“盒子高度14厘米，超過了(14厘米)，高稈水稻現(xiàn)在約30厘米高!”8月29日，鄭慧瓊團(tuán)隊(duì)在中國空間站種的水稻順利“滿月”，發(fā)布會上，她舉起一盒種有綠色水稻幼苗的演示品向媒體記者解釋，激動得甚至有些語無倫次。
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、中國空間站問天艙“微重力條件下高等植物開花調(diào)控的分子機(jī)理”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。近20年間，她所在團(tuán)隊(duì)一直致力于研究太空高等植物的生長問題。此次問天艙水稻實(shí)驗(yàn)取得進(jìn)展，意味著中國人有望首次在國際上實(shí)現(xiàn)空間站水稻“從種子到種子”的全生命周期培養(yǎng)，為人類以后能在太空吃到剛出鍋的米飯打下基礎(chǔ)。
無論人類在哪兒生存，都要解決吃飯問題。地球上，早已不再是新名詞的糧食危機(jī)，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(yùn)送補(bǔ)給食品顯然不是長久之計(jì)。為了解決吃飯問題，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(yīng)?
中國空間站種的水稻“生長狀態(tài)良好”
從20世紀(jì)50年代人類發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星以來，如何利用植物保障人類在地外環(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)注的問題之一。
太空生存，種植農(nóng)作物是必解問題。美國國家航空航天局國際空間站和飛船處理董事會的一位科學(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1萬美元。一位來自美國國家航空航天局約翰遜太空中心的太空食物系統(tǒng)高級研究科學(xué)家也曾在公開場合說，如果航天員開啟一趟為期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(yùn)送，顯然難以為繼。
換言之，如果航天員像沈騰飾演的獨(dú)孤月那樣“破罐子破摔”，長期靠吃庫存維持生命，《獨(dú)行月球》可能剛開演就要落幕了。
繼在地球上創(chuàng)立農(nóng)耕文明之后，人類早已拉開了去太空“從頭越”的架勢。特別是過去10多年來，隨著重返月球、登陸火星、建立月球或火星基地成為人類空間探索的重要目標(biāo)，各國科學(xué)家都在為長期在太空生存做糧食準(zhǔn)備。鄭慧瓊感到：“解決建立空間生命保障系統(tǒng)的科學(xué)問題已經(jīng)迫在眉睫。”
微重力條件下水稻的生長發(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(yàn)應(yīng)運(yùn)而生。2022年7月24日，我國空間站問天實(shí)驗(yàn)艙成功發(fā)射并與天和核心艙交會對接，問天實(shí)驗(yàn)艙搭載了生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜、生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)柜等科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜。7月28日，載有實(shí)驗(yàn)樣品水稻種子的實(shí)驗(yàn)單元，被航天員安裝至問天實(shí)驗(yàn)艙的生命生態(tài)通用實(shí)驗(yàn)?zāi)K中，7月29日正式啟動實(shí)驗(yàn)。
鄭慧瓊說，此次實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)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(yǎng)研究，探索利用空間環(huán)境因素控制植物的開花，來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(yàn)啟動后，高稈和矮稈水稻種子奮力生長，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”。長出的水稻幼苗看起來有些“懶散”，并沒有像地面上的水稻那樣精神抖擻地挺立起來，而是“趴”在了透明實(shí)驗(yàn)盒子的壁上。
不過這并不影響實(shí)驗(yàn)給人們帶來成功的希望。
鄭慧瓊表示，目前已成功啟動了水稻的種子萌發(fā)，高稈水稻幼苗已長至30厘米左右高，矮稈水稻也有5-6厘米高，生長狀態(tài)良好。待后續(xù)成功結(jié)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，太空不但生長出了長勢良好的水稻，還給人類帶來了不少驚喜。
鄭慧瓊介紹，在過去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(xiàng)空間培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。
公開資料顯示，1979年，禮炮號6號空間站就已經(jīng)開始培養(yǎng)洋蔥和蘭花的球莖，并開展擬南芥、豌豆、小麥的生長發(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(xiàn)了從種子到種子的太空種植。擬南芥是雙子葉、長日、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(yàn)。人類太空生存的“主食”保衛(wèi)戰(zhàn)告一大捷。
隨著科技進(jìn)步，科學(xué)家們的“腦洞”也越開越大。
2006年，鄭慧瓊團(tuán)隊(duì)在我國“實(shí)踐八號”衛(wèi)星上觀察了青菜的開花過程。2012年，美國航天員唐·佩蒂特開了一個(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的過程。隨后，國際空間站在2014年啟動了蔬菜種植實(shí)驗(yàn)，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，作為人類在地球之外培育出的第一朵觀賞花，它不僅當(dāng)之無愧地成為太空“花魁”，還對植物的太空開花研究作出了不小的貢獻(xiàn)。2021年，智利辣椒在國際空間站的“高等植物棲息地”培養(yǎng)器中開花結(jié)果，并成為航天員的“配菜”。
微重力條件下水稻的生長發(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，早期人們的空間植物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)主要目標(biāo)是如何在空間環(huán)境中養(yǎng)活植物，使其能夠萌發(fā)、生長、開花和產(chǎn)生種子，如今這些目標(biāo)都一一實(shí)現(xiàn)了。一些基本的空間植物生物學(xué)問題，如植物的向性生長，根的形成、萌發(fā)，種子成分，基因和蛋白質(zhì)的表達(dá)變化等，也在此過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(kuò)展至種子生產(chǎn)研究。但是，目前只有油菜、小麥和豌豆少數(shù)幾種作物在空間完成了從種子到種子的實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，在空間條件下，植物開花時(shí)間延遲、開花數(shù)目少、種子結(jié)實(shí)率低和種子質(zhì)量下降等問題仍然沒有克服。因此，此次問天艙的水稻等相關(guān)實(shí)驗(yàn)，主要致力于研究開花調(diào)控的分子機(jī)理。
“太空味道”飛入尋常百姓家
太空種植只是太空農(nóng)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?隨著人們生活水平的提高，吃飽早已不能滿足老百姓的需求，好吃、健康等標(biāo)準(zhǔn)使得人們對農(nóng)業(yè)新品種的需求愈發(fā)迫切，加之社會和自然環(huán)境在改變，諸如國際競爭、高溫干旱等因素，都不斷對農(nóng)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(nóng)業(yè)大學(xué)教授郭濤認(rèn)為，與現(xiàn)代生物學(xué)結(jié)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(yàn)柜。中國載人航天工程辦公室供圖
郭濤說，科學(xué)家通過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，從而改良農(nóng)作物品種的特定性狀。
通過這種方式，我國1987年第九顆返回式衛(wèi)星搭載著精挑細(xì)選的小麥、水稻、青椒等百余個(gè)品種的農(nóng)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(yàn)愈發(fā)豐富，蔬菜、瓜果、花卉、中草藥等均在其列。
經(jīng)過30多年的實(shí)踐，航天育種成果層出不窮，我國通過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(shù)千萬畝。不少科研成果已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室搬到了普通人的餐桌上。
郭濤介紹，我國在20世紀(jì)90年代就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)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(tuán)隊(duì)為例，10多年來，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)選育了57個(gè)在生產(chǎn)上推廣和應(yīng)用的水稻新品種，推廣面積累計(jì)超過5000萬畝。郭濤說：“比如華航31號水稻經(jīng)過空間誘變后，產(chǎn)量提升了約10%，成為廣東省農(nóng)業(yè)主導(dǎo)品種。”此前，還有專家對媒體表示，北京市場約30%的草莓都是“航天草莓”。
事實(shí)上，人類利用太空資源充實(shí)地球餐桌的設(shè)想，并不僅限于航天育種。
還有專家提出，未來或許可以在太空建設(shè)空間生物合成工廠，利用微重力、高真空等獨(dú)特條件，來完成大分子化合物或特定蛋白質(zhì)的高效合成，大規(guī)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(nóng)產(chǎn)品。
不難看出，無論在哪里生存，人類靠“天”吃飯的計(jì)劃和執(zhí)行力都相當(dāng)出色。人類想成為多行星物種，大概不是奢望。
