120日間の宇宙旅行後、イネとシロイヌナズナはどのように変化するのか

12月4日、宇宙で120日間のライフサイクルを終えたイネとシロイヌナズナの種子が、神舟14号宇宙船で無事に帰還した。これは、我が国が、種子から種子まで、稲のライフサイクル全体にわたって稲を栽培するという世界初の実験に成功したことを意味します。報道によると、この研究の学名は「微小重力環境下における高等植物の開花制御の分子メカニズム」であり、中国科学院分子植物科学卓越センターの鄭慧瓊氏のチームによって行われた。では、なぜこの実験を行うのでしょうか?他に何を学びましたか?

なぜ米とシロイヌナズナを宇宙に送るのですか?

鄭慧瓊氏は、米は人類の主要な食糧作物であり、世界人口のほぼ半分を養っていると紹介した。また、将来の有人深宇宙探査の生命維持システムの主な候補食用作物でもあります。宇宙の微小重力を利用して稲を育てることは、宇宙植物学研究の重要な方向の一つです。 「種子は人類の食料であるだけでなく、次世代の植物を繁殖させる媒体でもあります。人類が宇宙で長期間生存するためには、植物が宇宙で世代交代を完了し、種子を繁殖させることが不可欠です。しかし、これまで宇宙で種子から種子へと栽培されたのは、シロイヌナズナ、菜種、エンドウ豆、小麦のみで、主要食用作物である米は、そのライフサイクル全体にわたって宇宙で栽培されたことはありません。」

モデル植物であるシロイヌナズナは、主に「開花」部分の研究を担っています。鄭慧瓊氏は「開花は種子生産の前提条件です。私たちはモデル植物であるシロイヌナズナを使って、宇宙の微小重力が植物の開花に与える影響を体系的に研究しました」と語った。

宇宙旅行中にイネとシロイヌナズナに何が起こったのでしょうか?

鄭慧瓊氏は、軌道上実験は2022年7月29日の栄養液注入から始まり、11月25日に終了し、シロイヌナズナとイネの種子の発芽、苗の成長、開花、播種までのライフサイクル全体の栽培実験が完了したと紹介した。期間中、宇宙飛行士は軌道上で3回のサンプル採取作業を実施しました。9月21日に穂ばらみ期のイネサンプル、10月12日に開花期のシロイヌナズナサンプル、11月25日に成熟期のイネとシロイヌナズナの種子の採取です。採取後、開花期または穂ばらみ期のサンプルは-80℃の低温保管庫に保管され、種子成熟期のサンプルは4℃の低温保管庫に保管されました。

鄭慧瓊氏は、今回は主に3つの宇宙実験が完了したと述べた。まず、種子の発芽、苗の成長、出穂、結実までのイネのライフサイクル全体の栽培実験を軌道上で完了し、画像を取得して結果を分析しました。第二に、宇宙再生した稲は剪定後に栽培に成功し、成熟した種子（二作目）を生産しました。第三に、3つの異なる概日時計によって制御されるシロイヌナズナの種子発芽、実生の成長、および主要な開花遺伝子の軌道上の宇宙微小重力への反応の画像観察と分析を完了し、軌道上でサンプルを収集しました。

現在、サンプルはさらなる検査と分析のため、上海にある中国科学院分子植物科学卓越センターに輸送されている。

実験の予備的な結果は何ですか?

宇宙で撮影された画像を分析し、地上の画像と比較することで、宇宙の微小重力は、植物の高さ、分げつ数、成長率、水分調節、光への反応、開花時期、種子の発育過程、結実率など、イネのさまざまな農業特性に多くの影響を及ぼすことがわかりました。科学者たちはいくつかの予備的な発見をしました:

まず、主に茎と葉の間の角度が増大したため、稲の植物の形が空間的に緩やかになっていることがわかりました。短茎稲は丈が低くなったが、長茎稲の高さには大きな影響はなかった。さらに、生物時計によって制御される稲の葉の成長の螺旋状の上向きの動きは、宇宙ではより顕著になります。

第二に、宇宙での稲の開花時期は地上よりも若干早いが、充実時期は10日以上延長され、ほとんどの穎花は閉じられない。鄭慧瓊氏は次のように述べた。「開花時期と穎の閉鎖は、稲の重要な農業特性です。どちらも、高収量で高品質の種子を得るために植物の十分な生殖成長を確保する上で重要な役割を果たします。このプロセスは遺伝子発現によって制御されており、返送されたサンプルは、将来さらに分析するために使用されます。」

再び宇宙で再生米の実験が行われ、再生米の種子が得られました。鄭慧瓊氏は「稲刈りから20日後には2本の稲穂が再生する。これは狭い空間の閉鎖環境で稲を再生できるということを示しており、宇宙作物の効率的な生産に向けた新たなアイデアと実験的証拠を提供している。この技術は単位体積あたりの稲の収穫量を大幅に増やすことができ、宇宙で試みられた世界初の稲の再生技術でもある」と語った。

最後に、空間概日時計による光周期開花を制御する重要な遺伝子が初めて研究されました。遺伝子変異とトランスジェニック法を用いて、開花時期の異なる3種類のシロイヌナズナ（早期開花、遅延開花、通常開花（野生型））が構築されました。鄭慧瓊氏は、宇宙でのシロイヌナズナの成長と発達の観察と分析を通じて、微小重力に対する主要な開花遺伝子の反応が地上での反応とは大きく異なることがわかったと紹介した。その中で、地上で早く開花したシロイヌナズナは、微小重力環境下でも開花期間が大幅に延長しました。 「さらに、概日時計遺伝子が変異した後、宇宙シロイヌナズナの胚軸は過度に伸長しました。これは、概日時計遺伝子の発現が宇宙でのシロイヌナズナの正常な形態を維持し、宇宙環境に適応するために非常に重要であることを示しています。これは、将来、開花遺伝子の改変を使用して宇宙の微小重力環境への植物の適応を促進するための新しい方向性を提供します。その後の研究チームは、帰還した材料をさらに使用して、シロイヌナズナの宇宙環境への適応の分子基盤の詳細な分析を実施します。」

（光明日報2022年12月6日10ページに掲載）