세계최초로 우주정거장에서 볍씨를 재배하고, 우주에서 인류 생존을 위한 길을 만들었다
베이징 시간으로 2022년 12월 4일 20시 09분, 신주 14호(神舟十四号) 유인우주선 귀환선이 동풍착륙장에 성공적으로 착륙했다. 이날 120일의 전생명주기를 거친 벼와 애기장대 종자는 기타 유인 우주과학실험견본과 함께 우주응용시스템에 교부했다.
벼는 인류의 주요한 식량작물로서 세계 인구의 절반에 가까운 인류를 먹여살렸으며 향후 유인우주탐사 생명지지 시스템의 주요 후보식량 작물이기도 하다. 공간극미중력을 이용하여 벼를 육종하는 것은 공간식물학연구의 중요한 방향중의 하나이다.
종자는 인류의 식량일 뿐만 아니라 다음 세대 식물을 번식하는 담체로서 인류가 공간에서 장기적으로 생존하려면 반드시 식물이 공간에서 세대교체를 완성하고 종자를 성공적으로 번식하도록 보장해야 한다.
그러나 그동안 국제적으로 공간에서 애기장대, 유채, 완두콩, 밀을 종자에서 종자 배양을 완료했을 뿐 주요 식량작물인 벼는 아직까지 공간에서 전체 생명주기 배양을 완료하지 못했다.
중국 우주정거장 생명과학 프로젝트에서 중국과학원 분자식물과학 탁월혁신센터 정혜경 연구팀은 '극미중력 조건에서의 고등식물의 개화조절분자 메커니즘'을 담당했으며 처음으로 벼의 종자에서 종자 전생명주기 배양 실험을 전개했다. 한편, 개화는 종자를 맺는 전제 조건으로 연구팀은 모델 식물인 애기장대를 이용해 공간 극미중력이 식물의 개화에 미치는 영향을 체계적으로 연구하였다.
2022년 7월 29일 영양 용액을 주입하여 실험을 시작해 11월 25일 실험을 종료했다.
총 120일 동안 궤도에서 실험을 진행하여 애기장대와 벼 종자의 발아, 묘목 생장, 개화와 종자의 전 생애주기에 대한 배양 실험을 완성하였다.
이 기간 우주비행사들은 궤도에서 9월 21일에 진행한 이삭을 배는 벼견본채집을 포함한 세차례의 견본채집을 진행했다.
10월 12일 애기장대 개화기 견본 채집과 11월 25일 벼와 애기장대 종자 성숙기 견본 채집을 하였다. 채집후 개회했거나 이삭을 배는 견본을 -80℃의 저온보관함에 보관하며 종자의 성숙기의 견본을 4℃의 저온보관함에 보관했다. 12월 4일, 샘플이 신주 14호를 따라 지구로 돌아왔다. 계획대로 베이징에서 샘플을 인계받은 후 샹하이 실험실로 이송하여 진일보된 검측 분석을 한다.
이번 우주프로젝트가 완성한 실험은 다음과 같다. (1)벼 종자의 발아, 새싹 생장, 이삭 패기, 종자의 전생명주기 배양 실험을 궤도에서 완성하였고 영상을 획득하여 분석하였다. (2)모내기후 공간재생벼를 성공적으로 배육하여 성숙된 종자를 맺어냈다. (3)궤도에서 애기장대 종자의 발아, 묘목 생장 및 3가지 생물시계 조정되는 개화에 중요한 유전자들의 공간 극미중력반응에 대한 영상 관찰 분석을 완성하고 궤도에서 견본을 수집하였다.
(1) 벼 포기의 유형이 우주에서 더욱 느슨해지는데 이는 주로 줄기와 잎의 협각이 커졌기 때문이다. 줄기가 작은 벼는 더욱 작아졌지만 줄기가 큰 벼의 높이는 뚜렷한 영향을 받지 않았다. 이밖에 생물시계가 통제하는 벼잎의 생장라선(螺旋) 상승운동은 공간적으로 더욱 뚜렷했다.
(2) 우주에서 벼의 개화시간은 지면보다 약간 앞당겨졌지만 물알 배는 시간이 10여일 더 길어졌으며 대부분 벼는 껍데기를 닫지 못했다. 개화시간과 껍데기 닫는 것은 모두 벼의 중요한 농업형질이다. 량자는 모두 식물의 충분한 생식생장을 보장하는 것과 높은 수확 및 우량종자를 획득하는 면에서 중요한 역할을 한다. 이 과정은 유전자 표현에 의하여 조절되며 나중에 샘플 반환을 리용하여 진일보 분석할 예정이다.
(3) 우주에서 벼재생실험을 진행하고 재생벼의 종자를 얻었다. 그루를 자른 20일만에 벼이삭이 2개를 재생했다. 이는 공간이 좁고 페쇄된 환경에서 벼를 재생할수 있으며 공간작물의 고효률생산에 새로운 아이디어와 실험증거를 제공하였다. 이 기술은 단위체적에서의 벼생산량을 크게 증가시킬수 있는바 국제상 처음으로 공간에서 시도된 재생벼기술이다.
(4) 처음으로 우주생물시계로 광주기 개화를 조절하는 관건 유전자에 대해 연구를 진행하였다. 유전자 돌변과 유전자 변형의 방법을 리용하여 세가지 부동한 개화시기의 애기장대를 구축하였는데 각각 조기 개화, 지연 개화, 정상 개화 (야생형)이다. 애기장대의 생장 발육에 대한 관찰 및 분석을 통해, 극미중력에서의 개화에 대한 핵심 유전자의 반응이 지면과 뚜렷한 차이가 있음을 발견하였으며 지면에서 일찍 개화한 애기장대는 극미중력하에서 개화시간이 많이 연장된 것을 발견했다.
이밖에도 생물시계 유전자 돌변후 애기장대의 배축이 길어졌다. 이는 생물시계 유전자가 애기장대의 우주에서의 성장형태와 환경에 매우 중요한 양향을 끼치는 것을 설명한다. 향후 개화 유전자를 개조하여 식물이 우주 극미중력 환경에 적응하는 것을 촉진하는데 새로운 방향을 제공해 주었다. 연구팀은 계속해서 우주환경에 적응할 수 있는 애기장대의 분자 기초를 심층적으로 분석할 것이다.
윤교원 대표 / (주)한류TV서울 kyoweon@naver.com
国际首次！中国空间站种出的水稻种子长这样
北京时间2022年12月4日20时09分，神舟十四号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆。当天，经历了120天全生命周期的水稻和拟南芥种子，随同其他载人空间科学实验样品交付空间应用系统。
水稻是人类主要的粮食作物，养活了世界上近一半的人口，也是未来载人深空探测生命支持系统的主要候选粮食作物。利用空间微重力进行水稻育种也是空间植物学研究的重要方向之一。种子既是人类的粮食，也是繁殖下一代植物的载体，人类要在空间长期生存，就必须要保证植物能够在空间完成世代交替，成功繁殖种子。但是，之前国际上在空间只完成了拟南芥、油菜、豌豆和小麦从种子到种子的培养，而主要粮食作物水稻，此前尚没有能够在空间完成水稻全生命周期的培养。
在我国空间站生命科学项目中，中国科学院分子植物科学卓越创新中心郑慧琼研究团队承担了“微重力条件下高等植物开花调控的分子机理”，在国际上首次开展了水稻从种子到种子全生命周期培养实验。同时，开花是结种子的前提，研究团队利用模式植物拟南芥，也系统地研究了空间微重力对植物开花的影响。
从2022年7月29日注入营养液启动实验，至11月25日结束实验，本项目共在轨开展实验120天，完成了拟南芥和水稻种子萌发、幼苗生长、开花结籽全生命周期的培养实验。期间航天员在轨进行了三次样品采集，包括9月21日孕穗期水稻样品采集；10月12日拟南芥开花期样品采集和11月25日水稻和拟南芥种子成熟期样品采集。采集后，开花或孕穗期样品保存于-80℃低温存储柜中，种子成熟期样品保存于4℃低温存储柜。12月4日，样品随神舟十四号返回地面。按计划在北京交接样品后，转运至上海实验室中做进一步检测分析。
本次空间项目主要完成的实验内容包括：（1）在轨完成了水稻从种子萌发、幼苗生长、抽穗和结籽全生命周期的培养实验并通过获取图像进行分析；（2）完成了剪株后空间再生稻成功培育并结出了成熟的种子（二茬）。（3）在轨完成拟南芥种子萌发、幼苗生长和不同三个生物钟调控的开花关键基因对空间微重力响应的图像观察分析并在轨采集了样品。
通过对空间获取的图像分析，并与地面对照比较，发现空间微重力对水稻的多种农艺性状，包括株高、分蘖数、生长速率、水分调控、对光反应、开花时间、种子发育过程以及结实率等多方面的影响。实验初步发现：
（1）水稻的株型在空间变得更为松散，主要是茎叶夹角变大； 矮杆水稻变得更矮，高秆水稻的高度没有受到明显的影响。此外，生物钟控制的水稻叶片生长螺旋上升运动在空间更为凸显。
（2）水稻空间开花时间比地面略有提前，但是，灌浆时间延长了10多天，大部分颖壳不能关闭（图1和图3）。开花时间和颖壳闭合均是水稻的重要农艺性状，二者在保障植物充分的生殖生长是获得高产优质种子方面都有重要作用，此过程受到基因表达的调控，后续将利用返回样品进一步分析。
（3）在空间进行再生稻实验并获得再生稻的种子。从剪株20天后就可以再生出了2个稻穗（图2和图3），说明空间狭小的封闭环境中再生稻是可行的，为空间作物的高效生产提供了新的思路和实验证据。该技术可以大大增加单位体积中的水稻产量，也是国际上首次在空间尝试的再生稻技术。
（4）首次对空间生物钟调控光周期开花的关键基因进行研究。利用基因突变和转基因的方法，构建了三种不同开花时间的拟南芥，分别是：提前开花，延迟开花和正常开花（野生型），通过对空间拟南芥生长发育的图普观察与分析，发现开花关键基因对微重力的响应与地面有明显的差异，其中在地面提早开花的拟南芥在微重力条件下开花时间也大大的延长。
此外，生物钟基因突变后，空间拟南芥的下胚轴过度伸长，说明生物钟基因表达对于维持拟南芥在空间生长的正常形态和适应空间环境非常重要，为今后利用改造开花基因来促进植物适应空间微重力环境提供了新方向。后续研究团队将进一步利用返回材料对拟南芥适应空间环境的分子基础进行深入解析。
/人民日报客户端