“太空植物”拟南芥

孙二虎

2016年11月18日，神州十一号飞船返回地球，带回了随天宫二号前期进入太空的实验植物拟南芥。这是一种什么样的植物？有何“过人”之处，得以有幸进入太空？

2016年9月，中国发射了天宫二号空间实验室，向建立中国自己的宇宙空间站迈出了重要一步。不久后的10月17日，神州十一号飞船载着两名宇航员成功发射升空，并在两天后与天宫二号完美对接，宇航员开始了天宫为期一个月的工作，开创中国宇航员在轨驻留33天的时间最长纪录。

据报道，在神十一飞船返回地球时，还有一项任务：将在太空发芽、开花、结籽的拟南芥带回地球。

那么，这“拟南芥”是何种“神圣植物”？它怎么会作为天宫二号空间实验室中的被选实验物种呢？

在天宫二号升空时搭载了一系列科学研究实验装置，我国科学家在天宫二号太空仓入轨后，通过遥控器完成预先设计的实验。这其中有一项意义深远的实验，就是太空植物种植。科学家认为，未来人类如果能不依赖地球供应，而是在太空利用自己种植的粮食和蔬菜生活500天，那么人类在月球或者火星建立“别墅”度假村将有实际可能！

人类未雨绸缪，美俄等国家已经进行了多年的太空生物学研究，中国要建立自己的太空站，完成自己的登陆月球、火星等航天科技目标，我们当然要奋起直追。据报道，种植实验物种有两种，一是水稻，这是中国人的主要粮食，也是中国农业科技的强项；另一种就是拟南芥。水稻人人都认识，而“拟南芥”可能大多数人都不认识。

当我听到“神十一”要从天宫二号带回拟南芥的消息时，虽然天已近黑，且下着小雨，我还是冒着小雨出门：釆拟南芥。

虽是深秋，但在地处西南方的成都，应当找得到拟南芥。实际上，拟南芥在成都一年四季都会开花结籽。

拟南芥和油菜同家族，都是十字花科植物！可能很多成都人都认识，不认识的可能听说过“甘油菜”，拟南芥就是成都人作野菜、作补肝草药的甘油菜！

从图中“油菜荚”的大小，你就可以知道拟南芥植株和种子的大小。实际上，它就是自然界中十分不起眼的小草！别看它小，在科学家眼中，它可能是太空种植实验最理想的材料之一。

具体说，拟南芥八大特征决定其成为登上太空实验室“宝座”的最佳选手。

其一，看似脆弱，实际极具生命活力以及繁殖力。这个特点很重要：在太空，实验物种要经历太空辐射、失重等等一系列与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过程。

其二，光生理学方面，它是典型的长日照植物，与水稻短日照植物形成太空实验的对照关系；两种植物是具有代表性的、典型的受光周期调控的植物。

其三，目前对于拟南芥生产发育和基因表达情况非常清楚，如果在太空的生长过程中发生变化，很容易识别。

其四，科学家很早以前就注意到它作为种子植物的了不起的特点：从种子入土到开花结出新的种子只需一个多月时间。这对遗传学家非常重要。植物传代周期过长常常是农学遗传育种的极大障碍。具体到此次天宫实验，从9月到11月，如果顺利的话，拟南芥可以完成2～3个“种子-种子”周期，为科学家提供更多的遗传变异数据。

其五，拟南芥基因组是目前已知最小的植物基因组。现在已知拟南芥基因组大约为12500万碱基对和5对染色体，因而成为一种应用广泛的模式生物。什么是模式生物？模式生物就是被生物学家选定进行科学研究，用以揭示某种具有普遍规律的生命现象的生物物种。举例来说：近代遗传学奠基人孟德尔在豌豆杂交实验的豌豆、摩尔根的果蝇、遗传工程（基因工程）的大肠杆菌、现代生物医学实验室的小白鼠等等，都是模式生物。正是有了这些本底清楚、易于繁殖且操作简便的模式生物，成就了多少科学家的事业，为人类的科技进步提供了极大贡献。

其六，拟南芥是当前分子生物学研究最多的实验材料之一。其基因表达、转基因种类以及生物表观特征都有较深入的研究和科技信息储备，在世界科技信息交流途径广泛。例如，让多种植物（特别是禾本科粮食作物）都获得像豆科植物那样能与根癌农杆菌共生从而使植物本身获得“固氮”的本领，是科学家长期梦寐以求的事。科学家已知根癌农杆菌和豆科植物“联姻”的途径：该杆菌含有一种称为“ Ti 质粒”的带有特定基因的基因运载体，借助它可以在寄主植物特殊区域（vir区域）插入癌农杆菌的特定DNA序列，诱导在宿主植物中瘤状物的形成，最终使目的基因转移进宿主植物并起动工作，实现非豆科植物的固氮目的。可喜的是，科学家已经成功地完成了拟南芥Ti-vir株培养，并在一定程度上形成商品化科学材料，为固氮作物育种研究提供方便途径。

其七，拟南芥是自花受粉物种，因此在生殖传代过程中种子变异的可能性比异花授粉植物小得多，因而可以保持物种品系的纯粹性。这个特点非常重要。例如白菜、萝卜这些异花受粉作物，在种植中会出现严重的杂化现象，因此一个优良品种在几代后优良品质很快丢失。对育种研究而言，怎样保持一个新材料的特殊品性不会在后代种子中不失，最直接的方法就是自花授粉。这也是基因工程学家特别看重拟南芥的重要原因之一。据报道，这次登上天宫二号的拟南芥中，就有包括转基因材料的不同品种，科学家在对比“天上和地上”两种重力环境中形成植物种子的差异时，不会受到“杂交”因素的干扰。

其八，拟南芥是表观遗传学研究的重要模式物种。近百年以DNA为中心的遗传学尽管取得绝对的优势，但仍然不能完美解释生物遗传中的所有現象；从另一方面，许多用DNA遗传学不能解释的现象却不断提醒人们，两百年来充满争议的拉马克学说以及半个世纪以来一直被人垢病的“米丘林遗传学”理论，却可以解释这些不符合DNA遗传学的现象。这说明，拉马克学说存在科学实验的证据。例如，米丘林用“引种驯化”方法创造新的苹果品种是缺乏基因遗传学根据的，但事实上，“被驯化”的特征确实会在后代中表现出来。就连声名狼藉的苏联农学家李森科的某些“伪科学”理论[例如他的“春化”（yarovization）理论]，也不断在现代科学实验室中获得支持。更惊人的是，过去被主流遗传学认为“荒谬”的电击小白鼠实验（20世纪70年代就有人做过类似的实验），现在获得了确凿可信的结果。这实验的结论是：被连续强化电击的老鼠受到的精神创伤，会在下一代身上表现出来！更通俗地阐述这个结果就相当于是，如果一个人受过严重的肉体和精神的创伤，这个人的后代身上会有一种遗传机制把先辈的创伤保留下来。

科学家在生物体（植物或动物）中找到了这种遗传的分子机制，确定生物物种如何在DNA序列不发生改变的条件下，物种怎样“获得”并“遗传”新的生物特性。这一科学新领域被称为“表观遗传学（epigenetics）”。

一年前我在中科院院士评选材料中读到曹晓风博士的工作介绍，内中关于影响拟南芥开花因素的文字触碰到我的“痛处”：1993年我和同事一起去俄罗斯“引种北京大白菜”的失败原因就在于大棚低温引发的白菜苗“春化”，大批菜苗还没出苗圃就开花，最后7公顷大白菜变成一片“战地黄花”！也许这次失败与表观遗传学有一定的关系。

祝愿小草拟南芥在中国航天生物学研究中有上佳的表现！