鄭慧瓊是中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng )新中心研究員、中國空間站問(wèn)天艙“微重力條件下高等植物開(kāi)花調控的分子機理”實(shí)驗項目負責人。近20年間，她所在團隊一直致力于研究太空高等植物的生長(cháng)問(wèn)題。此次問(wèn)天艙水稻實(shí)驗取得進(jìn)展，意味著(zhù)中國人有望首次在國際上實(shí)現空間站水稻“從種子到種子”的全生命周期培養，為人類(lèi)以后能在太空吃到剛出鍋的米飯打下基礎。

無(wú)論人類(lèi)在哪兒生存，都要解決吃飯問(wèn)題。地球上，早已不再是新名詞的糧食危機，在新冠肺炎疫情、地緣政治、極端氣候等影響下有愈演愈烈之勢；太空里，靠火箭運送補給食品顯然不是長(cháng)久之計。為了解決吃飯問(wèn)題，人們不僅在向土地、向海洋，還在不斷向太空要答案。

那么，太空到底給了我們怎樣的回應？

中國空間站種的水稻“生長(cháng)狀態(tài)良好”

從20世紀50年代人類(lèi)發(fā)射第一顆人造地球衛星以來(lái)，如何利用植物保障人類(lèi)在地外環(huán)境中生存所需要的食物、氧氣和純凈水，就成為空間生命科學(xué)最為關(guān)注的問(wèn)題之一。

太空生存，種植農作物是必解問(wèn)題。美國國家航空航天局國際空間站和飛船處理董事會(huì )的一位科學(xué)家曾表示，把1磅（約0.45千克）食品送上國際空間站需要花大約1萬(wàn)美元。一位來(lái)自美國國家航空航天局約翰遜太空中心的太空食物系統高級研究科學(xué)家也曾在公開(kāi)場(chǎng)合說(shuō)，如果航天員開(kāi)啟一趟為期5年的火星之旅，每人需要消耗約3000公斤食物。這些食物如果全靠火箭運送，顯然難以為繼。

換言之，如果航天員像沈騰飾演的獨孤月那樣“破罐子破摔”，長(cháng)期靠吃庫存維持生命，《獨行月球》可能剛開(kāi)演就要落幕了。

繼在地球上創(chuàng )立農耕文明之后，人類(lèi)早已拉開(kāi)了去太空“從頭越”的架勢。特別是過(guò)去10多年來(lái)，隨著(zhù)重返月球、登陸火星、建立月球或火星基地成為人類(lèi)空間探索的重要目標，各國科學(xué)家都在為長(cháng)期在太空生存做糧食準備。鄭慧瓊感到：“解決建立空間生命保障系統的科學(xué)問(wèn)題已經(jīng)迫在眉睫?！?

微重力條件下水稻的生長(cháng)發(fā)育情況組圖。中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng )新中心供圖

正是在這種背景下，空間站種水稻等一系列太空種植實(shí)驗應運而生。2022年7月24日，我國空間站問(wèn)天實(shí)驗艙成功發(fā)射并與天和核心艙交會(huì )對接，問(wèn)天實(shí)驗艙搭載了生命生態(tài)實(shí)驗柜、生物技術(shù)實(shí)驗柜等科學(xué)實(shí)驗柜。7月28日，載有實(shí)驗樣品水稻種子的實(shí)驗單元，被航天員安裝至問(wèn)天實(shí)驗艙的生命生態(tài)通用實(shí)驗模塊中，7月29日正式啟動(dòng)實(shí)驗。

鄭慧瓊說(shuō)，此次實(shí)驗的目標是在國際上首次完成水稻在空間站從種子到種子全生命周期的培養研究，探索利用空間環(huán)境因素控制植物的開(kāi)花，來(lái)尋找在較小的封閉空間中植物生產(chǎn)效率最大化的可能途徑。

實(shí)驗啟動(dòng)后，高稈和矮稈水稻種子奮力生長(cháng)，但不出所料，它們在微重力的空間環(huán)境中遭遇“水土不服”，患上了“航天綜合征”。長(cháng)出的水稻幼苗看起來(lái)有些“懶散”，并沒(méi)有像地面上的水稻那樣精神抖擻地挺立起來(lái)，而是“趴”在了透明實(shí)驗盒子的壁上。

不過(guò)這并不影響實(shí)驗給人們帶來(lái)成功的希望。

鄭慧瓊表示，目前已成功啟動(dòng)了水稻的種子萌發(fā)，高稈水稻幼苗已長(cháng)至30厘米左右高，矮稈水稻也有5-6厘米高，生長(cháng)狀態(tài)良好。待后續成功結出種子后，將由航天員采集樣品、冷凍保存，最終隨航天員返回地面進(jìn)行分析。

人類(lèi)已成功在太空收獲油菜、小麥、豌豆等

實(shí)際上，太空不但生長(cháng)出了長(cháng)勢良好的水稻，還給人類(lèi)帶來(lái)了不少驚喜。

鄭慧瓊介紹，在過(guò)去60多年中，科學(xué)家對于在空間種植和栽培植物進(jìn)行了大量的研究，在各種空間飛行器中進(jìn)行了20多種植物、50多項空間培養實(shí)驗。

公開(kāi)資料顯示，1979年，禮炮號6號空間站就已經(jīng)開(kāi)始培養洋蔥和蘭花的球莖，并開(kāi)展擬南芥、豌豆、小麥的生長(cháng)發(fā)育研究。

1982年，禮炮7號空間站的溫室中種植了擬南芥，并第一次實(shí)現了從種子到種子的太空種植。擬南芥是雙子葉、長(cháng)日、十字花科植物的代表，很多蔬菜，比如青菜、油菜等都屬于十字花科，因此這一進(jìn)展對太空種菜意義非凡。

1997年，“超矮小麥”在和平號空間站中首次完成了從種子到種子的實(shí)驗。人類(lèi)太空生存的“主食”保衛戰告一大捷。

隨著(zhù)科技進(jìn)步，科學(xué)家們的“腦洞”也越開(kāi)越大。

2006年，鄭慧瓊團隊在我國“實(shí)踐八號”衛星上觀(guān)察了青菜的開(kāi)花過(guò)程。2012年，美國航天員唐·佩蒂特開(kāi)了一個(gè)名為《太空西葫蘆日記》的博客，講述一顆西葫蘆在國際空間站生長(cháng)的過(guò)程。隨后，國際空間站在2014年啟動(dòng)了蔬菜種植實(shí)驗，2015年收獲的生菜還讓航天員進(jìn)行了試吃。2016年，一株絢麗的百日菊在國際空間站綻放，作為人類(lèi)在地球之外培育出的第一朵觀(guān)賞花，它不僅當之無(wú)愧地成為太空“花魁”，還對植物的太空開(kāi)花研究作出了不小的貢獻。2021年，智利辣椒在國際空間站的“高等植物棲息地”培養器中開(kāi)花結果，并成為航天員的“配菜”。

微重力條件下水稻的生長(cháng)發(fā)育情況。中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng )新中心供圖

鄭慧瓊說(shuō)，早期人們的空間植物培養實(shí)驗主要目標是如何在空間環(huán)境中養活植物，使其能夠萌發(fā)、生長(cháng)、開(kāi)花和產(chǎn)生種子，如今這些目標都一一實(shí)現了。一些基本的空間植物生物學(xué)問(wèn)題，如植物的向性生長(cháng)，根的形成、萌發(fā)，種子成分，基因和蛋白質(zhì)的表達變化等，也在此過(guò)程得到了較為深入的研究。

目前科學(xué)家的研究重點(diǎn)逐漸由對植物幼苗階段的研究擴展至種子生產(chǎn)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(shí)驗。同時(shí)，在空間條件下，植物開(kāi)花時(shí)間延遲、開(kāi)花數目少、種子結實(shí)率低和種子質(zhì)量下降等問(wèn)題仍然沒(méi)有克服。因此，此次問(wèn)天艙的水稻等相關(guān)實(shí)驗，主要致力于研究開(kāi)花調控的分子機理。

“太空味道”飛入尋常百姓家

太空種植只是太空農業(yè)的一角，科學(xué)家還期待利用空間資源解決地球上的吃飯問(wèn)題。利用空間環(huán)境育種，為地球作物改良品種，也是一條重要的思路。

為什么青睞航天育種？隨著(zhù)人們生活水平的提高，吃飽早已不能滿(mǎn)足老百姓的需求，好吃、健康等標準使得人們對農業(yè)新品種的需求愈發(fā)迫切，加之社會(huì )和自然環(huán)境在改變，諸如國際競爭、高溫干旱等因素，都不斷對農作物品種提出新的要求。國家植物航天育種工程技術(shù)研究中心副主任、華南農業(yè)大學(xué)教授郭濤認為，與現代生物學(xué)結合的航天育種，是保障國家種業(yè)安全的重要手段之一。

航天員在軌操作科學(xué)實(shí)驗柜。中國載人航天工程辦公室供圖

郭濤說(shuō)，科學(xué)家通過(guò)飛行器把地球種子送上太空，利用太空高真空、微重力、空間射線(xiàn)等條件誘發(fā)其遺傳基因發(fā)生改變，回到地面，再想辦法將那些好的改變“固定”下來(lái)，從而改良農作物品種的特定性狀。

通過(guò)這種方式，我國1987年第九顆返回式衛星搭載著(zhù)精挑細選的小麥、水稻、青椒等百余個(gè)品種的農作物種子，順利完成了我國首次航天育種“太空之旅”。隨后，航天育種相關(guān)實(shí)驗愈發(fā)豐富，蔬菜、瓜果、花卉、中草藥等均在其列。

經(jīng)過(guò)30多年的實(shí)踐，航天育種成果層出不窮，我國通過(guò)航天育種已篩選新材料1200多份，培育出新品種260多個(gè)，年推廣面積數千萬(wàn)畝。不少科研成果已經(jīng)從實(shí)驗室搬到了普通人的餐桌上。

郭濤介紹，我國在20世紀90年代就已經(jīng)實(shí)現了水稻、小麥等作物航天育種品種的產(chǎn)業(yè)化，隨后相關(guān)產(chǎn)業(yè)更是不斷發(fā)展壯大。

以郭濤所在的研究團隊為例，10多年來(lái)，團隊已經(jīng)選育了57個(gè)在生產(chǎn)上推廣和應用的水稻新品種，推廣面積累計超過(guò)5000萬(wàn)畝。郭濤說(shuō)：“比如華航31號水稻經(jīng)過(guò)空間誘變后，產(chǎn)量提升了約10%，成為廣東省農業(yè)主導品種?！贝饲?，還有專(zhuān)家對媒體表示，北京市場(chǎng)約30%的草莓都是“航天草莓”。

事實(shí)上，人類(lèi)利用太空資源充實(shí)地球餐桌的設想，并不僅限于航天育種。

還有專(zhuān)家提出，未來(lái)或許可以在太空建設空間生物合成工廠(chǎng)，利用微重力、高真空等獨特條件，來(lái)完成大分子化合物或特定蛋白質(zhì)的高效合成，大規模生產(chǎn)高純度淀粉、特定蛋白質(zhì)或“人造肉”等高價(jià)值農產(chǎn)品。

不難看出，無(wú)論在哪里生存，人類(lèi)靠“天”吃飯的計劃和執行力都相當出色。人類(lèi)想成為多行星物種，大概不是奢望。（記者 張茜）

                                                                                                                                                                                      來(lái)源：中國青年報