我們能在火星種土豆嗎—太空生物學(xué)技術(shù)方案（二）

      在科幻大片《火星救援》中，馬特·達(dá)蒙飾演的植物學(xué)家，依靠僅有的少量資源，就奇跡般地種植出了批量的“火星土豆”。        那么現(xiàn)實中，我們能在火星種土豆嗎？美國國家航空航天局NASA與國際土豆中心CIP聯(lián)合開展了一項名為“Potatoes on Mars”的研究計劃。除了地球上的模擬實驗外，研究小組在2017年設(shè)計了一顆立方星（CubeSat）。立方星可模擬火星的土壤、溫度、氣壓、氧氣和二氧化碳的含量，攜帶土豆塊莖搭乘運載火箭發(fā)射到太空軌道。立方星攜帶的實驗監(jiān)控相機(jī)，傳回了土豆新芽破土而出的照片，初步證明在火星種植土豆是可行的。       但是利用立方星進(jìn)行太空培養(yǎng)試驗會有兩個問題，一是成本過高；二是除了獲得圖像以外，幾乎無法進(jìn)行任何植物生理與表型測量。所以更多的研究還是在地面上進(jìn)行。在近年的研究中，科學(xué)家利用最新的植物表型研究技術(shù)來綜合評估土豆在火星環(huán)境下的生長狀況，以及如何能在火星上更好地種土豆。下面介紹一下最新的研究成果。
 
      那不勒斯費德里科二世大學(xué)在意大利航天局支持下，開展了火星土豆培養(yǎng)模擬實驗。
      火星土壤中雖然含有K、Ca、Mg、Fe等植物生長必需的無機(jī)元素，但缺乏C、N、P、S等有機(jī)元素，同時也沒有足夠的土壤持水量。研究人員希望通過在火星土壤中添加綠色堆肥，改善土豆的生長狀況。研究中使用了6種培養(yǎng)基質(zhì)來種植土豆：100% MMS-1火星風(fēng)化層模擬物（R100）；70%MMS-1+30%綠色堆肥（R70C30）；100%沖積沙（S100）；70%沖積沙1+30%綠色堆肥（S70C30）；紅土（RS）；火山土（VS）。

      絕大部分高等植物都是通過光合作用來實現(xiàn)自養(yǎng)的生物，土豆當(dāng)然也不例外。衡量其生長活力最關(guān)鍵的指標(biāo)自然是土豆的光合能力能否維持其生長。研究人員利用ADC光合儀在塊莖填充期和葉片衰老期檢測了凈光合速率NP、氣孔導(dǎo)度gs、蒸騰速率E，同時利用FluorPen100手持式葉綠素?zé)晒鈨x檢測了光系統(tǒng)II最大光化學(xué)效率Fv/Fm、光系統(tǒng)II量子產(chǎn)額ΦPSII、電子傳遞速率ETR和非光化學(xué)淬滅系數(shù)NPQ。結(jié)果表明，在火星土中添加堆肥，一定程度提高了凈光合速率NP，同時顯著降低了氣孔導(dǎo)度gs和蒸騰速率E。說明堆肥處理維持了CO₂固定效率，同時還降低了對水分的損耗。葉綠素?zé)晒鈹?shù)據(jù)方面，火星土堆肥提高了土豆的光系統(tǒng)II量子產(chǎn)額ΦPSII和電子傳遞速率ETR，說明堆肥對光系統(tǒng)的作用主要體現(xiàn)在提高了光系統(tǒng)的光能轉(zhuǎn)化效率。       在土豆的生長過程中，定期測量植株高度、葉片數(shù)、葉面積等地上部形態(tài)指標(biāo)。實驗結(jié)束后，取出根系測量根長、根表面積、根系體積、平均直徑等根系形態(tài)指標(biāo)。結(jié)果表明，在火星土中添加堆肥，顯著提高了多項地上部和根系的形態(tài)指標(biāo)，這與光合作用數(shù)據(jù)結(jié)果是有密切的相關(guān)性的。       結(jié)合最終對塊莖的品質(zhì)檢測，這一研究證明了綠色堆肥可以很好地改善火星土的理化特性和肥力。結(jié)合我們上一期介紹的相關(guān)研究，在未來人類登陸火星后，航天員可以利用藻類培養(yǎng)生產(chǎn)堆肥，然后再用堆肥改善土壤種植作物，實現(xiàn)火星上的食物自給。
上期鏈接：藍(lán)藻是否能夠在外星生存——易科泰太空生物學(xué)技術(shù)方案（一）
 
易科泰植物太空生物學(xué)技術(shù)方案

• LED光源與智能培養(yǎng)

• 全LED光源，培養(yǎng)光強(qiáng)最高達(dá)3000 μmol photons m^-2 s^-1，光譜組成可根據(jù)用戶需求定制
• 精確調(diào)控光照強(qiáng)度、光譜組成、光周期、溫度、CO₂濃度等環(huán)境指標(biāo)
• 可結(jié)合各種植物表型成像傳感器，實現(xiàn)培養(yǎng)過程中的自動化無人值守表型測量
• 可配備基于蒸滲儀技術(shù)的iPOT數(shù)字化培養(yǎng)盆，全面監(jiān)測重量變化、土壤水分與溫度等土壤理化指標(biāo)

• 植物光合與表型成像技術(shù)

• 完備的植物光合檢測方案，適用于各種植物樣品和測量環(huán)境，包括ADC LCpro光合儀、FluorPen手持式葉綠素?zé)晒鈨x、FluorCam葉綠素?zé)晒獬上駜x、FluorTron植物光合表型成像分析系統(tǒng)等
• 高通量植物表型成像系統(tǒng)，可配備高光譜成像、葉綠素?zé)晒獬上�、多光譜熒光成像，Thermo-RGB©成像等多種表型成像傳感器
• 可無損檢測植物特定營養(yǎng)成分，如花青素、類胡蘿卜素、黃酮、氮素等

• 植物根系表型成像技術(shù)

• 基于RhizoTron®根窗技術(shù)，實現(xiàn)根系表型的原位連續(xù)檢測
• 可同時對根系和幼苗進(jìn)行高光譜成像、RGB成像、UV-MCF紫外光激發(fā)生物熒光高光譜成像、Thermo-RGB成像等測量分析
• 可與LED培養(yǎng)系統(tǒng)、傳送系統(tǒng)結(jié)合，實現(xiàn)大樣品量的高通量自動化連續(xù)監(jiān)測

 
參考文獻(xiàn)：

• CIP: Indicators show potatoes can grow on Mars
• Caporale A G, Paradiso R, Liuzzi G, et al. Green compost amendment improves potato plant performance on Mars regolith simulant as substrate for cultivation in space. Plant and Soil, 2023, 486(1): 217-233

 
北京易科泰生態(tài)技術(shù)公司提供植物培養(yǎng)與表型研究全面技術(shù)方案：
智能LED光源與生長箱
FluorPen手持式葉綠素?zé)晒鈨x
LCpro T智能型光合作用測量系統(tǒng)
FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)
FluorTron植物光合表型成像分析系統(tǒng)
PhenoTron®植物表型成像分析系統(tǒng)
RhizoTron®根系表型成像分析系統(tǒng)