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如何在太空种菜?这项技术将给出答案

如何在太空种菜?这项技术将给出答案


上周,嫦娥四号上搭载的生物科普试验载荷显示试验搭载的棉花种子已长出嫩芽,这是在经历月球低重力、强辐射、高温差等严峻环境考验后,月球上萌发出的第一株植物。据重庆市政府发布会消息,科普载荷随嫦娥四号登陆月球的第一天(1月3日)23:18分加电开机后,载荷内微型生态系统开始进入生物月面生长发育模式。从开机到1月12日20点地面发送了生物科普试验载荷断电指令,载荷正常关机,生物科普试验载荷在轨工作状态良好,累计工作时间长达212.75小时,主副相机累计拍照34次,下传照片170多幅。目前,生物科普试验载荷已进入断电状态,载荷内部在月夜温度零下52℃的情况下,所携带的六种生物将结束本次科普试验使命。

                                             

那么,除了照片以外,我们是否有办法了解在这200多个小时中,位于月球背面的植物究竟经历了什么吗?

虽然我们笑称太空种菜是中国人种族天赋的延续。但作为航天技术的后发国家,我们不得不承认在这方面,美国还是走在我们前面。上世纪40年代,美国就将玉米种子发射升空并成功回收。此后,随着航天技术的发展,植物栽培实验基本成为航天活动,尤其是宇宙空间站的标配。可以说,太空生命科学研究一直是航天研究的热门领域。

2016年1月,美国宇航员斯科特-凯利在国际空间站中培育出了一朵百日菊,成为第一株在外太空开放的花朵。

2017年4月,NASA的新一代先进植物培养器(Advanced Plant Habitat,APH)搭载联盟号MS-04货运飞船抵达国际空间站,按计划展开植物生理学及太空新鲜食物种植( growth of fresh food in space的研究。

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这不就是太空种菜吗?不要以为换个马甲就能骗过我们!(NASA Facts:Advanced Plant Habitat)

    同时,为了检测植物在太空中的生长状况,NASA肯尼迪航天中心的工程师使用FluorPen叶绿素荧光仪检测培养器的拟南芥。

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叶绿素荧光?这是什么?

简单来说,叶绿素荧光是植物光合系统反应中心在照光后发出了一种红色的荧光。检测叶绿素荧光动态变化的技术即为叶绿素荧光技术,检测整个叶片乃至整株植物叶绿素荧光并成像的技术即为叶绿素荧光成像技术。

Kautsky 与 Hirsch 于1931年首次发表论文“CO2同化新实验”报道了用肉眼发现叶绿素荧光现象:经过暗适应的植物材料照光后,叶绿素荧光先迅速上升到一个最大值,然后逐渐下降,最后达到一个稳定值(这种现象后被称作“Kautsky effect”即Kautsky诱导效应),荧光强度的变化与CO2同化速率呈负相关。

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Kautsky最先发表科学论文描述叶绿素荧光诱导效应(Kautsky,1931)

叶绿素荧光动态测量分析是叶绿素荧光技术的核心内容,也是叶绿素荧光得以成为植物(包括藻类)生理生态研究重要内容的关键。Butler于1978年提出PSII光化学反应、叶绿素荧光及热散失三者的能量竞争模型,认为PSII反应中心将电子传递给原初电子受体QA,导致Kautsky诱导效应中的叶绿素荧光降低(“叶绿素荧光淬灭”),称为光化学淬灭(photochemical quenching),而由于热散失导致的叶绿素荧光淬灭则称为非光化淬灭(nonphotochemical quenching)。要通过叶绿素荧光估算光合作用强度(光化学反应),关键是要确定叶绿素荧光光化学淬灭过程和非光化学淬灭过程。Butler的光合作用能量竞争模型成为叶绿素荧光技术的重要理论基础。

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光系统能量竞争模型示意图

Chlorophyll uorescence is one of the most rapid and noninvasive tools for monitoring photosynthetic performance of plants under biotic and abiotic stress. (Lu et al., 2001)

——卢从明,中国科学院植物研究所光生物学重点实验室主任,最早应用叶绿素荧光技术的中国科学家之一

The use of chlorophyll a uorescence measurements to examine photosynthetic performance and stress in algae and plants is now widespread in physiological and ecophysiological studies. (Baker, 2008)

——Neil R. Baker,埃塞克斯大学教授,其叶绿素荧光权威综述文章《Chlorophyll Fluorescence: A Probe of Photosynthesis In Vivo》引用次数达2200次

目前,叶绿素荧光成像技术广泛用于植物生理、植物抗逆、作物育种、突变株筛选等各种植物与作物研究中,甚至直接预测植物的存活情况,是科学界公认的最快速、无损检测植物光合能力与逆境生理的重要技术之一。

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死或生?这是个问题——使用叶绿素荧光成像技术预测干旱胁迫下植物的死亡率(Guadagno C R, et al. 2017)

除了叶绿素荧光成像技术以外,类似的植物检测技术还有RGB彩色成像与Ladar 3D成像技术(植物形态)、高光谱成像技术(植物反射光谱)、红外热成像技术(植物温度)等。这四种技术并称为四大植物表型无损检测技术。

先不说太空种菜的问题,实际上现在在地球上种菜都已经面临严峻的挑战。据联合国粮农组织2014年报告,三大主要谷物水稻、小麦和玉米的年产量增长率从1960-1990年的2.19-2.95%下降到1990-2010年的0.79-1.74%。而传统育种已经很难满足三大主要谷物的增产需求。除了保障耕种面积和维护生态环境,最有效的措施是开发利用优良的作物品种和先进的栽培技术,与之相关的工作都需要对大量植株的各种特征和性状即表型的鉴别与分析,以及对复杂的植物生长环境的监测与控制。在解决迫在眉睫的粮食安全问题上,以叶绿素荧光成像技术为核心的植物表型无损检测技术将位于非常重要的位置。不但科学界对植物表型检测技术寄予厚望,在各国政府的支持下,各个国内外研究机构已经建立了数十个大型和超大型植物表型分析平台。

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部分已经建设的PlantScreen植物表型成像分析平台

虽然把叶绿素荧光技术应用在太空种菜上,国外走在了我们前面。但在未来我们中国的空间站上一定要用上更先进的植物表型成像技术。

为了实现在太空刷火锅的梦想,冲鸭!