拟南芥： 活得粗糙，才让我有了上太空的资格

2022年10月12日，“天宫课堂”又开讲了。此次太空授课，航天员老师第一次展示了两种在空间站里培育出来的植物——拟南芥和水稻。世界上有38万种植物，我们人类日常栽培的也有150多种，水稻入选还能理解，为什么拟南芥也可以“上天”？当植物来到太空，等待它们的又会是什么呢？

拟南芥，植物界的小白鼠

可以确定的是，在太空种植拟南芥，并不是为了拿它当菜吃，因为此前航天员已经在“天宫”空间站里吃到了自己种出来的生菜。

拟南芥是十字花科成员，跟白菜、荠菜、卷心菜是一个家族的。拟南芥那两三毫米长的小花瓣像极了老鼠耳朵，所以它们也叫“鼠耳芥”。

拟南芥实在是太小了，它们的植株高度通常不会超过35厘米，叶片最长只有5厘米，口感和滋味也不好。自16世纪被命名记录以来，直到19世纪，拟南芥都是默默无闻的杂草。进入20世纪，遗传学发展起来后，拟南芥终于迎来了自己的高光时刻——因为生长周期短，个头小，遗传信息简单，它们能很好地配合科学家的研究工作，一下子成了实验室里的明星（这种拥有特殊能力，能够帮助科学家验证假说的生物，在科学家口中有个更专业的名字——“模式生物”）。

首先，拟南芥的生长周期很短，从种子发芽到种子成熟只需要6周时间，这就能让科学家在尽可能短的时间里做更多实验。反过来说，那些生长周期长的物种就不适合作为实验室里的模式生物。实验室里很少养大象，因为大象从出生到繁殖需要14年左右，一头大象一次只能生育一头小象，而且在接下来的两三年时间里会专心抚育小象而停止生育。所以，科学家毕其一生，也养不了几头大象。更不用说，一头大象就需要一个巨大的房间来生活。

相较于大象，一株拟南芥产生的后代要多得多。一株拟南芥可以产生约3000粒种子，最多者甚至可以产生约1万粒种子。更关键的是，一个小花盆就可以让数十株拟南芥茁壮成长。

其次，拟南芥的遗传结构简单，只有5对染色体，而苹果有17对染色体，人类有23对染色体，瓶尔小草有630对。染色体的数量越少，就越容易排除干扰，方便研究。拟南芥的5 对染色体总共含约1.15 亿个碱基对，这与水稻的4.3 亿个、玉米的24 亿个、小麦的160 亿个碱基对形成了鲜明对比。

更重要的是，拟南芥的基因组也异常简单，绝大多数基因序列是单拷贝序列，即这些基因序列并没有重复和备份，为我们快速定位和编辑基因提供了重要基础。目前科学家已发现了拟南芥的25500个功能基因，为研究植物分子生物学奠定了基础，其中最突出的工作就是破译了控制花朵发育的遗传密码。

拥有以上特征的拟南芥，便成为科学家青睐的模式生物，通过实验来验证科学假说。比如在这次实验中，实验组的拟南芥比对照组的野生型拟南芥长得快得多，这就是一个明显的实验结果。

其实，在太空种植要解决的基本问题，与我们在地球上遇到的大致一样——光、水、肥料和温度。这些都已经有了不错的解决方案，毕竟无土栽培农场技术已经很成熟：提供特殊色光的光源（植物通常只喜欢“吃”红光和蓝光），提供水分和含矿物质营养液，控制温度的设备只要挪到空间站里就可以了。

然而，在太空种植还会遇到一个崭新的挑战——微重力环境。

对太空里的植物来说，最大的问题是分不出天和地。在地球上，受重力的影响，植物能够感知到哪边是地，哪边是天，从而让根系深入土壤，让枝丫朝着天空展开。虽然到现在科学家还没有确切的实验证据来解释植物是怎样辨别方向的，但比较公认的假说是，在植物细胞内有一些淀粉组成的颗粒，它们会受重力的影响，沉积到细胞的下部，从而给细胞壁施加刺激，这样一来，植物就能辨别出天和地了。可以说，这些淀粉粒就是植物生长的“指南针”。另外一种说法是，悬挂着细胞器的细胞骨架可以感受到细胞器下坠的方向，从而辨别出哪边是上，哪边是下。

如果失去了重力作用，植物的根、叶会向着四面八方生长。所以在太空生长的很多植物，就像漂浮在水中的水草一般。这还不是最麻烦的事，叶片和根系即便模样有点奇怪，仍然能执行功能。但植物身上还有花朵这样的精细结构，如果脱离了重力环境，花朵很可能无法被准确地“搭建”起来。

在失重状态下，还有一些看似简单的问题也会影响植物的正常生长。之前在国际空间站的一项研究中提到，百日菊总会因为叶子上生长霉菌而死亡，不管如何调整光照和湿度都无济于事。后来科学家们才发现，叶片因为蒸腾作用产生的水分会聚集在叶片表面，形成一团“水雾”，而不像在地球上那样因为重力和风而消散，因此提高了霉菌感染的概率。研究人员想了一个直接简单的解决方案——用一个小风扇对着它们吹风，最终让百日菊顺利开花。

人类对太空的认知还非常有限，要想在太空中正常生活、畅游宇宙，还有很多知识和经验等待着我们慢慢积累。也许，正在读本文的你就是破解太空奥秘的未来科学家！