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众人·科技前沿
MASTERS
郑慧琼
中国科学院分子植物科学不凡改换中心研究员
中国空间科学学会理事
为了探索强大的六合，拓展东说念主类生活发展的幅员，开发和讹诈无穷的天外星球和空间资源，确保东说念主类的生活和可继续发展，近十多年来，重返月球、登陆火星、确立月球或火星基地，致使飞向愈加远处的深空探伤计较接踵疏远。可是，东说念主类在地球上的生活、发展阅历了几百万年，今天的东说念主类文静有赖于地球独到环境。如果东说念主类飞出地球，离开这个环境，到空间或其他星球，能不成生活？若何才能生活？于是咱们疏远了地外生命保险系统问题，即若何保险永远载东说念主航天以及确立地外星球基地东说念主类生活必需的食粮、氧气和水？
为什么要研究在天外种粮种菜？
现在，重返月球、登陆火星等已成为现时东说念主类空间探索的遑急研究，确立以植物为基础的空间生物再生生命撑持系统是达成载东说念主深空探伤的过失前提，但是，在六合严酷的环境中，东说念主和植物皆无法径直生活，而是需要生活在近似空间站的东说念主造阻滞环境中。
如安在较小阻滞的东说念主造环境中达成食粮和蔬菜的可继续和高效坐褥，自傲航天员永远隔离地球的地外生活需求，是空间植物学要惩办的过失科学问题。
地外环境莫得大气和水，况兼存在粒子辐射、微重力、急巨变化的温度等恶劣条款，不适于东说念主类生活。
因此，为了达成永远载东说念主航天及地外星球居住，紧要问题便是惩办东说念主类地外生活所需的食粮、氧气和干净的水。
现在在我国神舟系列飞船、中国空间站、海外空间站和苏联的和平号空间站中航天员吃的食品只可一次性从地球佩戴或运输，不成再生或自食其力。
跟着航天技巧的发展，东说念主类势必要进行永劫期、更远距离的天外探索，全皆依赖于大地佩戴或补给食品不仅十分昂然，而且果然不可能达成。
科学研究标明，确立以绿色植物为基础的空间生物再生生命保险系统是达成载东说念主深空探伤现在独一可行的路线。
在地球上，东说念主类的生活和发展依赖于绿色植物的光配合用，食粮、纤维、木柴、糖、蔬菜和生果等皆来自光配合用。植物的光配合用不错讹诈太阳光能坐褥食粮，开释氧气，接管二氧化碳，并通过蒸腾作用产生干清水。此外，植物还能为永劫期处于荒僻环境中的航天员带来不悦，增多东说念主类空间生活乐趣，缩小心境压力。因此，植物是空间生物再生生命保险系统中物资轮回和能量交换的过失中枢要素。
要在天外中种粮种菜，必要了解植物在天外中的孕育发育限定，但是，迄今为止，咱们植物学学问皆是来自地球独到的重力环境之中。
东说念主类插足航天时期之后，离开了地球重力环境，迈向了微重力的空间和低重力的地外星球（月球、火星）。
新的环境给植物学疏远了许多全新的问题，要惩办这些问题，原有的植物学学问不够了，表面、措施不全皆适用了，需要进行多数的磨练和研究，从中寻找新的限定，追忆出新的表面和措施，研究并了解在空间环境中植物的特有生命行径适意，并讹诈空间植物学的研究恶果扩大东说念主类意志当然的视线、增强探索和开发六合的才智。
同期，发展空间植物培养新技巧、新措施和新开辟，最终达成植物在天外中的最好孕育和高效坐褥，为建造高效、镇静运行的地外生命保险系统提供撑持。
空间栽培植物的挑战
地球上的植物永远以来妥贴了地球环境，欲将地球植物带上天外孕育，并好像高质高效坐褥供航天员生活所需的食粮和蔬菜，还需要面临好多挑战，追忆起来主要有以下三个方面。
图1 植物光配合用是空间生物再生生命保险系统的基础
短促的阻滞环境
与大地农作物坐褥在繁密的郊外中不同，改日天外作物坐褥必须在相对较小且阻滞的东说念主工环境条款下进行。现在东说念主类所领略的天外环境是极其严酷的，生命难以存活其中。
植物孕育对温度的要求迥殊严格，在0℃以下的冰冻环境中，地球植物绝大多数皆无法永远生活，而在0℃以上的低温也能引起寒害。比如，水稻、番茄和黄瓜等喜温植物在10~12℃就会受到冻害，一些耐寒植物如冬小麦能抵保暖冷的冻害，但是，其吐花结籽需要20℃以上的温度，低温会导致不育。此外，低温还会影响植物的呼吸作用、光配合用、代谢活性和细胞结构的镇静性。
自六合大爆炸以后，跟着六合的彭胀，温度握住镌汰，现时天外已成为高寒的环境，平均温度为零下270.3℃。月球名义日夜的温差很大，月昼阳光直射的大地温度高达127℃，而月夜月球名义的温度可镌汰至-183℃。火星名义的温度也在零下13℃至零下68℃。更为严酷的是六合空间高真空，或像火星名义只须极其残酷的大气环境。
因此，在六合环境中无法径直进行农作物的栽培和坐褥，必须在东说念主造的模拟地球环境的阻滞条款中进行。
这种东说念主造环境的建造和守护的老本极其昂然，用于农作物坐褥的面积迥殊小。要在这么的条款下坐褥出供航天员生活所需的食粮，必须研究出好像在天外高妥贴性、高效坐褥和优质的农作物。
天外微重力过火次奏效应
重力是地球上通盘生物生活发展的基本环境，时时刻刻不影响着地球上的生物。植物同其他生物相似，在地球上阅历了几十亿年的演化，地球重力决定了植物的形态、生理功能和繁衍才智。
天外微重力对植物而言是一种严重的威胁因子，植物的形态失去了重力的联贯变得无序，茎叶不成灵验地讹诈光能进行光配合用，而根无法最大化地接管水分和营养，基因和卵白质的抒发发生了变化，使得植物在空间产生多样“航天抽象症”麻豆 av，严重影响作物在天外中的坐褥。此外，微重力还导致环境湿度增大、营养接管穷困、气体交换与扩散改变等严重影响植物空间孕育发育的问题。
在天外中模拟地球重力环境需要在东说念主造的植物培养环境中进行，爱戴的老本太高，也难以达成。最为可行的路线是讹诈植物具有较强的环境妥贴性和可塑性，通过研究植物若何妥贴空间环境，进而寻找灵验铁心作物在空间孕育发育的路线和技巧，来进行空间高效食粮坐褥。
空间其他难以小心的因素
空间辐射和磁场等环境改变也可能会导致植物的空间坐褥问题。天外中高能带电粒子造成的电离辐射不成穿越大气层和地球磁场，未对地球生物组成威胁，但是，在天外中这类粒子如果不进行屏蔽，将极大地危害生命，导致染色体挫伤、杀死细胞以及导致基因突变等。处于就寝情状的种子在天外飞行器中存储较永劫期仍然不影响发芽孕育，成为几十年来空间植物育种开阔禁受的材料。
现在尚莫得不经屏蔽在天外辐射环境中得手孕育植物的报说念。根据大地高能粒子辐射模拟推行不错知说念，天外辐射会对地球生物产生极大的危害，植物也无法径直孕育于天外辐射环境中，因此，在天外进行作物栽培必须要议论对空间粒子辐射的屏蔽和监测。
天外中得手培养的植物——
拟南芥、油菜、小麦、豌豆、水稻……
从1957年第一颗东说念主造地球卫星辐射以来的近70年中，科学家关于在空间拔擢和栽培植物进行了多数的研究。在多样空间飞行器中进行了20多拔擢物的培养推行。迄今，海外上研制了21台空间植物培养箱或推行模块，开展了50多项空间植物培养推行。
早期空间植物培养推行的主要研究是如安在空间环境中服待植物，使其好像萌生、孕育、吐花和产生种子，如今这些研究皆达成了。 一些基本的空间植物生物学问题，如植物的向性孕育，根的造成、萌生，种子因素，基因和卵白质的抒发变化等也在此进程得到了较为深刻的研究。 现在科学家的研究要点冉冉由对植物幼苗阶段的研究扩展至种子坐褥研究。 在我国空间站建成之前，海外上只须拟南芥、油菜、小麦和豌豆在空间完成了从种子到种子的推行。
我国空间植物学研究起步较晚，早期主如果讹诈复返式卫星进行干种子搭载推行，直到1986年我国初度讹诈标兵四号复返式卫星进行石刁柏、萝卜幼苗培养推行。
1992年中国载东说念主航天工程讲求立项，先后讹诈神舟四号进行了空间香烟原生质细胞电交融推行，神舟八号飞船进行了拟南芥、水稻幼苗和愈伤组织培养推行，并在基因组和卵白质组水平上开展了重力生物学的研究。
2006年，我国在扩充八号卫星留轨舱内，及时不雅察和纪录了拔擢时期长达21天的青菜抽苔、吐花、授粉的情况。
2016年在扩充十号复返式卫星上，开展了空间微重力下水稻和拟南芥的吐花时期铁心研究。同庚在玉阙二号空间推行室中我国初度开展了拟南芥从种子到种子的空间推行，标记着我国空间生命科学开展永远在轨推行的启动。
2022年，咱们在我国空间站上初度在海外上达成了水稻从种子到种子，再到再生稻的种子的推行，标记着水稻当作食粮作物在空间培养推行的启动。
我国“从种子到种子”的全生命周期推行
问天推行舱中的拟南芥和水稻
我国空间站初度推行的样品是两种模式植物拟南芥和水稻。 拟南芥代表双子叶、长日、十字花科植物，好多蔬菜，比如青菜、油菜等皆属于十字花科。
早在1983年苏联的礼炮号空间站中，科学家讹诈拟南芥第一次在空间完成了植物从种子到种子的推行，讲明在微重力条款下植物好像完成种子发育。 后续又在和平号空间站、海外空间站均鉴识由俄罗斯、好意思国和日本科学家完成了三次拟南芥从种子到种子的推行。
我国鉴识在玉阙二号空间推行室和中国空间站中完成了两次拟南芥全生命周期的推行。
水稻代表单据叶、短日、禾本科植物，好多食粮类作物，比如小麦、玉米等皆属于禾本科。在空间培育食粮是改日生物再生生命保险系统的中枢技巧之一，食粮作物需要的培养空间相对较大，因此，在咱们的空间推行之前，在空间培养得手的食粮作物仅小麦一例。
跟着载东说念主航天技巧的发展，用于植物培养的空间会越来越大，食粮作物的空间培养将是改日空间植物学的研究要点。
2022年7月24日，我国空间站问天推行舱得手辐射并与天和中枢舱交会对接，问天推行舱搭载了生命生态推行柜 （图2A） 、生物技巧推行柜等科学推行柜。同期，随问天推行舱起飞的还有装配拟南芥和水稻种子的推行单位 （图2C和2D） 。7月28日，种子随推行单位由航天员装配至问天推行舱的通用生物推行模块中 （图2B） ，通过大地规范注入教导，于7月29日向推行单位中注入营养液，启动推行。
图2 生命生态推行柜中孕育的拟南芥和水稻。（A）生命生态推行柜；（B）通用生物推行模块；（C）、（D）培养拟南芥和水稻的推行单位
经过120天的空间培养，拟南芥和水稻的种子完成了萌生、幼苗孕育、吐花，并发育出了新一代种子。在推行进程中，航天员三次网罗了不同发育阶段的水稻和拟南芥样品，并冷冻保存于空间低温煦储柜中。终末，这些冷冻保存的样品连同空间获利的种子随神舟十四号飞船复返大地。
天外中重力变化的影响
重力在地球上果然是一个估量。高档植物是在1g （9.80 m/s2） 地球重力条款下经过40多亿年进化而来的，其形态结构、代谢和遗传调控均妥贴于1g的地球重力环境。
植物依照重力概念孕育的特色，常常称为向重性反应，比如植物根沿注重力概念向下孕育称为正向重性，而茎逆重力概念朝上孕育称为负向重性。
向重性反应使得根好像向下孕育至泥土中，接管水分和矿质营养，而茎朝上孕育赢得更多的光，进行光配合用。
因此，植物的向重性反应是植物孕育发育不可忙碌的遑急调控机制。
重力关于植物孕育发育的影响主要包括：种子萌生，细胞分裂与伸长孕育，细胞壁的发育，花、果实与种子的发育等。
通过比拟微重力环境与地球重力环境下孕育的植物就不错发现重力在植物孕育发育中的作用。
在空间微重力条款下，种子的萌生莫得受到显着的影响，但是幼苗在大地上讹诈重力联贯的定向孕育，在空间发生了显着的改变。
在地球重力条款下，水稻和拟南芥的幼苗茎叶与重力概念造成镇静的夹角和正确的空间定位 （图3A和3B） ，而在微重力条款下，水稻和拟南芥幼苗茎叶孕育概念呈赶快性散布，而且，跟着时期的变化握住发生变化，不成造成一个镇静一致的孕育概念，好多时候叶片之间会叠在一齐 （图3C和3D） ，不成灵验地讹诈光进行光配合用，由此，空间水稻和拟南芥幼苗的孕育与发育也较大地有显着的迟缓。
图3 比拟空间与大地孕育的水稻和拟南芥幼苗孕育情况。(A）、（C）水稻；（B）、（D）拟南芥
微重力环境中植物的吐花和巩固
空间植物培养推行终端标明，微重力环境中植物孕育方法的改变不仅改变其形态，同期也改变了其生殖孕育进程，尤其是对植物吐花的影响径直关联到植物物种的延续以及农作物的产量和质料。
这一进程是空间生命保险系统的过失设施。
现在国表里大多数空间植物学推行皆是20天以内的幼苗孕育阶段或干种子空间搭载推行，在空间微重力环境中得手进行植物生殖孕育的研究仍然十分有限，只须油菜、豌豆、小麦和拟南芥等少数几拔擢物在空间完成了从种子到种子的推行。
在空间植物繁衍研究初期，一些影响植物孕育发育的过失因素仍然不清醒，好多问题尚未找到惩办办法，比如，在空间微重力条款下孕育的植物频频发达为发育迟缓，或即使吐花也有好多植株不成巩固等问题。
吐花是种子造成的前提，在农业坐褥上掌合手植物吐花所需要的环境条款，对提升产量有遑急意旨。
我国讹诈扩充八号、扩充十号复返式卫星，玉阙二号空间推行室和空间站空间推行平台，进行了系列推行以研究空间植物吐花的限定。
2006年9月，在我国扩充八号卫星留轨舱中，对青菜的抽苔、吐花和授粉情况进行了21天及时不雅察和图像纪录。
2016年4月扩充十号卫星中的拟南芥和水稻孕育与吐花推行，也标明空间微重力环境中吐花与授粉均不成平日进行，增多空气领路可能使其得到改善，但不成惩办吐花蔓延。
2016年我国也初度在玉阙二号空间推行室中完成了拟南芥从“种子到种子”的推行，并应用了绿色荧光卵白象征吐花基因，不雅察了长日与短日条款下吐花基因的抒发情况，终端显露，空间微重力条款下植物的光周期反应发生了显着的改变，吐花较大地对照蔓延了20多天。
2022年7月至12月，在我国空间站中初度讹诈在轨冷冻保存并得手复返的拟南芥和水稻吐花诱惑期和种子老到期的推行材料，与大地对照比对分析，赢得了两类不同光周期吐花植物反馈微重力的天地比对转录组数据，为深刻判辨植物对永远空间微重力妥贴性的机理提供了新的分子生物学把柄。
展 望
空间微重力是研究重力对植物孕育发育作用和植物向重性反应作用机制最灵验的环境。
咱们的空间推行标明空间微重力不仅影响植物的形态建成，而且也严重影响植物的发育程度，尤其是吐花和种子的发育。
吐花是植物结出新一代种子的前提，而农作物的种子既是食粮，亦然繁衍下一代的载体。
跟着载东说念主深空探伤的发展深刻，比如确立月球基地、登陆火星，皆必须通过空间农作物的拔擢，才能信得过惩办东说念主类永远空间探索的食粮保险问题。
咱们团队讹诈空间推行发现微重力既影响拟南芥和水稻形态又影响吐花结籽。通过对空间复返的拟南芥和水稻样品进行比拟分析，咱们发现空间微重力影响植物吐花的过失基因，况兼初度完成了水稻在空间从种子到种子全生命周期的培养推行，讲明水稻当作空间食粮作物进行坐褥的可能性。
改日十年，中国空间站将为科学家进行空间植物学研究提供先进的推行平台和珍爱的推行契机，研究的实质包括：空间植物学的研究将由模式植物转向食粮作物，由此，水稻当作理念念的禾本科模式植物和遑急的食粮作物将成为空间植物学研究的主要推行材料；更多的植物将在空间完成从种子到种子全生命周期，致使逾越两代以上的多代空间培养推行；空间微重力、粒子辐射和磁场变化对永远空间培养条款下植物遗传镇静性的影响；月球低重力环境下植物孕育发育等。
-本文刊载在《世界科学》杂志2024年第10期“众人•科技前沿”栏目；著作根据笔者在上海市科学技巧普及志愿者协会掌握的“海上科普讲坛”上的论述撰写而成-
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