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        來源:Life 發布時間:2021/6/18 18:49:49
        選擇字號:
        MDPI Life丨太空作物栽培試驗

        論文標題: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

        發表時間:6 October 2018

        DOI:10.3390/life8040045

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        https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI1MzEzNjgxMQ==&mid=2649999593&idx=3&sn=

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        期刊鏈接:https://www.mdpi.com/journal/life

        “能吃到新鮮的食物是每一個宇航員的夢想。”來自挪威科技大學空間跨學科研究中心 (CIRiS) 的植物生理學家Silje Wolff如是說。

        從古到今,人類從未停止深空探測的腳步。自2000年以來,人類一直借助國際空間站在太空中生活。為了減少空間站補給、運輸量和成本的需求,人們希望能在未來太空中實現現場食品生產,于是生物再生生命支持系統 (BLSS) 應運而生。在過去的半個世紀中,各國政府、航天局已經對BLSS進行了地面上的技術演示和植物研究。但除此之外,BLSS還需要在模擬太空微重力的條件下開展作物栽培實驗。微重力環境預計會影響植物生理和營養吸收,從而影響太空作物的生長速度和潛在營養價值。來自挪威空間跨學科研究中心 (CIRiS) 的Silje Wolff等人在Life上發表了一篇論文,介紹了在EU Horizon 2020 TIME SCALE項目中開發的一種先進的農作物種植系統原型,該系統可促進微重力作用下植物栽培研究。

        EU H-2020 project TIME SCALE 項目中開發的作物種植系統。

        研究人員在以生菜為種植對象的實驗中發現作物栽培系統中會出現以下問題:一是生長量會受限,從而導致植物的生理和形態反應;二是養分會供應不足,根系的發育和枝干的氣體交換會受到嚴重影響,特別在微重力條件下;三是養分中的氮含量降低,并使得植物的蒸騰作用也受到影響。針對密閉或閉環栽培生產生菜過程中以上三方面問題,本文作者進行了以下的一系列實驗。

        根體積實驗

        實驗發現,用于植物生根的大容器 (3.5 L),苗干質量在最終收獲時 (播種35天后) 僅比小容器 (0.6 L)高10%,而大容器的總植物干重僅增加5%。不同容器類型的根芽比率已經從播種25天開始有所不同,而小容器中的植物比大容器也積累了更多的根生物量。但在播種35天之前,除根生物量以外的其他植物參數,如容器總干重,葉面積,植物水分和養分含量在容器尺寸之間沒有顯著差異。對此,作者認為原因有二:一是由于小容器中較高的根系密度導致根系內部局部的養分濃度較低;另一種解釋則是,由于較高的根系密度,小容器中局部根系分泌物濃度可能更高,從而觸發了根系生長捕獲養分資源的競爭反應。除了根分泌物或養分濃度梯度形式的信號外,根本身還可以對接觸做出反應。有限生長環境的邊界本身就可能導致根冠比的改變和生根系統的增殖。

        營養液量實驗

        為了確定營養液質量約束的影響,將10棵生長在相對不受限制的營養液中 (100 L,營養液每周更新) 的植株與2棵生長在限制體積3.4 L,營養液24天未更新的植株進行比較。不同溶液量對植株的莖部或根系生物量、根長、根體積、葉面積、植株水分和養分含量、植株形態、葉綠素和黃酮類含量等特性沒有顯著影響。

        硝酸鹽濃度實驗

        硝酸鹽濃度影響生菜水培生長的的氣孔導度和葉片蒸騰,且在明暗條件下實驗體顯示出不同的響應。實驗觀察到,NO3水平在1.25–5 mM之間的植物中蒸騰作用和電導率的增加,以及在較高濃度下的下降,表明黑暗條件下蒸騰作用可能在養分獲取中起作用。黑暗下氣孔關閉似乎對養分供應更為敏感。如在黑暗中,氣孔關閉與光合作用和輻射分離。經過以上實驗和猜想,作者認為營養液中的硝酸鹽濃度會影響生物量,并且植物在零NO3處理下會表現出強烈的生長遲緩現象,營養液中的NO3濃度同時會影響植物莖和根中的氮含量。此外,植物在硝酸鹽濃度低至1.25 mM時未顯示出營養脅迫或生長減少的跡象,由此也表明根系直接浸泡在營養液中的水培植株比生長在固體培養基中的植株氮素濃度更低。

        明暗條件下營養液中硝態濃度與植物氣孔導度(圖左)、蒸騰作用(圖右)的影響。

        與未來空間栽培作物的相關性

        先前實驗已證明水和養分的供應是植物在太空中生長的一個具有挑戰性的方面,并且其供應系統也有待升級。在此基礎上,本研究增加了對作物空間栽培所需的認知:(1) 在允許的體積內,生菜種植可以避免生長遲緩或養分脅迫;(2) 對NO3調節植物水通量有了新的認識。向植物供應的NO3濃度在1.25至5 mM之間時會增加氣孔導度和蒸騰作用,這在重力降低的條件下將會有益于植物生長。然而,密閉的栽培系統能夠支持栽培的天數隨容器大小和物種而異。對于本研究中的生菜,最長時間約為24天。24天后,生長和營養液體積的混雜效應可能對重力處理產生影響。

        結論

        作者通過對于BLSS研究,證明密閉環境和質量約束都有利于資源的回收,并得到如下結論:無土栽培系統在營養液監測、調節和循環利用方面提供了有效的控制;本研究使用的有限根 (0.6 L) 和營養液容量 (每兩株3.4 L) 的深水培養,在至少24天內能提供穩定可靠的植株生長和高生物量產量;硝酸鹽濃度低至1.25 mM不會降低生物量和植物氮含量;如預期的那樣,營養液中不含硝酸鹽會導致蒸騰作用和電導率低。

        了解更多

        通訊作者Silje Wolff在接受采訪時表示,NTNU正在創建用于在太空中種植蔬菜的種植機。她說:“新鮮的食物對宇航員極具吸引力,三年內他們能夠在國際空間站上種些生菜,制作沙拉。”現在,研究人員已經完成了生菜試驗,他們正著手進行豆類試驗。預計2021年,將實現在太空中種植豆類這一目標。

        Life (ISSN 2075-1729; IF 2.991) 是MDPI組織出版的開放獲取型期刊,期刊主要關注與生命科學主題相關的最新研究成果。目前,期刊已被Science Citation Index Expanded (SCIE)、BIOSIS Previews 和 Scopus 等數據庫收錄。Life采取單盲同行評審,一輪審稿周期約為14.6天,文章從接收到發表僅需1.9天。

         
         
         
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