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“天宫二号”科普来了(十):高等植物培养实验:我们要去太空种水稻!
文章来源:上海植生生态所  |  发布时间:2016-09-18  |  【 】 【打印】 【关闭
 

  随着航天技术的发展,人类已经实现了飞出地球的梦想,在太空中工作和生活不再遥不可及。不过,这其中仍面临着不少问题,其中之一便是食物的自给问题。 

  地球上的绿色植物是否可以在太空环境中正常生长,从而为人类提供食物补给呢? 

  所谓“兵马未动,粮草先行”,发展空间生命生态支撑系统,实现粮食和果蔬种植,不仅是空间生物学的重要研究课题之一,也是人类长期探索空间的重要保障。 

  “天宫二号”空间实验室为我们探索空间植物生物学提供了良好的在轨研究平台,使得我们能够直接观察不同植物的种子在太空中从萌发、生长、开花到结籽的全过程,得以更好地了解和掌握未来太空农业发展的可能。


拟南芥(左 )和水稻(右) 

  两种具有不同生长特性的植物——拟南芥和水稻,幸运地作为“植物宇航员”,搭载“天宫二号”飞船开启了一次不平凡的太空之旅。

  尽管目前在空间已经进行了多次植物生长试验,但是,要在太空条件下成功地实现粮食与蔬菜的生产,为宇航员长期空间生活提供食物来源,目前还需要解决包括微重力在内的极端环境因子对植物生长发育影响等诸多问题。 

  “天宫二号”高等植物培养箱,顾名思义,它的主要任务是培育植物。

  而此次培养过程与以往不同,它将开展我国首次为期6个月的植物“从种子到种子”全生命周期培养。这个身负重任的微缩版太空温室,有三个与众不同的特点。

特点一:从种子到种子

  植物学家在地面精心挑选水稻拟南芥的种子作为本次太空旅行的乘客,种子们在休眠状态下乘坐在舒适温暖的“保暖箱”中随着太空实验室进入轨道。

  科学家们将在地面遥控指挥启动实验过程,种子开始萌发。

  在其后的一段时间内,培养箱通过温度、湿度、光照、营养供给调节等功能为种子的生长发育提供环境保障,同时通过相机等测量部件进行“全程直播”,记录图像、温度变化等数据,下传到地面供植物学家开展比对分析。

  如果生长顺利,预计1~2个月以后,植物便可进入抽苔(穗)开花阶段。

  高等植物培养箱可实现植物生长发育全过程实时监测,为植物学家分析研究植物在空间微重力环境中响应与适应的本质,提供科学研究的平台保障。

  

特点二:安全高效的水循环

  小小的太空“温室”中,生长盒区域是植物生长的空间,由透明材料制成,光源从顶部照射,相机从侧面拍摄成像。

  在生长盒上贴有透气膜,用来保障植物与温室内有一定的气体交换,而液态水不会从透气膜中逸出,以此来保障植物生长过程中所需的水分。

  不过,在空间微重力环境下,植物生长过程中因蒸腾作用产生的水汽无法凝结回归到土壤,而是附着于生长盒的侧面,还影响成像。怎么办呢?

  为了解决这个问题,科学家们通过增加冷凝区的设计,使水汽重新冷凝并导入土壤盒内,实现了太空密闭环境下水的有效循环,提高了水的利用率,也避免了水汽可能产生的不良影响,真是高效又安全。

特点三:基因信息“追踪器”

  植物学家预先用转基因技术给拟南芥的开花基因做了绿色荧光蛋白基因标记。同时,培养箱安装了一台微型荧光相机,并集成一个LED荧光激发光源。 

  一切准备就绪,当长日照区的拟南芥开花基因一旦表达,就会被LED光源激发出绿色荧光。荧光相机便可以捕捉到荧光信号,并下传信息。荧光图像能够突出反映特定光谱谱段的荧光信息,为植物学家开展空间植物培养实验提供了一个更为丰富的分析手段。 


图为荧光相机检测拟南芥开花基因(FT)在叶片中表达。a和b分别为可见光和荧光相机对同一培养盒中拟南芥植物成像。c示意了培养盒中不同的拟南芥植株,WT为没有绿色荧光蛋白(GFP)标记的普通拟南芥,FTPro::GFP为含有绿色荧光蛋白转基因拟南芥。 


中国航天员将在“天宫二号”空间实验室中首次进行生物科学实验样品回收。空间培养的拟南芥实验样品将随返回单元返回地面供后续研究分析。 

空间实验的内容是啥?

  本次“天宫二号”中的实验是根据地球上高等植物受光周期诱导的两种典型的反应途径(长日和短日诱导开花途径)以及关键的开花基因的作用机理,从而选择了长日照植物拟南芥和短日照植物水稻为研究对象。

  借助实时成像技术,研究人员可以观察微重力条件下拟南芥和水稻从种子萌发、幼苗生长和开花发育全过程。

  同时,科学家们特别构建的绿色荧光蛋白标记开花基因的拟南芥植株,将帮助科学家们通过实时荧光图像技术,在分子水平检测开花基因在微重力情况下的表达动态。

  这些研究为解析微重力条件下高等植物形态建成,以及从种子萌发、营养生长向生殖生长转变过程的调控机理提供新的知识,对植物栽培和品种选育等都具有重要意义。

  此外,本次试验研究过程中部分拟南芥样品将由航天员参与回收,用于后续分析,为我们了解空间微重力条件下高等植物种子发育与营养贮藏提供第一手材料。


高等植物培养箱(图左上),分为在轨单元和返回单元,在轨单元可提供两个拟南芥培养单元和两个水稻培养单元,分别为一个长日照和一个短日照培养条件(如右上侧植物培养示意图),返回单元用于培养拟南芥。 


长日照植物拟南芥生长周期示意图(左图)以及不同生长发育时期(幼苗期及开花期)拟南芥植物图片(右图)。长日照植物:只有当日照长度超过临界日长(14~17小时),或者说暗期必须短于某一时数才能开花的植物。长日照植物大多数原产于温带和寒带,有冬小麦、大麦、油菜、萝卜等,在纬度超过60°的地区,多数植物是长日照植物。
 


拟南芥在高等植物培养箱中生长过程实时图像。图像记录了从种子萌发到生长25天的拟南芥。
 


短日照植物水稻生长周期示意图(左图)以及开花期的水稻(中图)。“天宫二号”空间实验室中培养的水稻品种为矮化水稻突变体(d18h),成熟期水稻株高在15-20厘米(该矮化水稻由中国水稻研究所钱前研究员提供)。右图为矮化水稻与正常株高水稻(zh11)在幼苗期的比较。短日照植物:只有当日照长度短于其临界日长(少于12小时,但不少于8小时)时才能开花的植物。在一定范围内,暗期越长,开花越早。短日照植物大多数原产地是日照时间短的热带、亚热带,如大豆、玉米、水稻等。
 


矮化水稻(d18h)在高等植物培养箱中生长过程实时图像。图像记录了从种子萌发到生长26天的水稻。
 

太空探索的未来蓝图什么样?

  人类登上月球已过去40多年,目前重返月球和登陆火星的梦想席卷全球。一些科学家不但绘制了月球基地和火星基地的蓝图,而且已经完成选址。

  我国载人航天工程的第一步是载人飞行,目前任务已圆满完成;第二步,是空间实验室阶段的工作,目前已完成了航天员出舱任务,并于2011年实现了“神舟八号”飞船与“天宫一号”目标飞行器的太空交会对接;第三步,是载人空间站工程,将在2020年左右实现。

  在“嫦娥工程”首次月球探测飞行成功后,探月二期工程进入实施阶段,探月三期工程将在2017年左右实现“绕、落、回”中的最后一步“回”的目标。同时,包括火星和小行星探测在内的未来深空探测已经列入规划。

  我国在航天和空间领域的发展,为空间生命科学研究提供了前所未有的机会。

  如何建立以绿色高等植物为基础的空间密闭生态循环系统,为航天员长期的空间生活提供补给?这是一个浩大的综合工程。这不禁让人想起电影《火星救援》,主人公孤身一人克服重重困难,通过在火星基地种植土豆的方法补给自身,从而实现重回地球。

  加强太空环境中植物生长发育研究,突破空间生命生态保障系统的技术瓶颈,构建人类地外长期生存的新天地,相信人类跨越天疆的梦想一定会在不远的将来成为现实。

“迷你太空温室”研制者是谁?

  中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所负责科学实验样品和内容的设计、实验方案和实验结果的分析。

  中国科学院上海技术物理研究所研制高等植物培养箱。

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