隨著航天技術(shù)的發(fā)展，人類已經(jīng)實現(xiàn)了飛出地球的夢想，在太空中工作和生活不再遙不可及。不過，這其中仍面臨著不少問題，其中之一便是食物的自給問題。

地球上的綠色植物是否可以在太空環(huán)境中正常生長，從而為人類提供食物補給呢？

所謂“兵馬未動，糧草先行”，發(fā)展空間生命生態(tài)支撐系統(tǒng)，實現(xiàn)糧食和果蔬種植，不僅是空間生物學(xué)的重要研究課題之一，也是人類長期探索空間的重要保障。

“天宮二號”空間實驗室為我們探索空間植物生物學(xué)提供了良好的在軌研究平臺，使得我們能夠直接觀察不同植物的種子在太空中從萌發(fā)、生長、開花到結(jié)籽的全過程，得以更好地了解和掌握未來太空農(nóng)業(yè)發(fā)展的可能。

擬南芥（左 ）和水稻（右）

兩種具有不同生長特性的植物——擬南芥和水稻，幸運地作為“植物宇航員”，搭載“天宮二號”飛船開啟了一次不平凡的太空之旅。

盡管目前在空間已經(jīng)進行了多次植物生長試驗，但是，要在太空條件下成功地實現(xiàn)糧食與蔬菜的生產(chǎn)，為宇航員長期空間生活提供食物來源，目前還需要解決包括微重力在內(nèi)的極端環(huán)境因子對植物生長發(fā)育影響等諸多問題。

“天宮二號”高等植物培養(yǎng)箱，顧名思義，它的主要任務(wù)是培育植物。

而此次培養(yǎng)過程與以往不同，它將開展我國首次為期6個月的植物“從種子到種子”全生命周期培養(yǎng)。這個身負(fù)重任的微縮版太空溫室，有三個與眾不同的特點。

植物學(xué)家在地面精心挑選水稻和擬南芥的種子作為本次太空旅行的乘客，種子們在休眠狀態(tài)下乘坐在舒適溫暖的“保暖箱”中隨著太空實驗室進入軌道。

科學(xué)家們將在地面遙控指揮啟動實驗過程，種子開始萌發(fā)。

在其后的一段時間內(nèi)，培養(yǎng)箱通過溫度、濕度、光照、營養(yǎng)供給調(diào)節(jié)等功能為種子的生長發(fā)育提供環(huán)境保障，同時通過相機等測量部件進行“全程直播”，記錄圖像、溫度變化等數(shù)據(jù)，下傳到地面供植物學(xué)家開展比對分析。

如果生長順利，預(yù)計1~2個月以后，植物便可進入抽苔（穗）開花階段。

高等植物培養(yǎng)箱可實現(xiàn)植物生長發(fā)育全過程實時監(jiān)測，為植物學(xué)家分析研究植物在空間微重力環(huán)境中響應(yīng)與適應(yīng)的本質(zhì)，提供科學(xué)研究的平臺保障。

小小的太空“溫室”中，生長盒區(qū)域是植物生長的空間，由透明材料制成，光源從頂部照射，相機從側(cè)面拍攝成像。

在生長盒上貼有透氣膜，用來保障植物與溫室內(nèi)有一定的氣體交換，而液態(tài)水不會從透氣膜中逸出，以此來保障植物生長過程中所需的水分。

不過，在空間微重力環(huán)境下，植物生長過程中因蒸騰作用產(chǎn)生的水汽無法凝結(jié)回歸到土壤，而是附著于生長盒的側(cè)面，還影響成像。怎么辦呢？

為了解決這個問題，科學(xué)家們通過增加冷凝區(qū)的設(shè)計，使水汽重新冷凝并導(dǎo)入土壤盒內(nèi)，實現(xiàn)了太空密閉環(huán)境下水的有效循環(huán)，提高了水的利用率，也避免了水汽可能產(chǎn)生的不良影響，真是高效又安全。

植物學(xué)家預(yù)先用轉(zhuǎn)基因技術(shù)給擬南芥的開花基因做了綠色熒光蛋白基因標(biāo)記。同時，培養(yǎng)箱安裝了一臺微型熒光相機，并集成一個LED熒光激發(fā)光源。

一切準(zhǔn)備就緒，當(dāng)長日照區(qū)的擬南芥開花基因一旦表達，就會被LED光源激發(fā)出綠色熒光。熒光相機便可以捕捉到熒光信號，并下傳信息。熒光圖像能夠突出反映特定光譜譜段的熒光信息，為植物學(xué)家開展空間植物培養(yǎng)實驗提供了一個更為豐富的分析手段。

圖為熒光相機檢測擬南芥開花基因（FT）在葉片中表達。a和b分別為可見光和熒光相機對同一培養(yǎng)盒中擬南芥植物成像。c示意了培養(yǎng)盒中不同的擬南芥植株，WT為沒有綠色熒光蛋白(GFP)標(biāo)記的普通擬南芥，F(xiàn)TPro::GFP為含有綠色熒光蛋白轉(zhuǎn)基因擬南芥。

中國航天員將在“天宮二號”空間實驗室中首次進行生物科學(xué)實驗樣品回收。空間培養(yǎng)的擬南芥實驗樣品將隨返回單元返回地面供后續(xù)研究分析。

本次“天宮二號”中的實驗是根據(jù)地球上高等植物受光周期誘導(dǎo)的兩種典型的反應(yīng)途徑（長日和短日誘導(dǎo)開花途徑）以及關(guān)鍵的開花基因的作用機理，從而選擇了長日照植物擬南芥和短日照植物水稻為研究對象。

借助實時成像技術(shù)，研究人員可以觀察微重力條件下擬南芥和水稻從種子萌發(fā)、幼苗生長和開花發(fā)育全過程。

同時，科學(xué)家們特別構(gòu)建的綠色熒光蛋白標(biāo)記開花基因的擬南芥植株，將幫助科學(xué)家們通過實時熒光圖像技術(shù)，在分子水平檢測開花基因在微重力情況下的表達動態(tài)。

這些研究為解析微重力條件下高等植物形態(tài)建成，以及從種子萌發(fā)、營養(yǎng)生長向生殖生長轉(zhuǎn)變過程的調(diào)控機理提供新的知識，對植物栽培和品種選育等都具有重要意義。

此外，本次試驗研究過程中部分?jǐn)M南芥樣品將由航天員參與回收，用于后續(xù)分析，為我們了解空間微重力條件下高等植物種子發(fā)育與營養(yǎng)貯藏提供第一手材料。

高等植物培養(yǎng)箱（圖左上），分為在軌單元和返回單元，在軌單元可提供兩個擬南芥培養(yǎng)單元和兩個水稻培養(yǎng)單元，分別為一個長日照和一個短日照培養(yǎng)條件（如右上側(cè)植物培養(yǎng)示意圖），返回單元用于培養(yǎng)擬南芥。

長日照植物擬南芥生長周期示意圖（左圖）以及不同生長發(fā)育時期（幼苗期及開花期）擬南芥植物圖片（右圖）。長日照植物：只有當(dāng)日照長度超過臨界日長(14～17小時)，或者說暗期必須短于某一時數(shù)才能開花的植物。長日照植物大多數(shù)原產(chǎn)于溫帶和寒帶，有冬小麥、大麥、油菜、蘿卜等，在緯度超過60°的地區(qū)，多數(shù)植物是長日照植物。

擬南芥在高等植物培養(yǎng)箱中生長過程實時圖像。圖像記錄了從種子萌發(fā)到生長25天的擬南芥。

短日照植物水稻生長周期示意圖（左圖）以及開花期的水稻（中圖）?！疤鞂m二號”空間實驗室中培養(yǎng)的水稻品種為矮化水稻突變體（d18h），成熟期水稻株高在15-20厘米（該矮化水稻由中國水稻研究所錢前研究員提供）。右圖為矮化水稻與正常株高水稻（zh11）在幼苗期的比較。短日照植物：只有當(dāng)日照長度短于其臨界日長（少于12小時，但不少于8小時）時才能開花的植物。在一定范圍內(nèi)，暗期越長，開花越早。短日照植物大多數(shù)原產(chǎn)地是日照時間短的熱帶、亞熱帶，如大豆、玉米、水稻等。

矮化水稻（d18h）在高等植物培養(yǎng)箱中生長過程實時圖像。圖像記錄了從種子萌發(fā)到生長26天的水稻。

人類登上月球已過去40多年，目前重返月球和登陸火星的夢想席卷全球。一些科學(xué)家不但繪制了月球基地和火星基地的藍圖，而且已經(jīng)完成選址。

我國載人航天工程的第一步是載人飛行，目前任務(wù)已圓滿完成；第二步，是空間實驗室階段的工作，目前已完成了航天員出艙任務(wù)，并于2011年實現(xiàn)了“神舟八號”飛船與“天宮一號”目標(biāo)飛行器的太空交會對接；第三步，是載人空間站工程，將在2020年左右實現(xiàn)。

在“嫦娥工程”首次月球探測飛行成功后，探月二期工程進入實施階段，探月三期工程將在2017年左右實現(xiàn)“繞、落、回”中的最后一步“回”的目標(biāo)。同時，包括火星和小行星探測在內(nèi)的未來深空探測已經(jīng)列入規(guī)劃。

我國在航天和空間領(lǐng)域的發(fā)展，為空間生命科學(xué)研究提供了前所未有的機會。

如何建立以綠色高等植物為基礎(chǔ)的空間密閉生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，為航天員長期的空間生活提供補給？這是一個浩大的綜合工程。這不禁讓人想起電影《火星救援》，主人公孤身一人克服重重困難，通過在火星基地種植土豆的方法補給自身，從而實現(xiàn)重回地球。

加強太空環(huán)境中植物生長發(fā)育研究，突破空間生命生態(tài)保障系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸，構(gòu)建人類地外長期生存的新天地，相信人類跨越天疆的夢想一定會在不遠(yuǎn)的將來成為現(xiàn)實。

中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院植物生理生態(tài)研究所負(fù)責(zé)科學(xué)實驗樣品和內(nèi)容的設(shè)計、實驗方案和實驗結(jié)果的分析。

中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研制高等植物培養(yǎng)箱。