NASA科学家讲述零重力种菜经

[-]
宇航员Cady Coleman在柯仑比亚航天飞机上收获我们的植物。NASA, CC BY

重力是地球上所有生物体的常量，它影响我们生理、行为和发育的方方面面——不管你是哪种生物，你在演化环境里都是由重力让你接上地气。

但是，当你离开熟悉环境，被放到演化经验之外的情况中，会发生什么？这也是我们每天都会问实验室里的植物们的问题。一开始它们是种在这里的地面实验室中，但它们也正在去往太空的旅途之中。对于一株植物来说，还有什么环境能比零重力太空飞行更新奇呢？

通过研究植物对于太空生活会有什么反应，我们能更好地学习它们如何适应环境变迁。植物不仅对于地球生命的几乎所有方面至关重要，它们对我们探索宇宙更为关键。当我们展望太空殖民的可能未来，了解植物在离星条件下如何表现对我们生死攸关，我们然后才可以依赖它们在太空前哨站里循环空气和水，并为我们提供食物。(相关蛋文：太空作物丰收：宇航员一小口，人类一大口)

[-]
宇航员Jeff Williams在国际空间站上收获我们的拟南芥植株。NASA, CC BY

所以，即使我们还在这里呆在地上，我们的研究植物已经升空飞往国际空间站。它们已经就零重力生长带给我们一些惊喜——也动摇了我们关于植物在地球上如何生长的一些想法。

从重压下的植物身上学习

如果你对环境压力感兴趣，植物就是特别好的研究对象。因为它们只能呆着不动——生物学家们所谓的固着生物——植物必须机智地就地应对环境扔给它们的任何状况，它们没有移动到更有利地点这个选项，对于改变周遭环境也做不了什么。

但它们能做的是改变它们的内部“环境”——而植物是操控新陈代谢来应付周遭滋扰的大师。这种特性正是我们在研究中使用植物的原因之一；即使是在新奇的太空环境里，我们也信任它们会敏感地汇报环境改变。

自从我们有能力进入太空以来，人们一直好奇于植物对太空旅行如何反应。早在1999年，我们在哥伦比亚号航天飞机上搭载了我们的第一项太空飞行实验，而那时我们学到的东西至今仍在助力关于植物如何应对重力缺失的新假说。

[-]
本文作者Robert Ferl(前)和Anna-Lisa Paul(中)在NASA自由落体飞机的微重力环境中进行植物实验。NASA, CC BY

身在佛罗里达，研究植物在太空

[-]
高级生物研究系统太空飞行硬件显示了带有植物的培养皿。Anna-Lisa Paul, CC BY

太空飞行需要专门的生长栖息地，专门的观察和采样工具，以及当然，在轨道上照顾它们的专门人员。

一个典型的实验以地球上我们实验室中在营养凝胶培养皿里种植休眠中的拟南芥种子开始。这种凝胶(不像土壤)在零重力下不会散开，并提供植物生长所需的水和养分。植物然后用黑布包裹着送往甘乃迪太空中心，最终装载在猎鹰9号火箭顶部的龙式太空舱里，飞往ISS。

一旦对接，一名宇航员把这些培养皿插入植物生长硬件，其内部光线刺激种子发芽，照相机随时间推移记录幼苗的成长，到实验结束，宇航员收获生长了12天的植物，用管子保存起来。

一旦保存的样品送回给地球上的我们，就能跑更多的实验，来调查植物在轨道上进行的独特代谢过程。

[-]
我们和同事们建造的成像系统，用于在自由落体飞行中捕获植物基因表达荧光数据，最终用于亚轨道飞行。Robert Ferl, CC BY

在实验室中揭秘

我们最早发现的事情之一是，每个人都假定需要重力参与的某些根系生长策略根本就不需要重力。

为了寻找水和养分，植物需要向外生长根系。在地球上，重力是生长方向最重要的“线索”，但植物也使用触觉(可以把根尖想成是敏感的指尖)来帮助绕过障碍。

早在1880年，达尔文发现植物在倾斜表面上生长时，根系并不向四周生长，而是朝向一边。这种根系生长策略叫做“斜向生长模式”。达尔文假说这是由重力和根系接触表面的共同作用导致的——而130年来，每个人也都是这么想的。

根系斜向生长——无需重力

但在2010年，我们看到我们种在ISS上的植物根系在培养皿表面以完美的斜向方式生长——并不需要重力，这让我们大吃一斤。既然明显不是重力，那轨道上斜向生长的原因是什么呢？

ISS上的植物确实有获得生长方向线索的第二潜在信息来源：光。我们假说当缺少重力把根系指向“远离”茎叶方向时，光就扮演了引导根系的更重要角色。

而我们发现的是，光确实重要，但不是任何光线都可以——必须有一个渐变的光线强度才能有效指引。这就好像好闻的气味：当曲奇刚出炉时你可以闭着眼睛找到厨房，但等整个房子都溢满巧克力曲奇的香气时，你就找不到路了。

它们即时调整代谢工具箱

在没有重力的情况下，植物不能使用通常的导航“工具”，因此只得拼凑出另一套方案。它们能通过调控基因表达方式，制造或多或少有帮助的特定蛋白质。植物的不同部位都会做出自己的基因调控策略。

发光植物能让我们看到哪些基因活跃，因此我们就知道哪些蛋白质被制造。

我们发现一些涉及生成和重塑细胞壁的基因在太空生长植物中被不同地表达。涉及光感的其他基因——在地球上通常表达在叶上——在ISS上在根部得到表达。在叶中很多与植物激素信号有关的基因被抑制，而与昆虫防御有关的基因则更加活跃。在涉及信号、细胞壁代谢和防御的蛋白质的相对丰度中也能看到同样趋势。

这些基因和蛋白质的模式在向我们讲述故事——植物在微重力下的反应是松动细胞壁，以及创造感应环境的新方式。

[-]
改造过的拟南芥植物。绿色显示绿色荧光蛋白质(GFP)表达的地点，红色显示叶绿素的天然荧光。Anna-Lisa Paul, CC BY

我们用荧光标记特定蛋白质实时追踪这些基因表达改变，经改造带有发光荧光蛋白质的植物就能随时“报告”它们如何响应环境，这些改造过的植物就能作为生物感应器。专门的照相机和显微镜让我们跟踪植物如何利用这些荧光蛋白质。

作者们在地球上重建微重力条件的“呕吐彗星”号上。

来自太空的见解

这种研究在根本的分子水平上更新了我们对植物如何应对外部刺激的理解。我们对于植物如何应对新奇和极端环境了解得更多，对理解地球上的植物如何应付所面临的环境变化就更有备无患。

当然我们的研究也有助于使我们的生物学走出这个星球的集体努力。重力并不像我们曾经认为的那样对植物性命攸关，这项观察对于在其它低重力行星、甚至无重力太空船上的农业前景是个好消息。人类是探索者，当我们离开地球轨道，我们必然会带上植物同行！

本文译自 TheConversation，由 王丢兜 编辑发布。