“天宮二號”空間實驗室安排了地球科學觀測及應用、空間科學實驗及探測、應用新技術(shù)等領(lǐng)域的十余項高精尖的任務，這些實驗有的是在探索宇宙最深處的奧秘，有的是幫助人們更好的認識海洋和大氣，有的甚至是在解決將來星際旅行時食物的問題…
如何“玩轉(zhuǎn)”這么多高難度任務并保障它們有序、安全地運行下去呢？代表中國科學院牽頭負責的中國科學院空間應用工程與技術(shù)中心，承擔了“天宮二號”任務規(guī)劃、總體管理和技術(shù)集成工作。
近期，科學大院帶大家一起來了解這些“高大上”太空實驗的神奇之處…
今天我們來介紹“天宮二號”上的“迷你太空溫室”——高等植物培養(yǎng)實驗。
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)。這個身負重任的微縮版太空溫室，有三個與眾不同的特點。
特點一：從種子到種子
植物學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家開展比對分析。
如果生長順利，預計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，為植物學家分析研究植物在空間微重力環(huán)境中響應與適應的本質(zhì)，提供科學研究的平臺保障。
特點二：安全高效的水循環(huán)
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，科學家們通過增加冷凝區(qū)的設(shè)計，使水汽重新冷凝并導入土壤盒內(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。
特點三：基因信息“追蹤器”
植物學家預先用轉(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。
一切準備就緒，當長日照區(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。
空間實驗的內(nèi)容是啥？
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的兩種典型的反應途徑（長日和短日誘導開花途徑）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，科學家們特別構(gòu)建的綠色熒光蛋白標記開花基因的擬南芥植株，將幫助科學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擬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）。“天宮二號”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。
太空探索的未來藍圖什么樣？
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，并于2011年實現(xiàn)了“神舟八號”飛船與“天宮一號”目標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。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的將來成為現(xiàn)實。
“迷你太空溫室”研制者是誰？
中國科學院上海生命科學研究院植物生理生態(tài)研究所負責科學實驗樣品和內(nèi)容的設(shè)計、實驗方案和實驗結(jié)果的分析。
中國科學院上海技術(shù)物理研究所研制高等植物培養(yǎng)箱。
