我们能在火星种土豆吗——易科泰太空生物学技术方案（二）

       在科幻大片《火星救援》中，马特·达蒙饰演的植物学家，依靠仅有的少量资源，就奇迹般地种植出了批量的“火星土豆”。

《火星救援》影片中的“阿瑞斯三号”火星基地和“火星土豆”

        那么现实中，我们能在火星种土豆吗？美国国家航空航天局NASA与国际土豆中心CIP联合开展了一项名为“Potatoes on Mars”的研究计划。除了地球上的模拟实验外，研究小组在2017年设计了一颗立方星（CubeSat）。立方星可模拟火星的土壤、温度、气压、氧气和二氧化碳的含量，携带土豆块茎搭乘运载火箭发射到太空轨道。立方星携带的实验监控相机，传回了土豆新芽破土而出的照片，初步证明在火星种植土豆是可行的。

 左图：立方星地面测试；右图：土豆在立方星中发芽

       但是利用立方星进行太空培养试验会有两个问题，一是成本过高；二是除了获得图像以外，几乎无法进行任何植物生理与表型测量。所以更多的研究还是在地面上进行。在近年的研究中，科学家利用zui新的植物表型研究技术来综合评估土豆在火星环境下的生长状况，以及如何能在火星上更好地种土豆。下面介绍一下zui新的研究成果。

       那不勒斯费德里科二世大学在意大利航天局支持下，开展了火星土豆培养模拟实验。

       火星土壤中虽然含有K、Ca、Mg、Fe等植物生长必需的无机元素，但缺乏C、N、P、S等有机元素，同时也没有足够的土壤持水量。研究人员希望通过在火星土壤中添加绿色堆肥，改善土豆的生长状况。研究中使用了6种培养基质来种植土豆：100% MMS-1火星风化层模拟物（R100）；70%MMS-1+30%绿色堆肥（R70C30）；100%冲积沙（S100）；70%冲积沙1+30%绿色堆肥（S70C30）；红土（RS）；火山土（VS）。

       绝大部分高等植物都是通过光合作用来实现自养的生物，土豆当然也不例外。衡量其生长活力zui关键的指标自然是土豆的光合能力能否维持其生长。研究人员利用ADC光合仪在块茎填充期和叶片衰老期检测了净光合速率NP、气孔导度gs、蒸腾速率E，同时利用FluorPen100手持式叶绿素荧光仪检测了光系统IIzui大光化学效率Fv/Fm、光系统II量子产额ΦPSII、电子传递速率ETR和非光化学淬灭系数NPQ。结果表明，在火星土中添加堆肥，一定程度提高了净光合速率NP，同时显著降低了气孔导度gs和蒸腾速率E。说明堆肥处理维持了CO2固定效率，同时还降低了对水分的损耗。叶绿素荧光数据方面，火星土堆肥提高了土豆的光系统II量子产额ΦPSII和电子传递速率ETR，说明堆肥对光系统的作用主要体现在提高了光系统的光能转化效率。

左图：不同培养基质种植土豆的光合仪数据；右图：叶绿素荧光数据

       在土豆的生长过程中，定期测量植株高度、叶片数、叶面积等地上部形态指标。实验结束后，取出根系测量根长、根表面积、根系体积、平均直径等根系形态指标。结果表明，在火星土中添加堆肥，显著提高了多项地上部和根系的形态指标，这与光合作用数据结果是有密切的相关性的。

左图：不同培养基质种植土豆的地上部形态数据；右图：不同根系直径分级的根系长度

       结合zui终对块茎的品质检测，这一研究证明了绿色堆肥可以很好地改善火星土的理化特性和肥力。结合我们上一期介绍的相关研究，在未来人类登陆火星后，航天员可以利用藻类培养生产堆肥，然后再用堆肥改善土壤种植作物，实现火星上的食物自给。

       上期链接：蓝藻是否能够在外星生存——易科泰太空生物学技术方案（一）

易科泰植物太空生物学技术方案

1. LED光源与智能培养

· 全LED光源，培养光强zui高达3000 μmol photons m-2 s-1，光谱组成可根据用户需求定制

· 精确调控光照强度、光谱组成、光周期、温度、CO2浓度等环境指标

· 可结合各种植物表型成像传感器，实现培养过程中的自动化无人值守表型测量

· 可配备基于蒸渗仪技术的iPOT数字化培养盆，全面监测重量变化、土壤水分与温度等土壤理化指标

2. 植物光合与表型成像技术

· 完备的植物光合检测方案，适用于各种植物样品和测量环境，包括ADC LCpro光合仪、FluorPen手持式叶绿素荧光仪、FluorCam叶绿素荧光成像仪、FluorTron植物光合表型成像分析系统等

· 高通量植物表型成像系统，可配备高光谱成像、叶绿素荧光成像、多光谱荧光成像，Thermo-RGB©成像等多种表型成像传感器

· 可无损检测植物特定营养成分，如花青素、类胡萝卜素、黄酮、氮素等

3. 植物根系表型成像技术

· 基于RhizoTron®根窗技术，实现根系表型的原位连续检测

· 可同时对根系和幼苗进行高光谱成像、RGB成像、UV-MCF紫外光激发生物荧光高光谱成像、Thermo-RGB成像等测量分析

· 可与LED培养系统、传送系统结合，实现大样品量的高通量自动化连续监测

参考文献：

1. CIP: Indicators show potatoes can grow on Mars

2. 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

北京易科泰生态技术公司提供植物培养与表型研究全面技术方案：

· 智能LED光源与生长箱

· FluorPen手持式叶绿素荧光仪

· LCpro T智能型光合作用测量系统

· FluorCam叶绿素荧光成像系统

· FluorTron植物光合表型成像分析系统

· PhenoTron®植物表型成像分析系统

· RhizoTron®根系表型成像分析系统