水稻种子的太空旅行

朱林崎

1987年8月，中国返回式卫星首次将一批水稻、番茄和青椒等种子送入太空，开启了种子的太空“奇遇之旅”。这种“旅行”被称为航天育种，是让种子先“上天”，利用太空近似真空、充满宇宙射线、微重力等特殊环境，诱使种子发生基因突变。变异后的种子再“入地”，经科研人员筛选及多代选育，最终获得优良新品种。

太空“奇遇之旅”的优势在于变异过程快，变异几率高、变异范围广，是缓解优质农作物种源贫乏的有效途径之一。经过30多年的发展，水稻已成为中国航天育种里太空旅行次数最多、研究成果最显著的作物。

在展览中展示的太空水稻

太空“ 奇遇之旅” 其实是一场大冒险，太空环境诱发的基因变异可遇不可求，虽然概率高于自然变异的水平，但平均也只有0.5‰～5‰，其中有益的突变大约只占总变异量的3%。回到地面之后，种子的筛选就像开盲盒，要培育到第二代才可以开始选拔性能优异的种子，经过6 ～8代培育和层层筛选，5～10年才能诞生新品种。

2020年12月，嫦娥五号月球探测器携带的2500粒水稻种子， 在历时23天、近80万千米的“奔月旅行”后顺利返回地球。这批种子名为“航聚香丝苗”，是从1 万个品种中脱颖而出的“骄子”。“航聚香丝苗”是出身名门的“航二代”，“父亲”华航31 号和“母亲”航恢1508 都是航天育种的成果。

这批种子除了是目前为止飞得最远的水稻种子之外，还脱离了地球磁场保护，遭遇了更强的辐射和太阳黑子，可能会诱发更强烈的基因突变。科学家已经发现它们在产量、品质和抗病性上的一些特殊变异。

2021年7月，在华南农业大学试验基地种下的“奔月”水稻种子迎来了第一次收获（ 下图）。2～3年会有第一批产品出现，5～10年将完成全面研究。

研究人员对成熟的“奔月”水稻进行取样（ 来源/华南农业大学）

地面种植水稻（A） 与太空种植水稻（B）对比（ 来源/日本大阪市立大学保尊隆享教授）

在太空生长的水稻吐水，比地面对照组明显增加（ 来源/中国科学院分子植物科学卓越创新中心）

标准水稻品种的株高比较长（水稻的株高因其品种而存在差异，一般在70～100 厘米），对光照强度要求高，因此，在太空有限的空间内建立水稻栽培设施颇为困难。要保证水稻每个发育阶段都能正常生长，对太空实验条件要求也非常苛刻，所以，早期在太空对水稻全生命周期种植的研究并不多，水稻种子的太空旅行主要是发芽、成长的“萌动之旅”。科学家聚焦微重力环境对稻苗萌发和生长的影响，开展向地性、向光性、根的形成、基因和蛋白质的表达变化等研究，为太空水稻栽培及品种选育提供指导。

水稻的太空“萌动之旅”往往“水土不服”，一边“懵懂”一边“萌动”——表现为生长方向乱、长得慢、活得长、吐水多等。

例如，1998年，美国国家航空航天局在发现号航天飞机上进行了地面和太空种植水稻的比较实验。在微重力环境下，由于失去了重力引导，水稻幼苗生长方向不受调控，根和茎失去了方向感，随机自由生长，变成一团乱麻（ 如左上图所示）。

2016年，中国天宫二号空间实验室曾试种水稻，发现太空水稻叶尖吐水比地面显著增加，叶尖的露珠明显更多更大（ 如右上图所示）。

水稻完成“从种子到种子”全生命周期不同发育阶段代表性图片。图像上的数字表示注入营养液，启动实验后的天数（ 来源/中国科学院分子植物科学卓越创新中心）

水稻根部从土壤中吸出水分，由根压驱动将水分运输至叶子的顶部，水分从叶片上渗出凝成水滴，这就是水稻吐水。在地球上，水滴在重力作用下自然落地；但在太空微重力环境下，水滴不会落下，而是越凝越大，叶片会一直顶着大水珠生长，水分无法有效循环。科研人员为此给水稻做了一个水回收装置，防止水稻被自己的“唾液”淹死。

随着太空植物栽培系统不断进步，以及超矮秆水稻的培育成功，太空水稻研究重点逐渐由植物幼苗阶段扩展至种子生产阶段，一种新的太空旅行方式——“重生之旅”横空出世。

2022年7月，中国在天宫空间站内进行了常规高秆水稻和超矮秆水稻“小薇”的种植实验。其中，常规水稻萌发、生长、抽穗并结出种子，完成了历时120天的全生命周期培养实验，这是国际上首次实现水稻在太空“从种子到种子”的全生命周期培养。

天宫空间站中，水稻原生稻和再生稻（ 来源/ 中国科学院分子植物科学卓越创新中心）

水稻生下“儿子”完成剪株后，又进行了再生稻实验，20 天后再生出两个稻穗，收获了水稻“孙子”（ 如上图所示）。这是国际上首次在太空尝试再生稻技术，为太空作物的高效生产提供了实验证据和新思路。

带回地球的水稻种子今后还有机会继续送往空间站，在太空进行两到三代的繁殖，这对未来空间粮食生产、人类长期空间探索的粮食保障意义重大。在未来，水稻种子还将开启新的太空旅行，让我们一起期待吧！

（责任编辑 / 高琳 美术编辑 / 周游）

保护水稻生命的生命生态实验柜

天宫空间站生命生态科学实验柜结构图（ 来源/ 中国科学院空间应用工程与技术中心）

水稻的太空“重生之旅”得以顺利实现，天宫空间站的生命生态实验柜功不可没。2016年水稻在天宫二号空间实验室“试种”时，由于天宫二号的高等植物培养箱，无法同时为开展实验的拟南芥和水稻提供不同温度，所以水稻未能结籽。

而在天宫空间站，生命生态实验柜的通用生物培养模块为植物种植提供稳定的温度、光照、二氧化碳浓度及湿度等，同时创新性地提供了双温区设计，使拟南芥和水稻能同时在各自适宜的温区生长，为水稻完成“从种子到种子”的过程创造了良好的培育环境。