“太空植物”擬南芥

孫二虎

2016年11月18日，神州十一號(hào)飛船返回地球，帶回了隨天宮二號(hào)前期進(jìn)入太空的實(shí)驗(yàn)植物擬南芥。這是一種什么樣的植物？有何“過人”之處，得以有幸進(jìn)入太空？

2016年9月，中國(guó)發(fā)射了天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室，向建立中國(guó)自己的宇宙空間站邁出了重要一步。不久后的10月17日，神州十一號(hào)飛船載著兩名宇航員成功發(fā)射升空，并在兩天后與天宮二號(hào)完美對(duì)接，宇航員開始了天宮為期一個(gè)月的工作，開創(chuàng)中國(guó)宇航員在軌駐留33天的時(shí)間最長(zhǎng)紀(jì)錄。

據(jù)報(bào)道，在神十一飛船返回地球時(shí)，還有一項(xiàng)任務(wù)：將在太空發(fā)芽、開花、結(jié)籽的擬南芥帶回地球。

那么，這“擬南芥”是何種“神圣植物”？它怎么會(huì)作為天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室中的被選實(shí)驗(yàn)物種呢？

在天宮二號(hào)升空時(shí)搭載了一系列科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)裝置，我國(guó)科學(xué)家在天宮二號(hào)太空倉(cāng)入軌后，通過遙控器完成預(yù)先設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)。這其中有一項(xiàng)意義深遠(yuǎn)的實(shí)驗(yàn)，就是太空植物種植?？茖W(xué)家認(rèn)為，未來(lái)人類如果能不依賴地球供應(yīng)，而是在太空利用自己種植的糧食和蔬菜生活500天，那么人類在月球或者火星建立“別墅”度假村將有實(shí)際可能！

人類未雨綢繆，美俄等國(guó)家已經(jīng)進(jìn)行了多年的太空生物學(xué)研究，中國(guó)要建立自己的太空站，完成自己的登陸月球、火星等航天科技目標(biāo)，我們當(dāng)然要奮起直追。據(jù)報(bào)道，種植實(shí)驗(yàn)物種有兩種，一是水稻，這是中國(guó)人的主要糧食，也是中國(guó)農(nóng)業(yè)科技的強(qiáng)項(xiàng)；另一種就是擬南芥。水稻人人都認(rèn)識(shí)，而“擬南芥”可能大多數(shù)人都不認(rèn)識(shí)。

當(dāng)我聽到“神十一”要從天宮二號(hào)帶回?cái)M南芥的消息時(shí)，雖然天已近黑，且下著小雨，我還是冒著小雨出門：釆擬南芥。

雖是深秋，但在地處西南方的成都，應(yīng)當(dāng)找得到擬南芥。實(shí)際上，擬南芥在成都一年四季都會(huì)開花結(jié)籽。

擬南芥和油菜同家族，都是十字花科植物！可能很多成都人都認(rèn)識(shí)，不認(rèn)識(shí)的可能聽說(shuō)過“甘油菜”，擬南芥就是成都人作野菜、作補(bǔ)肝草藥的甘油菜！

從圖中“油菜莢”的大小，你就可以知道擬南芥植株和種子的大小。實(shí)際上，它就是自然界中十分不起眼的小草！別看它小，在科學(xué)家眼中，它可能是太空種植實(shí)驗(yàn)最理想的材料之一。

具體說(shuō)，擬南芥八大特征決定其成為登上太空實(shí)驗(yàn)室“寶座”的最佳選手。

其一，看似脆弱，實(shí)際極具生命活力以及繁殖力。這個(gè)特點(diǎn)很重要：在太空，實(shí)驗(yàn)物種要經(jīng)歷太空輻射、失重等等一系列與地面不同的生活逆境，首先抗逆不死，然后才能完成其他生理過程。

其二，光生理學(xué)方面，它是典型的長(zhǎng)日照植物，與水稻短日照植物形成太空實(shí)驗(yàn)的對(duì)照關(guān)系；兩種植物是具有代表性的、典型的受光周期調(diào)控的植物。

其三，目前對(duì)于擬南芥生產(chǎn)發(fā)育和基因表達(dá)情況非常清楚，如果在太空的生長(zhǎng)過程中發(fā)生變化，很容易識(shí)別。

其四，科學(xué)家很早以前就注意到它作為種子植物的了不起的特點(diǎn)：從種子入土到開花結(jié)出新的種子只需一個(gè)多月時(shí)間。這對(duì)遺傳學(xué)家非常重要。植物傳代周期過長(zhǎng)常常是農(nóng)學(xué)遺傳育種的極大障礙。具體到此次天宮實(shí)驗(yàn)，從9月到11月，如果順利的話，擬南芥可以完成2～3個(gè)“種子-種子”周期，為科學(xué)家提供更多的遺傳變異數(shù)據(jù)。

其五，擬南芥基因組是目前已知最小的植物基因組?，F(xiàn)在已知擬南芥基因組大約為12500萬(wàn)堿基對(duì)和5對(duì)染色體，因而成為一種應(yīng)用廣泛的模式生物。什么是模式生物？模式生物就是被生物學(xué)家選定進(jìn)行科學(xué)研究，用以揭示某種具有普遍規(guī)律的生命現(xiàn)象的生物物種。舉例來(lái)說(shuō)：近代遺傳學(xué)奠基人孟德爾在豌豆雜交實(shí)驗(yàn)的豌豆、摩爾根的果蠅、遺傳工程（基因工程）的大腸桿菌、現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室的小白鼠等等，都是模式生物。正是有了這些本底清楚、易于繁殖且操作簡(jiǎn)便的模式生物，成就了多少科學(xué)家的事業(yè)，為人類的科技進(jìn)步提供了極大貢獻(xiàn)。

其六，擬南芥是當(dāng)前分子生物學(xué)研究最多的實(shí)驗(yàn)材料之一。其基因表達(dá)、轉(zhuǎn)基因種類以及生物表觀特征都有較深入的研究和科技信息儲(chǔ)備，在世界科技信息交流途徑廣泛。例如，讓多種植物（特別是禾本科糧食作物）都獲得像豆科植物那樣能與根癌農(nóng)桿菌共生從而使植物本身獲得“固氮”的本領(lǐng)，是科學(xué)家長(zhǎng)期夢(mèng)寐以求的事?？茖W(xué)家已知根癌農(nóng)桿菌和豆科植物“聯(lián)姻”的途徑：該桿菌含有一種稱為“ Ti 質(zhì)粒”的帶有特定基因的基因運(yùn)載體，借助它可以在寄主植物特殊區(qū)域（vir區(qū)域）插入癌農(nóng)桿菌的特定DNA序列，誘導(dǎo)在宿主植物中瘤狀物的形成，最終使目的基因轉(zhuǎn)移進(jìn)宿主植物并起動(dòng)工作，實(shí)現(xiàn)非豆科植物的固氮目的?？上驳氖?，科學(xué)家已經(jīng)成功地完成了擬南芥Ti-vir株培養(yǎng)，并在一定程度上形成商品化科學(xué)材料，為固氮作物育種研究提供方便途徑。

其七，擬南芥是自花受粉物種，因此在生殖傳代過程中種子變異的可能性比異花授粉植物小得多，因而可以保持物種品系的純粹性。這個(gè)特點(diǎn)非常重要。例如白菜、蘿卜這些異花受粉作物，在種植中會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的雜化現(xiàn)象，因此一個(gè)優(yōu)良品種在幾代后優(yōu)良品質(zhì)很快丟失。對(duì)育種研究而言，怎樣保持一個(gè)新材料的特殊品性不會(huì)在后代種子中不失，最直接的方法就是自花授粉。這也是基因工程學(xué)家特別看重?cái)M南芥的重要原因之一。據(jù)報(bào)道，這次登上天宮二號(hào)的擬南芥中，就有包括轉(zhuǎn)基因材料的不同品種，科學(xué)家在對(duì)比“天上和地上”兩種重力環(huán)境中形成植物種子的差異時(shí)，不會(huì)受到“雜交”因素的干擾。

其八，擬南芥是表觀遺傳學(xué)研究的重要模式物種。近百年以DNA為中心的遺傳學(xué)盡管取得絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，但仍然不能完美解釋生物遺傳中的所有現(xiàn)象；從另一方面，許多用DNA遺傳學(xué)不能解釋的現(xiàn)象卻不斷提醒人們，兩百年來(lái)充滿爭(zhēng)議的拉馬克學(xué)說(shuō)以及半個(gè)世紀(jì)以來(lái)一直被人垢病的“米丘林遺傳學(xué)”理論，卻可以解釋這些不符合DNA遺傳學(xué)的現(xiàn)象。這說(shuō)明，拉馬克學(xué)說(shuō)存在科學(xué)實(shí)驗(yàn)的證據(jù)。例如，米丘林用“引種馴化”方法創(chuàng)造新的蘋果品種是缺乏基因遺傳學(xué)根據(jù)的，但事實(shí)上，“被馴化”的特征確實(shí)會(huì)在后代中表現(xiàn)出來(lái)。就連聲名狼藉的蘇聯(lián)農(nóng)學(xué)家李森科的某些“偽科學(xué)”理論[例如他的“春化”（yarovization）理論]，也不斷在現(xiàn)代科學(xué)實(shí)驗(yàn)室中獲得支持。更驚人的是，過去被主流遺傳學(xué)認(rèn)為“荒謬”的電擊小白鼠實(shí)驗(yàn)（20世紀(jì)70年代就有人做過類似的實(shí)驗(yàn)），現(xiàn)在獲得了確鑿可信的結(jié)果。這實(shí)驗(yàn)的結(jié)論是：被連續(xù)強(qiáng)化電擊的老鼠受到的精神創(chuàng)傷，會(huì)在下一代身上表現(xiàn)出來(lái)！更通俗地闡述這個(gè)結(jié)果就相當(dāng)于是，如果一個(gè)人受過嚴(yán)重的肉體和精神的創(chuàng)傷，這個(gè)人的后代身上會(huì)有一種遺傳機(jī)制把先輩的創(chuàng)傷保留下來(lái)。

科學(xué)家在生物體（植物或動(dòng)物）中找到了這種遺傳的分子機(jī)制，確定生物物種如何在DNA序列不發(fā)生改變的條件下，物種怎樣“獲得”并“遺傳”新的生物特性。這一科學(xué)新領(lǐng)域被稱為“表觀遺傳學(xué)（epigenetics）”。

一年前我在中科院院士評(píng)選材料中讀到曹曉風(fēng)博士的工作介紹，內(nèi)中關(guān)于影響擬南芥開花因素的文字觸碰到我的“痛處”：1993年我和同事一起去俄羅斯“引種北京大白菜”的失敗原因就在于大棚低溫引發(fā)的白菜苗“春化”，大批菜苗還沒出苗圃就開花，最后7公頃大白菜變成一片“戰(zhàn)地黃花”！也許這次失敗與表觀遺傳學(xué)有一定的關(guān)系。

祝愿小草擬南芥在中國(guó)航天生物學(xué)研究中有上佳的表現(xiàn)！