Wie sich Reis und Arabidopsis nach 120 Tagen Weltraumreise verändern

Am 4. Dezember kehrten Reis- und Arabidopsis-Samen, die im Weltraum einen vollständigen Lebenszyklus von 120 Tagen durchlaufen hatten, sicher mit der Raumsonde Shenzhou 14 zurück. Dies bedeutet, dass mein Land das weltweit erste Experiment erfolgreich durchgeführt hat, bei dem Reis über seinen gesamten Lebenszyklus hinweg, vom Samen bis zum Samen, kultiviert wird. Berichten zufolge lautet der wissenschaftliche Name dieser Forschung „Molekularer Mechanismus der Blütenregulierung bei höheren Pflanzen unter Mikrogravitationsbedingungen“ und sie wurde von Zheng Huiqiongs Team am Center for Excellence in Molecular Plant Sciences der Chinesischen Akademie der Wissenschaften durchgeführt. Warum also dieses Experiment durchführen? Was haben Sie sonst noch gelernt?

Warum Reis und Arabidopsis ins All schicken?

Zheng Huiqiong führte aus, dass Reis das wichtigste Nahrungsmittel der Menschheit sei und fast die Hälfte der Weltbevölkerung ernähre. Darüber hinaus handelt es sich um die wichtigste Nahrungspflanze für das Lebenserhaltungssystem der zukünftigen bemannten Weltraumforschung. Die Nutzung der Mikrogravitation im Weltraum zur Reiszucht ist eine der wichtigsten Richtungen der Weltraumbotanikforschung. Samen sind nicht nur Nahrung für den Menschen, sondern auch Träger der Fortpflanzung der nächsten Pflanzengeneration. Wenn der Mensch langfristig im Weltraum überleben will, muss er dafür sorgen, dass die Pflanzen den Generationswechsel im Weltraum abschließen und Samen erfolgreich reproduzieren können. Bisher wurden jedoch nur Arabidopsis, Raps, Erbsen und Weizen im Weltraum von Samen zu Samen gezüchtet, während Reis, eine wichtige Nahrungsmittelpflanze, nicht während seines gesamten Lebenszyklus im Weltraum angebaut wurde.

Für die Erforschung des „blühenden“ Teils ist vor allem die Modellpflanze Arabidopsis thaliana zuständig. Zheng Huiqiong sagte: „Die Blüte ist eine Voraussetzung für die Samenproduktion. Wir haben die Modellpflanze Arabidopsis thaliana verwendet, um die Auswirkungen der Mikrogravitation im Weltraum auf die Pflanzenblüte systematisch zu untersuchen.“

Was geschah mit Reis und Arabidopsis während ihrer Weltraumreise?

Zheng Huiqiong erklärte, dass das Experiment im Orbit am 29. Juli 2022 mit der Injektion einer Nährlösung begann und am 25. November endete. Damit sei das Kultivierungsexperiment über den gesamten Lebenszyklus der Keimung, des Wachstums der Sämlinge, der Blüte und der Aussaat von Arabidopsis- und Reissamen abgeschlossen. Während dieser Zeit führten die Astronauten im Orbit drei Probenentnahmen durch: Reisproben im Startstadium am 21. September, Arabidopsis-Proben im Blütestadium am 12. Oktober und Reis- und Arabidopsis-Samen im Reifestadium am 25. November. Nach der Entnahme wurden die Proben im Blüte- bzw. Startstadium in einem Tiefkühlschrank mit einer Temperatur von -80 °C gelagert, die Proben im Reifestadium der Samen in einem Tiefkühlschrank mit einer Temperatur von 4 °C.

Zheng Huiqiong sagte, dass dieses Mal im Wesentlichen drei Weltraumexperimente abgeschlossen seien. Zunächst wurde das Anbauexperiment über den gesamten Lebenszyklus des Reises von der Samenkeimung über das Wachstum der Sämlinge und die Ährenbildung bis hin zur Samenbildung im Orbit durchgeführt und die Ergebnisse durch Bildaufnahme analysiert. Zweitens wurde der im Weltraum regenerierte Reis nach dem Beschneiden erfolgreich angebaut und brachte reife Samen hervor (zweite Ernte). Drittens haben wir die Bildbeobachtung und -analyse der Reaktion der Arabidopsis-Samenkeimung, des Keimlingswachstums und der wichtigsten Blühgene, die von drei verschiedenen circadianen Uhren reguliert werden, auf die Weltraummikrogravitation im Orbit abgeschlossen und Proben im Orbit gesammelt.

Nun wurden die Proben zur weiteren Untersuchung und Analyse an das Center for Excellence in Molecular Plant Sciences der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Shanghai transportiert.

Was sind die vorläufigen Ergebnisse des Experiments?

Durch die Analyse von im Weltraum aufgenommenen Bildern und deren Vergleich mit denen auf der Erde wurde festgestellt, dass die Mikrogravitation im Weltraum viele Auswirkungen auf verschiedene agronomische Merkmale von Reis hat, darunter Pflanzenhöhe, Halmzahl, Wachstumsrate, Wasserregulierung, Reaktion auf Licht, Blütezeit, Samenentwicklungsprozess und Fruchtansatzrate. Wissenschaftler haben einige vorläufige Entdeckungen gemacht:

Zunächst stellte man fest, dass die Pflanzenform des Reises im Raum lockerer wurde, hauptsächlich weil der Winkel zwischen Stängeln und Blättern zunahm. Der kurzhalmige Reis wurde kürzer, während die Höhe des hochhalmigen Reises nicht signifikant beeinflusst wurde. Darüber hinaus ist die spiralförmige Aufwärtsbewegung des Reisblattwachstums, die durch die biologische Uhr gesteuert wird, im Weltraum deutlicher ausgeprägt.

Zweitens ist die Blütezeit des Reises im Weltraum etwas früher als auf der Erde, die Füllzeit verlängert sich jedoch um mehr als 10 Tage und die meisten Spelzen können nicht geschlossen werden. Zheng Huiqiong sagte: „Blütezeit und Spelzenschluss sind wichtige agronomische Merkmale von Reis. Beide spielen eine wichtige Rolle für ein ausreichendes reproduktives Wachstum der Pflanzen, um ertragreiches und hochwertiges Saatgut zu erhalten. Dieser Prozess wird durch die Genexpression reguliert, und die zurückgesendeten Proben werden künftig für weitere Analysen verwendet.“

Auch hier wurden Experimente mit regeneriertem Reis im Weltraum durchgeführt und regenerierte Reissamen gewonnen. Zheng Huiqiong sagte: „Zwei Reiskolben können 20 Tage nach dem Schneiden der Pflanze regeneriert werden. Das zeigt, dass die Regeneration von Reis in einer geschlossenen Umgebung auf kleinem Raum möglich ist. Dies liefert neue Ideen und experimentelle Beweise für die effiziente Produktion von Weltraumpflanzen. Diese Technologie kann den Reisertrag pro Volumeneinheit erheblich steigern und ist zudem die erste Technologie zur Regeneration von Reis weltweit, die im Weltraum erprobt wurde.“

Schließlich wurden zum ersten Mal die Schlüsselgene untersucht, die die photoperiodische Blüte durch die räumliche circadiane Uhr regulieren. Durch Genmutation und transgene Methoden wurden drei Arabidopsis-Typen mit unterschiedlichen Blütezeiten konstruiert: frühblühend, verzögert blühend und normalblühend (Wildtyp). Zheng Huiqiong führte ein, dass man durch die Beobachtung und Analyse des Wachstums und der Entwicklung von Arabidopsis im Weltraum herausgefunden habe, dass die Reaktion wichtiger Blütengene auf die Mikrogravitation deutlich anders sei als auf der Erde. Unter ihnen war die Arabidopsis, die am Boden früh blühte, auch unter Mikrogravitationsbedingungen deutlich länger blühend. Darüber hinaus wurde nach der Mutation des Gens für die circadiane Uhr der Hypokotyl der Weltraumschmalwand Arabidopsis übermäßig verlängert. Dies deutet darauf hin, dass die Expression des Gens für die circadiane Uhr sehr wichtig ist, um die normale Morphologie der Arabidopsis im Weltraum aufrechtzuerhalten und sich an die Weltraumumgebung anzupassen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Nutzung der Modifikation von Blütengenen, um die Anpassung von Pflanzen an die Mikrogravitationsumgebung im Weltraum in Zukunft zu fördern. Das nachfolgende Forschungsteam wird die zurückgegebenen Materialien weiter verwenden, um eine eingehende Analyse der molekularen Grundlagen der Anpassung der Arabidopsis an die Weltraumumgebung durchzuführen.

(Ursprünglich veröffentlicht in Guangming Daily, 06.12.2022, S. 10)