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中国空间站在轨获得水稻种子,为国际首次,具有哪些意义?将会带来哪些影响?

Ming Ali的回答

植物,作为地球上演化数十亿年的生物体类群。即便人类已经研究植物数千年,但是,还是有太多迷没有解决。我们很早就发现,植物在某些方面好像有某种智能,他们好像可以感知光,热,水,营养,当然还有重力。种子,不管以怎样刁钻的角度落在地面上,它的根总能找到大地,并扎根。

人们对前几个因子趋向的研究比较多,而对植物的重力感知,也是在近些年被高度重视起来,原因其实也很好理解。我们对无处不在的地球引力反而熟视无睹。直到有一天人类把火箭发射到太空。突然就有了一个疑问:没有了重力,植物的根系怎么寻找地下?太空中植物能存活吗?这个问题在地球上很无聊,但是人类如果想征服星辰大海,除了研究火箭飞船,怎么样让植物在太空健康生长也同样重要。在太空环境中,营养,水分,光现有技术都很好提供,但是重力,爱莫能助啊!重力会对植物有什么样子的影响?如何克服这些影响?

太空上对于植物的实验证实重力对植物生长影响重大:发现号航天飞机曾经做过这样一个实验,将小麦种子带到太空,培养十天,发现相对于地面生长的植株,其根的鲜重减少25%。而在光饱和,二氧化碳饱和的条件下光合作用速率比地面也低25%。已经有很多证据表明植物在微重力的环境下,细胞有丝分裂会受到抑制,有丝分裂指数减少,重力对有丝分裂和胞质分裂的影响,可能是造成太空环境下植物存活率低,生育率下降的原因。在太空环境下,植物细胞中的细胞器比如质粒,类囊体,内质网,线粒体等,都会发生变化,生长在”礼炮7号“上的豌豆叶子淀粉的储藏明显低于地面的对比植株,微重力条件下,植物的细胞壁变薄,纤维素,木质素合成代谢水平都下降了。科学家在”礼炮7号“上种植7株拟南芥,在69天全日照条件下,完成整个植物生长周期,结果只有5棵产生了22个正常的荚果,剩余两棵生长的荚果没有胚珠。太空环境下,科学家们收获了200颗种子,正常种子只有42%,而在地面的对照组正常种子为67.7%。所有7株植物都小于对照组。1994年,科学家在”和平号“空间站培育小麦,虽然也得到种子,但是结实率很低。

这样低效的生长显然不能满足人类征服星辰大海的目标,总不能让漂泊在太空的星二代天天吃陈芝麻烂谷子吧!研究重力怎么在植物中发挥作用,怎么利用先进的分子生物学技术培育出太空作用,在我眼里,这些技术的意义不亚于义隆马斯克的星舰。人类走向星辰大海,不光光是人类本身和冰冷的机器,我们还需要地球上的各种动物,植物陪伴。研究出重力影响机理,见招拆招,非常重要。

关于重力怎么影响植物生长的机理,到目前为止还没有定论,Haberlandt早在一百多年前就提出淀粉体-平衡石假说,该假说认为植物根部根冠柱状细胞中有淀粉小颗粒,这些小颗粒在重力场下沉降,诱导根部重力信号通路运作。这个假说在后续的实验中被证实,科学家使用激光将拟南芥根冠的柱状细胞消融,确定根冠的最外面两层细胞确实能感知重力变化,而这些细胞确实有最大的淀粉体。

那么?真相到这里就大白啦?No ,No,科学家发现,使用缺乏淀粉的拟南芥突变体做实验材料,虽然根冠没有淀粉粒,但是植物还是有明显的向重性。这说明植物还有其他感知重力的机制没有被发现。

现在有证据的植物重力感受机制很多,科学家发现,细胞骨架,内膜系统都可以感受重力,钙离子,酸碱度,肌醇三磷酸(IP3)在感受传导重力信号也起到了重要作用。生长素,ROS,一氧化氮,赤霉素也参与了重力调控。其他的向性如向光性,向水性,向肥性也会影响向重性。

这么多的调控机理,注定研究植物在微重力条件下生长是一个艰深且浩繁的工作。

不过好在现在的研究渐渐有了曙光,科学家将去除根冠的玉米在微重力空间内生长,发现,它们的根冠不能再生,但是根却继续生长,这说明根的生长不需要连续的重力刺激。也许我们可以给太空植物一个短暂的重力刺激或者其他方式,比如离心力就可以让它们正常生长,但这些需要进一步的研究。研发各种突变体,让植物能更好适应微重力环境。让它们可以扎根在太空。

水稻作为研究最透彻的模式植物之一,是揭开植物向重性的重要的钥匙,另一个模式植物拟南芥,虽然更加简单,好培养,但不是粮食作物。而且拟南芥生命周期短,作为双子叶植物,无法很好解释其他禾本科植物的调控机理。研究水稻在微重力条件下如何生长繁育,意义重大,水稻作为经济价值极高的粮食作物,生长周期长,中国如果能够研发出适应微重力的高产水稻,那意义是非凡的。目前关于太空水稻的研究还处于起步阶段,有许多谜团等待我们解开。

就现在披露出来的资料来看,太空中水稻的生长和地面上生长非常不同,在空间生长的水稻叶片不能像地面生长水稻那样向上伸展,而是多向性,这是因为失去了重力引导的原因。在空间微重力条件下,水稻的根压作用将土壤中的水分通过叶分泌出来,但由于没有重量,不能有效地回到土中,水分不能有效循环。其他的实验成果,比如微重力条件对水稻传粉,花粉管生长,微重力条件下其他生理指标的影响,我们拭目以待。

通过蛋白组学,代谢组学,我相信很快就会有许多有趣且重要的结果会公布的,我会像追剧一样等这些科研大作。

天空2号上水稻完成了整个生命周期

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