對話｜怎樣在中國空間站種水稻

澎湃新聞記者鄒佳雯

一個月的時間，水稻小種子破土而出，長出幼苗，與以往有所不同的是，這次是在太空中。

8月29日，擬南芥和水稻種子在中國空間站問天實驗艙成功萌發、長出幼苗的消息，在網絡上引發大量的關注與探討。這也是國際上首次對水稻在空間站從種子到種子全生命週期的培養研究。

在一個月前的7月24日，中國空間站問天實驗艙成功發射並與天和核心艙交會對接，問天實驗艙搭載了生命生態實驗櫃、生物技術實驗櫃等科學實驗櫃。中國科學院分子植物科學卓越創新中心（以下簡稱“分子植物卓越中心”）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。

目前，空間站已成功啓動擬南芥和水稻的種子萌發，擬南芥幼苗長出多片葉子，高稈水稻幼苗長至30釐米左右高，矮稈水稻也有5-6釐米高，生長狀態良好。後續將完成擬南芥和水稻在空間從種子到種子全生命週期的實驗，並在實驗過程中由航天員採集樣品、冷凍保存，最終隨航天員返回地面進行分析。

2022年8月30日，鄭慧瓊在中國科學院分子植物科學卓越創新中心辦公室。澎湃新聞記者鄒佳雯圖

8月30日上午，鄭慧瓊在分子植物卓越中心接受了澎湃新聞（www.thepaper.cn）的專訪。她向記者對此次科研的意義、背景作了介紹，回顧了此次水稻成苗過程中從篩選種子、到模擬太空環境做科研、再到配備相應設備上太空的種種過程，並對接下來的工作進行了展望。

鄭慧瓊認爲，這次的水稻成苗看似是植物科學領域的成果，背後則是包括飛船研製、種子準備等環環相扣的結果。他們也通過觀察太空中水稻和擬南芥的生長，從現象上獲得了植物在地面生長所難以掌握的信息，後續待植株“落地”，還將在基因等層面進行更嚴謹的科學研究，而這些都將有助於人類在地球更好地開展生命科學、農作物的探索。

鄭慧瓊表示，擬南芥早已完成在太空中從種子到種子的科研，此番是力求對如何增產提質等進行進一步的研究分析；而水稻的萌發關卡已經度過，接下來，他們還在緊張地觀察、等待水稻開花結籽，目前總體發育符合預期，“很多人覺得我們在研究的是太空問題，其實我們更是在探尋生命本質的奧祕。”

【對話鄭慧瓊】

水稻在太空中呈螺旋狀生長

澎湃新聞：這次科研有怎樣不尋常的意義？實驗的情況目前如何？

鄭慧瓊：目前擬南芥和水稻種子萌發正常，已進入幼苗生長階段，部分擬南芥已經開始抽苔。在空間站裏，水稻的生長受到比較明顯的影響，比如葉的夾角變大，節間伸長生長受到抑制等，但總體發育進程符合預期，繼續培養有望在空間站首次結出種子。我們預期，在航天員返回地面10-15天前進行採集，再低溫保存帶回地面。

萌發是相當重要的一步，所以看到水稻種子萌發的時候，先鬆了一口氣。但我們做的科研項目，是研究微重力條件下從種子到種子的全生命週期，擬南芥此前已有成功的先例，這一次想進一步研究如何提質增產；此前在天宮二號上，水稻種子也萌發了，但是進行到這一階段就沒再做下去。所以這一次，是國際上首次對水稻在空間站從種子到種子全生命週期的培養研究。

從萌發到開花的這一步也是重要的一步，但並不容易，環境不合適，植物就不開花。研究什麼樣的環境是適合植物生長的，這就是我們科學家要乾的工作。我們現在也不知道天上到底什麼環境合適，只能在地面提出假想、推測，再在太空看會不會確實結籽，來驗證科學假設是否成立，後續再用理論指導實踐，讓新的理論爲生產所用。

澎湃新聞：這次天空中的科研，是如何與地面聯動的？

鄭慧瓊：問天實驗艙是在7月24號發射的，7月28日，載有我們實驗樣品擬南芥種子和水稻種子的實驗單元，就由航天員安裝到了問天實驗艙的生命生態通用實驗模塊中。29日，我們就開始通過地面程序，遙控注入指令，裝有種子的實驗單元就自動啓動。

實驗單元裏植物的生長狀況，每小時都有照相，我們每天把照片收集來，進行觀察和分析。目前的照片，能讓我們從外表來看植物生長的形態，這當然也能反映它的生長規律，但是要真正地掌握規律，還得要看基因層面的表現。所以後面會請航天員採集樣品、冷凍保存，最終隨航天員返回地面，對這些植物進行基於分子生物學相關的分析。

地面比對實驗也會做起來，預計這兩週就開始，我們會按太空的環境，把除了重力之外的環境因素數據都下載下來，然後放到地面一樣的培養箱中。我們有水稻就長在那裏面，會對比看在地面和太空生長的不同情況，不然無法下科學結論。不過，光從目前看到的來說，一些植物生長行爲跟地面已經有些不一樣了。

澎湃新聞：你們目前看到植物的生長有哪些不一樣的現象？

鄭慧瓊：我們可以看到水稻有節奏地生長，是呈螺旋狀上升的。大概在前20天特別明顯，非常靈動，後面因爲長多了，想看這樣的生長會費勁一點。擬南芥因爲比較小，目前還看不清，如果再長大一點，它的花序軸也是可以看到的。

這樣的生長過程在地面是難以看到的，因爲地面重力的作用太強了，植物要想往邊上斜一下，重力立刻把它拉回來、不讓它有明顯這種來回擺動。實際上，植物的生長過程大概是有這種螺旋狀的規律，但是現象在地面被掩蓋，在太空中觀察效果則有機會被放大。

另外多年前我們在天宮二號的實驗中，還能看到植物出水的水球，觀察到植物在太空中的吐水量要比地面大一點，在地面上水球會掉下來，但太空中的水球會浮着。水稻也是會吐水的，所以我們給水稻做了一個水回收裝置，希望讓小水珠回收起來、再回到土裏，不然擔心它別“自己的唾沫把自己淹死了”。

之前我們在天宮二號上還觀察到了一個有趣的現象。植物的根一般是扎到土裏，但是在太空中，有的根沒扎到土裏，也搞不清土在哪，它探到邊上有個葉子，誤以爲葉子是土，就繞着這個葉子繞一圈，然後突然感覺到葉子不是土，它就把另外一個葉子又繞一圈，發現還不是土，然後再慢慢地摸，直到把根插到土裏去。挺有意思的，這次還沒看到類似的情況。

“小薇啊，我要帶你飛到天上去”

澎湃新聞：爲什麼選擇擬南芥和水稻這兩種作物上太空進行科研實驗？有網友評價說“中國人憑藉種菜天賦把菜種到了太空”，您怎麼看？

鄭慧瓊：國外曾經做過小麥的太空實驗，但是對水稻進行這樣全生命週期的研究，我們是第一個。這也是因爲我們國家對於水稻的研究在地面上相對成熟，有比較好的基礎。所以你說這和中國的國情有否關係，我認爲這個層面上是有的。

這裏，矮稈水稻育種的這一步是中國農科院的錢前院士團隊做的，水稻品種叫“小薇”，是開展遺傳育種研究和實現室內水稻工廠化生產的理想種質，我聽錢院士還給配了首歌：“小薇啊，你可知道我多愛你，我要帶你飛到天上去”，這不就真的“飛天”了。

不過本質上，選擇擬南芥和水稻還是基於科學的考量。擬南芥和水稻都是地面上經典的模式植物，是有代表性有普遍規律的植物。擬南芥代表雙子葉、長日、十字花科植物，很多蔬菜，比如青菜、油菜等都屬於十字花科。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、玉米等屬於禾本科。

所以我們最後其實不是想要拿到種子，而是要拿到一類知識。擬南芥此前已經被多個國家在太空成功做出了從種子到種子的實驗，但是如何提高種子的產量，仍然值得研究。水稻是人類重要的糧食作物之一，可以說養活了世界上一半的人。它自身種子可以食用，單位面積的產出比較高，而且種子一旦休眠，對環境的依賴性比較小，所以從各面看，很適合在未來的星際旅行、深空探測中被用到。

另外在太空中得到的關於模式植物的結論，也可以爲我們地面的農業生產和生命科學研究服務。

水稻高稈矮稈的生長機制、植株的夾角大小，在微重力的情況下會不會有不一樣的情況，我們對這方面的知識是欠缺的。而如果破解了這個，我們會不會更靠近植物生長本身的奧祕，得到一些更本質的規律？後續當然還有很多植物可以帶上天研究，比如研究樹木怎麼生長、研究蔬菜怎麼種植，太空的環境會爲我們在生命科學領域打開一個新的平臺。

所以與其說我們在做太空研究，就我個人的感受而言，我認爲我們更要做對生命本質的研究，這可能是更重要的。

澎湃新聞：在地面上，如何模擬種子在太空中的情況？

鄭慧瓊：在地面可以模擬一部分的效應，但是地面的重力畢竟還是不能消除，所以無論如何模擬，差別肯定還是有。但是我們的項目因爲是探討“微重力條件下高等植物開花調控的分子機理”，所以抓住了“重力”的要素着重模擬一個有別於一般地面植物生長的環境。

爲什麼抓住重力的要素？我們知道，地面的重力總是指向地心的，植物生長也是依賴於重力的這個指向，比如樹，枝幹總是朝上長，如果植物不小心倒了，莖幹還會彎過來、直立起來，這就是重力的作用。植物生長素的分佈也與重力有關，微重力條件下，可能樹木主幹和側枝的粗細的差別會較小。重力其實對我們生命是很重要的。

我們現在的模擬場景，就是讓植物保持旋轉。因爲植物的器官感受重力，是有一個時間閾值的，相當於如果有些東西太快、速度超過閾值後我們的眼睛會看不到一樣。在一定的時間內讓它不停地轉向，植物的器官就會感受不到重力的方向，相當於沒有重力。這在某種程度上會像在太空一樣，它方向亂了，就不能朝一個方向長了。

上千顆備選水稻種子，像“選美”那樣一點點篩

澎湃新聞：爲了在太空做這項實驗，在地面做了哪些準備工作？尤其是水稻這方面。

鄭慧瓊：我們這個項目雖然立項是2021年，但具體其實從2015年就啓動在做。

首先講選種子，要選在一個這麼小的空間生長的品種，我們對這個品種的水稻也要進行各方面的瞭解，包括它的生長、遺傳背景等等。

然後就是選具體選水稻種子，多少顆我數不清了，上千顆備選是有的，我們的科研人員把種子放到顯微鏡下一點點篩，集中看了好多天，“選美”一樣。他們很有經驗，能看出種子是不是健康、飽滿、有活力、有光澤，事實上，我們這次選來上天的種子確實100%萌發了，水稻種子加起來18顆，擬南芥種子有近百顆。

還有加水，因爲重力，地面的水總是沉在土的下面，天上水不一定，多了怕淹死，少了又不夠，水跟土之間的關係又如何，都要經過很多的試驗，最後才能找到一個確切的量。好在目前實驗單元的運作還是正常的。

還有土、營養液、種植方式，以及模擬太空的生長環境，還須研究人工環境怎麼佈置，包括選什麼樣的光、氣體，都是在地面做了多年充足的研究。研究完，還要對接硬件專家，通過生態櫃把這一套都打造呈現出來，包括要從力學的角度，考慮到這一套系統要安全升空的情況。這一套全部打造出來以後，我們要做大量地面模擬太空的匹配實驗，確保地面的先成功，於是也要反覆修改數據和成品。所以這真的是一個綜合工程。

另外今年上海疫情，也給我們的科研進度帶來一定的挑戰。因爲問天實驗艙一開始是橫着“裝箱”的，我們要趕在6月12日問天實驗艙轉成豎的之前，把所有實驗品裝進去。到了海南的發射基地，我們還要做一些準備工作，比如給種子消毒。所以眼看到了5月份，心裏還是挺着急的，好在我們所裏經過與各級有關部門充分的溝通協調，派了一輛裝滿試驗設備的SUV車，帶着我們的種子，2天開到了海南，期間沒下過高速。後來我們又向海南那邊的科研院所、學校借了很多設備，保證及時完成了規範科學的裝艙任務。

最後到了發射那天，我看着火箭和實驗艙的震動很大，噴火呼呼呼的，就很擔心那小種子，會不會掉到土裏或者別的地方去，所幸它們安全地上天發芽了。

澎湃新聞：您自己是何時參與到太空生命科學研究的項目的？對於未來的工作有什麼展望？

鄭慧瓊：1992年1月，中國政府批准載人航天工程正式上馬，我們單位從那時就參與工作了。我自己是1996年從所裏博士畢業，跟着國家載人航天工程空間生命科學分系統的主任設計師劉承憲先生做“空間細胞電融合”項目，之後因劉先生患癌接手主持。2002年底，項目在神舟四號上取得圓滿成功，中國的太空植物研究，就是這樣從細胞融合開始的。2003年，劉先生不幸逝世。

那時候中國還是無人飛船，在太空飛的時間也比較短，所以對我們整個植物學展開實驗，侷限非常大。後來到2016年天宮二號，中國第一個真正意義上的太空實驗室，當時擬南芥和水稻由神舟十一號運至天宮二號開展培養實驗，6個月就完成了我國首次“從種子到種子”高等植物全週期培養實驗。

那次的環境比現在的還差一些，如無法爲水稻和擬南芥適配不同的溫度。但那次把擬南芥的材料拿回來，研究首次發現了微重力條件下植物壽命比地面對照組植物壽命極大地延長，這往前進了一大步。

這次實驗艙的條件，無疑又前進一步，給我們創造了一個條件，讓水稻可以自由選擇它喜歡的溫度，奠定了我們科研的基礎，我們也基於之前的研究，做了更多植物基因方面的設計。我們現在還在等待第一代的水稻從種子到種子的全生命週期。但我想，即使我們這次拿到了水稻的種子，也不能保證它在天上經過了幾代之後，能否穩定地生長，所以勢必要在更大的時間和空間中，繼續探索。

我估計去火星的話，也是不久以後的事情，但是人類上去要活下來，所以需要有空間可持續的糧食生產。就目前來說，有待研究的還有很多，宇宙太大了，還是太超出我們目前的認知範圍。但人類對自身有很強的認識的慾望，在好奇心的驅動下，必然會走出去。

責任編輯：吳劍 SF031