如何在太空種菜？葉綠素熒光成像技術(shù)將給出答案
上周，嫦娥四號上搭載的生物科普試驗載荷顯示試驗搭載的棉花種子已長出嫩芽，這是在經(jīng)歷月球低重力、強輻射、高溫差等嚴峻環(huán)境考驗后，月球上萌發(fā)出的第一株植物。據(jù)重慶市政府發(fā)布會消息，科普載荷隨嫦娥四號登陸月球的第一天（1月3日）23:18分加電開機后，載荷內(nèi)微型生態(tài)系統(tǒng)開始進入生物月面生長發(fā)育模式。從開機到1月12日20點地面發(fā)送了生物科普試驗載荷斷電指令，載荷正常關(guān)機，生物科普試驗載荷在軌工作狀態(tài)良好，累計工作時間長達212.75小時，主副相機累計拍照34次，下傳照片170多幅。目前，生物科普試驗載荷已進入斷電狀態(tài)，載荷內(nèi)部在月夜溫度零下52℃的情況下，所攜帶的六種生物將結(jié)束本次科普試驗使命。
那么，除了照片以外，我們是否有辦法了解在這200多個小時中，位于月球背面的植物究竟經(jīng)歷了什么嗎？
雖然我們笑稱太空種菜是中國人種族天賦的延續(xù)。但作為航天技術(shù)的后發(fā)國家，我們不得不承認在這方面，美國還是走在我們前面。上世紀40年代，美國就將玉米種子發(fā)射升空并成功回收。此后，隨著航天技術(shù)的發(fā)展，植物栽培實驗基本成為航天活動，尤其是宇宙空間站的標配�？梢哉f，太空生命科學研究一直是航天研究的熱門領(lǐng)域。
2016年1月，美國宇航員斯科特-凱利在國際空間站中培育出了一朵百日菊，成為第一株在外太空開放的花朵。
2017年4月，NASA的新一代先進植物培養(yǎng)器（Advanced Plant Habitat，APH）搭載聯(lián)盟號MS-04貨運飛船抵達國際空間站，按計劃展開植物生理學及太空新鮮食物種植（ growth of fresh food in space）的研究。
這不就是太空種菜嗎？不要以為換個馬甲就能騙過我們�。∟ASA Facts：Advanced Plant Habitat）
同時，為了檢測植物在太空中的生長狀況，NASA肯尼迪航天中心的工程師使用FluorPen葉綠素熒光儀檢測培養(yǎng)器的擬南芥。
葉綠素熒光？這是什么？
簡單來說，葉綠素熒光是植物光合系統(tǒng)反應(yīng)中心在照光后發(fā)出了一種紅色的熒光。檢測葉綠素熒光動態(tài)變化的技術(shù)即為葉綠素熒光技術(shù)，檢測整個葉片乃至整株植物葉綠素熒光并成像的技術(shù)即為葉綠素熒光成像技術(shù)。
Kautsky 與 Hirsch 于1931年首次發(fā)表論文“CO2同化新實驗”報道了用肉眼發(fā)現(xiàn)葉綠素熒光現(xiàn)象：經(jīng)過暗適應(yīng)的植物材料照光后，葉綠素熒光先迅速上升到一個最大值，然后逐漸下降，最后達到一個穩(wěn)定值（這種現(xiàn)象后被稱作“Kautsky effect”即Kautsky誘導效應(yīng)），熒光強度的變化與CO2同化速率呈負相關(guān)。
The use of chlorophyll a fluorescence measurements to examine photosynthetic performance and stress in algae and plants is now widespread in physiological and ecophysiological studies. (Baker, 2008)——Neil R. Baker，埃塞克斯大學教授，其葉綠素熒光權(quán)威綜述文章《Chlorophyll Fluorescence: A Probe of Photosynthesis In Vivo》引用次數(shù)達2200次
目前，葉綠素熒光成像技術(shù)廣泛用于植物生理、植物抗逆、作物育種、突變株篩選等各種植物與作物研究中，甚至直接預(yù)測植物的存活情況，是科學界公認的最快速、無損檢測植物光合能力與逆境生理的重要技術(shù)之一。
死或生？這是個問題——使用葉綠素熒光成像技術(shù)預(yù)測干旱脅迫下植物的死亡率（Guadagno C R, et al. 2017）
除了葉綠素熒光成像技術(shù)以外，類似的植物檢測技術(shù)還有RGB彩色成像與Ladar 3D成像技術(shù)（植物形態(tài)）、高光譜成像技術(shù)（植物反射光譜）、紅外熱成像技術(shù)（植物溫度）等。這四種技術(shù)并稱為四大植物表型無損檢測技術(shù)。
先不說太空種菜的問題，實際上現(xiàn)在在地球上種菜都已經(jīng)面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織2014年報告，三大主要谷物水稻、小麥和玉米的年產(chǎn)量增長率從1960-1990年的2.19-2.95%下降到1990-2010年的0.79-1.74%。而傳統(tǒng)育種已經(jīng)很難滿足三大主要谷物的增產(chǎn)需求。除了保障耕種面積和維護生態(tài)環(huán)境，最有效的措施是開發(fā)利用優(yōu)良的作物品種和先進的栽培技術(shù)，與之相關(guān)的工作都需要對大量植株的各種特征和性狀即表型的鑒別與分析，以及對復雜的植物生長環(huán)境的監(jiān)測與控制。在解決迫在眉睫的糧食安全問題上，以葉綠素熒光成像技術(shù)為核心的植物表型無損檢測技術(shù)將位于非常重要的位置。不但科學界對植物表型檢測技術(shù)寄予厚望，在各國政府的支持下，各個國內(nèi)外研究機構(gòu)已經(jīng)建立了數(shù)十個大型和超大型植物表型分析平臺。
為了實現(xiàn)在太空刷火鍋的夢想，沖鴨！
雖然我們笑稱太空種菜是中國人種族天賦的延續(xù)。但作為航天技術(shù)的后發(fā)國家，我們不得不承認在這方面，美國還是走在我們前面。上世紀40年代，美國就將玉米種子發(fā)射升空并成功回收。此后，隨著航天技術(shù)的發(fā)展，植物栽培實驗基本成為航天活動，尤其是宇宙空間站的標配�？梢哉f，太空生命科學研究一直是航天研究的熱門領(lǐng)域。
2016年1月，美國宇航員斯科特-凱利在國際空間站中培育出了一朵百日菊，成為第一株在外太空開放的花朵。
同時，為了檢測植物在太空中的生長狀況，NASA肯尼迪航天中心的工程師使用FluorPen葉綠素熒光儀檢測培養(yǎng)器的擬南芥。
簡單來說，葉綠素熒光是植物光合系統(tǒng)反應(yīng)中心在照光后發(fā)出了一種紅色的熒光。檢測葉綠素熒光動態(tài)變化的技術(shù)即為葉綠素熒光技術(shù)，檢測整個葉片乃至整株植物葉綠素熒光并成像的技術(shù)即為葉綠素熒光成像技術(shù)。
Kautsky 與 Hirsch 于1931年首次發(fā)表論文“CO2同化新實驗”報道了用肉眼發(fā)現(xiàn)葉綠素熒光現(xiàn)象：經(jīng)過暗適應(yīng)的植物材料照光后，葉綠素熒光先迅速上升到一個最大值，然后逐漸下降，最后達到一個穩(wěn)定值（這種現(xiàn)象后被稱作“Kautsky effect”即Kautsky誘導效應(yīng)），熒光強度的變化與CO2同化速率呈負相關(guān)。
Kautsky最先發(fā)表科學論文描述葉綠素熒光誘導效應(yīng)（Kautsky，1931）
葉綠素熒光動態(tài)測量分析是葉綠素熒光技術(shù)的核心內(nèi)容，也是葉綠素熒光得以成為植物（包括藻類）生理生態(tài)研究重要內(nèi)容的關(guān)鍵。Butler于1978年提出PSII光化學反應(yīng)、葉綠素熒光及熱散失三者的能量競爭模型，認為PSII反應(yīng)中心將電子傳遞給原初電子受體QA，導致Kautsky誘導效應(yīng)中的葉綠素熒光降低（“葉綠素熒光淬滅”），稱為光化學淬滅（photochemical quenching），而由于熱散失導致的葉綠素熒光淬滅則稱為非光化淬滅（nonphotochemical quenching）。要通過葉綠素熒光估算光合作用強度（光化學反應(yīng)），關(guān)鍵是要確定葉綠素熒光光化學淬滅過程和非光化學淬滅過程。Butler的光合作用能量競爭模型成為葉綠素熒光技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。
光系統(tǒng)能量競爭模型示意圖
Chlorophyll fluorescence is one of the most rapid and noninvasive tools for monitoring photosynthetic performance of plants under biotic and abiotic stress. (Lu et al., 2001)——盧從明，中國科學院植物研究所光生物學重點實驗室主任，最早應(yīng)用葉綠素熒光技術(shù)的中國科學家之一The use of chlorophyll a fluorescence measurements to examine photosynthetic performance and stress in algae and plants is now widespread in physiological and ecophysiological studies. (Baker, 2008)——Neil R. Baker，埃塞克斯大學教授，其葉綠素熒光權(quán)威綜述文章《Chlorophyll Fluorescence: A Probe of Photosynthesis In Vivo》引用次數(shù)達2200次
目前，葉綠素熒光成像技術(shù)廣泛用于植物生理、植物抗逆、作物育種、突變株篩選等各種植物與作物研究中，甚至直接預(yù)測植物的存活情況，是科學界公認的最快速、無損檢測植物光合能力與逆境生理的重要技術(shù)之一。
除了葉綠素熒光成像技術(shù)以外，類似的植物檢測技術(shù)還有RGB彩色成像與Ladar 3D成像技術(shù)（植物形態(tài)）、高光譜成像技術(shù)（植物反射光譜）、紅外熱成像技術(shù)（植物溫度）等。這四種技術(shù)并稱為四大植物表型無損檢測技術(shù)。
先不說太空種菜的問題，實際上現(xiàn)在在地球上種菜都已經(jīng)面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織2014年報告，三大主要谷物水稻、小麥和玉米的年產(chǎn)量增長率從1960-1990年的2.19-2.95%下降到1990-2010年的0.79-1.74%。而傳統(tǒng)育種已經(jīng)很難滿足三大主要谷物的增產(chǎn)需求。除了保障耕種面積和維護生態(tài)環(huán)境，最有效的措施是開發(fā)利用優(yōu)良的作物品種和先進的栽培技術(shù)，與之相關(guān)的工作都需要對大量植株的各種特征和性狀即表型的鑒別與分析，以及對復雜的植物生長環(huán)境的監(jiān)測與控制。在解決迫在眉睫的糧食安全問題上，以葉綠素熒光成像技術(shù)為核心的植物表型無損檢測技術(shù)將位于非常重要的位置。不但科學界對植物表型檢測技術(shù)寄予厚望，在各國政府的支持下，各個國內(nèi)外研究機構(gòu)已經(jīng)建立了數(shù)十個大型和超大型植物表型分析平臺。
部分已經(jīng)建設(shè)的PlantScreen植物表型成像分析平臺
雖然把葉綠素熒光技術(shù)應(yīng)用在太空種菜上，國外走在了我們前面。但在未來我們中國的空間站上一定要用上更先進的植物表型成像技術(shù)。為了實現(xiàn)在太空刷火鍋的夢想，沖鴨！
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