互动科普

我国早在1987年就开始了空间植物学研究。20世纪90年代，我国利用返回式卫星进行了多次空间搭载飞行实验，实验植物包括石刁柏、黄瓜、萝卜、水稻、西红柿和拟南芥。早期主要是搭载干种子和刚萌发的种子，进行短期的飞行实验。2006年，我国首次利用返回式卫星留轨舱的实验平台，对青菜的种子萌发、营养生长和开花的全过程进行实时图像观察，获得清晰的图像以及数据结果。实验发现，空间微重力条件下青菜开花变晚，花瓣不能完全展开，花粉不能有效地扩散而落到柱头上。2011年，我国的神舟八号飞船中德空间生命科学专项的17项科学实验中包括了9项空间植物学研究，涉及的植物品种包括水稻、拟南芥和藻类。  

图1. 实践八号返回式卫星空间植物培养箱及空间微重力条件下青菜从种子萌发到开花的图像。重点观察微重力条件下青菜抽薹开花时间，花瓣的展开状态和花粉的传播情况。

开花是高等植物由营养生长向生殖生长转变的重要标志，也是能否成功获得种子的关键发育步骤。最近的研究表明，光周期诱导开花基因普遍存在于高等植物中，这已成为目前的研究热点。植物能否成功地从营养生长向生殖生长转变，主要取决于它的开花时间是否与其生长环境相适应。

我们知道，地球由于自转和绕太阳公转，产生了昼夜变化与季节更迭，生活在地球上的所有生物的行为都因此表现出一定的节律。地球上绝大多数植物的开花都与季节有关，已有研究证明这主要是因为植物体内存在一套可以感知季节变化和昼夜交替的信号系统，也称为光周期反应。植物这种有节奏的生长运动是它们适应地球环境，得以生存与繁殖的不可缺少的机制。当地球植物来到太空后，昼夜不再是以24小时为周期，也不再有四季的变化。例如，在国际空间站上，每24小时中有16次日出与日落。而且没有了重力，生活于其中的植物没有上下方向之分。在这样的环境中，植物的生长发育会有怎样的变化？其内在的遗传机制会怎样适应地球上从未有过的微重力新环境？

在地球上，很多植物的开花具有季节性。一般春天开花的多数为长日植物，而秋天开花的多为短日植物。长日植物是指在24小时昼夜周期中，日照长度必须长于一定时数才能开花的植物，比如小麦、油菜、青菜、萝卜、拟南芥等；而短日植物指在24小时昼夜周期中，日照长度必须短于一定时数才能开花的植物，比如水稻、玉米、大豆、高粱等。实验证明，控制植物对于光周期反应的信号是在叶片中产生的，然后传递到茎尖分生组织，引起开花。这种信号现在已被发现，是一类开花基因的表达产物，称为开花蛋白。开花蛋白影响植物开花的早晚，主要取决于两个方面：一方面是叶片产生这种蛋白质的丰度，另一方面是这种蛋白质从叶向茎尖组织转运的效率。植物产生与转运开花蛋白的机制都是与1g的地球重力相适应的，那么，空间微重力对这个过程有什么影响？

为了了解这个问题，本次实践十号上的科学实验选择了长日植物拟南芥和短日植物水稻来进行研究。科学家将开花基因控制在一个热激蛋白基因的启动子（热激启动子）之下，通过转基因的手段分别导入拟南芥和水稻。这个热激启动子在常温下不工作，而在37℃时工作。卫星发射入轨后，通过遥控的方法发出指令，启动植物培养箱中的热激元件，对植物进行热激，启动开花基因的表达。然后，通过实时图像检测开花基因在微重力条件下的工作情况，并分析与地面的对照之间的异同，从而判断空间微重力环境对植物开花的影响。

图2. 实践十号返回式卫星上高等植物培养箱及开展的实验

如何建立以绿色高等植物为基础的空间密闭生态循环系统，为航天员长期的空间生活提供补给？这是一个浩大的综合工程。加强太空环境中植物生长发育研究，突破空间生命生态保障系统的技术瓶颈，构建人类地外长期生存的新天地，人类跨越天疆的梦想一定会在不远的将来成为现实。

（本文发表于《科学世界》2016年第5期）