實際生產中。”鄭慧瓊表示。

微重力條件下水稻的生長發育情況（中科院分子植物科學卓越創新中心供圖）

微重力條件下擬南芥的生長發育情況（中科院分子植物科學卓越創新中心供圖）

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