MDPI Life丨太空作物栽培试验

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“能吃到新鲜的食物是每一个宇航员的梦想。”来自挪威科技大学空间跨学科研究中心 (CIRiS) 的植物生理学家Silje Wolff如是说。

从古到今，人类从未停止深空探测的脚步。自2000年以来，人类一直借助国际空间站在太空中生活。为了减少空间站补给、运输量和成本的需求，人们希望能在未来太空中实现现场食品生产，于是生物再生生命支持系统 (BLSS) 应运而生。在过去的半个世纪中，各国政府、航天局已经对BLSS进行了地面上的技术演示和植物研究。但除此之外，BLSS还需要在模拟太空微重力的条件下开展作物栽培实验。微重力环境预计会影响植物生理和营养吸收，从而影响太空作物的生长速度和潜在营养价值。来自挪威空间跨学科研究中心 (CIRiS) 的Silje Wolff等人在Life上发表了一篇论文，介绍了在EU Horizon 2020 TIME SCALE项目中开发的一种先进的农作物种植系统原型，该系统可促进微重力作用下植物栽培研究。

EU H-2020 project TIME SCALE 项目中开发的作物种植系统。

研究人员在以生菜为种植对象的实验中发现作物栽培系统中会出现以下问题：一是生长量会受限，从而导致植物的生理和形态反应；二是养分会供应不足，根系的发育和枝干的气体交换会受到严重影响，特别在微重力条件下；三是养分中的氮含量降低，并使得植物的蒸腾作用也受到影响。针对密闭或闭环栽培生产生菜过程中以上三方面问题，本文作者进行了以下的一系列实验。

根体积实验

实验发现，用于植物生根的大容器 (3.5 L)，苗干质量在最终收获时 (播种35天后) 仅比小容器 (0.6 L)高10%，而大容器的总植物干重仅增加5％。不同容器类型的根芽比率已经从播种25天开始有所不同，而小容器中的植物比大容器也积累了更多的根生物量。但在播种35天之前，除根生物量以外的其他植物参数，如容器总干重，叶面积，植物水分和养分含量在容器尺寸之间没有显著差异。对此，作者认为原因有二：一是由于小容器中较高的根系密度导致根系内部局部的养分浓度较低；另一种解释则是，由于较高的根系密度，小容器中局部根系分泌物浓度可能更高，从而触发了根系生长捕获养分资源的竞争反应。除了根分泌物或养分浓度梯度形式的信号外，根本身还可以对接触做出反应。有限生长环境的边界本身就可能导致根冠比的改变和生根系统的增殖。

营养液量实验

为了确定营养液质量约束的影响，将10棵生长在相对不受限制的营养液中 (100 L，营养液每周更新) 的植株与2棵生长在限制体积3.4 L，营养液24天未更新的植株进行比较。不同溶液量对植株的茎部或根系生物量、根长、根体积、叶面积、植株水分和养分含量、植株形态、叶绿素和黄酮类含量等特性没有显著影响。

硝酸盐浓度实验

硝酸盐浓度影响生菜水培生长的的气孔导度和叶片蒸腾，且在明暗条件下实验体显示出不同的响应。实验观察到，NO3水平在1.25–5 mM之间的植物中蒸腾作用和电导率的增加，以及在较高浓度下的下降，表明黑暗条件下蒸腾作用可能在养分获取中起作用。黑暗下气孔关闭似乎对养分供应更为敏感。如在黑暗中，气孔关闭与光合作用和辐射分离。经过以上实验和猜想，作者认为营养液中的硝酸盐浓度会影响生物量，并且植物在零NO3处理下会表现出强烈的生长迟缓现象，营养液中的NO3浓度同时会影响植物茎和根中的氮含量。此外，植物在硝酸盐浓度低至1.25 mM时未显示出营养胁迫或生长减少的迹象，由此也表明根系直接浸泡在营养液中的水培植株比生长在固体培养基中的植株氮素浓度更低。


明暗条件下营养液中硝态浓度与植物气孔导度（图左）、蒸腾作用（图右）的影响。

与未来空间栽培作物的相关性

先前实验已证明水和养分的供应是植物在太空中生长的一个具有挑战性的方面，并且其供应系统也有待升级。在此基础上，本研究增加了对作物空间栽培所需的认知：(1) 在允许的体积内，生菜种植可以避免生长迟缓或养分胁迫；(2) 对NO3调节植物水通量有了新的认识。向植物供应的NO3浓度在1.25至5 mM之间时会增加气孔导度和蒸腾作用，这在重力降低的条件下将会有益于植物生长。然而，密闭的栽培系统能够支持栽培的天数随容器大小和物种而异。对于本研究中的生菜，最长时间约为24天。24天后，生长和营养液体积的混杂效应可能对重力处理产生影响。

结论

作者通过对于BLSS研究，证明密闭环境和质量约束都有利于资源的回收，并得到如下结论：无土栽培系统在营养液监测、调节和循环利用方面提供了有效的控制；本研究使用的有限根 (0.6 L) 和营养液容量 (每两株3.4 L) 的深水培养，在至少24天内能提供稳定可靠的植株生长和高生物量产量；硝酸盐浓度低至1.25 mM不会降低生物量和植物氮含量；如预期的那样，营养液中不含硝酸盐会导致蒸腾作用和电导率低。

通讯作者Silje Wolff在接受采访时表示，NTNU正在创建用于在太空中种植蔬菜的种植机。她说：“新鲜的食物对宇航员极具吸引力，三年内他们能够在国际空间站上种些生菜，制作沙拉。”现在，研究人员已经完成了生菜试验，他们正着手进行豆类试验。预计2021年，将实现在太空中种植豆类这一目标。
参考文献：
论文标题：Testing New Concepts for Crop Cultivation in Space: Effects of Rooting Volume and Nitrogen Availability

期刊：Life

作者：Silje A. Wolff, Carolina F. Palma, Leo Marcelis, Ann-Iren Kittang Jost and Sander H. Van Delden

发表时间：6 October 2018

DOI：10.3390/life8040045

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期刊链接：https://www.mdpi.com/journal/life

jchengz

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