从二十世纪五十年代人类发射第一颗人造地球卫星以来，如何利用植物保障人类在地外环境中生存所需要的食物、氧气和纯净水，成为空间生命科学最为关注的问题。 近十多年来，随着重返月球、登陆火星、建立月球或火星基地成为人类空间探索的重要目标，以人类长期在太空生活必需的粮食生产为研究对象，通过研究在完全封闭太空条件下如何培养或栽培植物，探索作物在太空环境中高效生产所需要的条件因素和技术途径，筛选和创建适合太空生产的农作物新品种等途径，建立以植物为基础的空间生物再生生命支持系统，最终实现人类长期太空探索的目标，成为了新的研究热点。

在过去六十多年中，科学家们对于在空间种植和栽培植物进行了大量的研究，在各种空间飞行器中进行了20多种植物的培养实验。早期人们的空间植物培养实验主要目标是如何在空间环境中养活植物，使其能够萌发、生长、开花和产生种子，如今这些目标都一一实现了。一些基本的空间植物生物学问题，如植物的向性生长，根的形成、萌发，种子成分，基因和蛋白质的表达变化等，也在此过程得到了较为深入的研究。目前科学家们的研究重点逐渐由对植物幼苗阶段的研究扩展至种子生产研究。但是，目前只有油菜、小麦和豌豆少数几种作物在空间完成了从种子到种子的实验。同时，在空间条件下，植物开花时间延迟、开花数目少、种子结实率低和种子质量下降等问题仍然没有克服。因此，迫切需要研究如何控制植物发育的关键环节开花的调控机理，为改进空间植物培养技术和探索更多的适应空间生命保障要求的粮食作物生产提供指导。

2022年7月24日，我国空间站问天实验舱成功发射并与天和核心舱交会对接，问天实验舱搭载了生命生态实验柜、生物技术实验柜等科学实验柜。中国科学院分子植物科学卓越创新中心（以下简称“分子植物卓越中心”）郑慧琼研究团队承担了“微重力条件下高等植物开花调控的分子机理”生命科学实验项目。7月28日，载有实验样品拟南芥种子和水稻种子的实验单元，由航天员安装至问天实验舱的生命生态通用实验模块中，通过地面程序注入指令于7月29日启动实验。目前已成功启动了拟南芥和水稻的种子萌发，拟南芥幼苗已长出多片叶子，高杆水稻幼苗已长至30厘米左右高，矮杆水稻也有5-6厘米高，生长状态良好，后续将完成拟南芥和水稻在空间从种子到种子全生命周期的实验，并在实验过程中由航天员采集样品、冷冻保存，最终随航天员返回地面进行分析。

本次空间实验样品拟南芥和水稻是两种模式植物。拟南芥代表双子叶、长日、十字花科植物， 很多蔬菜，比如青菜、油菜等都属于十字花科。而水稻代表单子叶、短日、禾本科植物，很多粮食类作物，比如小麦、玉米等属于禾本科。本项目主要研究空间微重力条件下，拟南芥和水稻的开花调控的分子机理。“开花”是植物结出新一代种子的前提。农作物的种子既是粮食，也是繁殖下一代的载体。随着载人深空探测的发展深入，比如登陆火星，要想真正解决人类长期空间探索的粮食保障问题，不可能单纯依靠从地球上携带粮食来满足航天员长期的空间生活和工作需求，必须要解决在空间生产粮食这一难题。由于地球生命不可能在严酷的太空环境条件下无保护地生存 ，未来的太空作物生产必须要在完全封闭的人造环境中进行，种植空间和能源供给都十分稀缺。因此，太空种植的农作物必须具备高产优质、高生产效率和低能源消耗的要求。

拟南芥

水稻

本次实验的目标是完成拟南芥和水稻在空间站从种子到种子全生命周期的培养研究，探索利用空间环境因素控制植物的开花，来实现在较小的封闭空间中植物生产效率最大化的可能途径，同时通过航天员在轨采集样品，冷冻保存返回分析，鉴定空间微重力调控植物开花的关键枢纽基因并对其进行功能验证，为下一步构建适应空间微重力环境的高产优质农作物提供分子元件。

本次项目将聚焦三个关键科学问题：微重力怎样影响开花？微重力影响植物开花的分子机理是什么？能否利用微重力环境作用来控制植物的开花？围绕这三个关键的科学问题，通过分析比较微重力在植物开花过程中的作用，获取微重力调控开花的分子基础与关键基因的表达变化，进一步解析空间微重力条件下长日和短日植物开花基因表达的调控网络及二者在植物对空间环境适应性中的作用机理。

分子植物卓越中心郑慧琼研究员表示，希望通过本次研究，在国际上首次完成空间微重力条件下水稻从“种子到种子”全生命周期的培养实验，并获得水稻培养的关键环境参数，为进一步解析空间微重力对水稻生长发育的影响及分子基础，利用水稻进行空间粮食生产提供重要理论指导。同时，通过转录组分析比较拟南芥和水稻两种模式植物在空间环境中开花途径关键基因的表达及其调控网络的变化，解析空间微重力对于长日和短日植物开花的分子机理，为进一步创制适应空间环境的作物和开发利用空间微重力环境资源提供理论依据。

来源：中国科学院分子植物科学卓越创新中心