北京易科泰生態技術有限公司
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在科幻大片《火星救援》中，馬特·達蒙飾演的植物學家，依靠僅有的少量資源，就奇跡般地種植出了批量的“火星土豆”。
那么現實中，我們能在火星種土豆嗎？美國國家航空航天局NASA與國際土豆中心CIP聯合開展了一項名為“Potatoes on Mars”的研究計劃。除了地球上的模擬實驗外，研究小組在2017年設計了一顆立方星（CubeSat）。立方星可模擬火星的土壤、溫度、氣壓、氧氣和二氧化碳的含量，攜帶土豆塊莖搭乘運載火箭發射到太空軌道。立方星攜帶的實驗監控相機，傳回了土豆新芽破土而出的照片，初步證明在火星種植土豆是可行的。
但是利用立方星進行太空培養試驗會有兩個問題，一是成本過高；二是除了獲得圖像以外，幾乎無法進行任何植物生理與表型測量。所以更多的研究還是在地面上進行。在近年的研究中，科學家利用最 新的植物表型研究技術來綜合評估土豆在火星環境下的生長狀況，以及如何能在火星上更好地種土豆。下面介紹一下最 新的研究成果。
那不勒斯費德里科二世大學在意大利航天局支持下，開展了火星土豆培養模擬實驗。
火星土壤中雖然含有K、Ca、Mg、Fe等植物生長必需的無機元素，但缺乏C、N、P、S等有機元素，同時也沒有足夠的土壤持水量。研究人員希望通過在火星土壤中添加綠色堆肥，改善土豆的生長狀況。研究中使用了6種培養基質來種植土豆：100% MMS-1火星風化層模擬物（R100）；70%MMS-1+30%綠色堆肥（R70C30）；100%沖積沙（S100）；70%沖積沙1+30%綠色堆肥（S70C30）；紅土（RS）；火山土（VS）。
絕大部分高等植物都是通過光合作用來實現自養的生物，土豆當然也不例外。衡量其生長活力zui關鍵的指標自然是土豆的光合能力能否維持其生長。研究人員利用ADC光合儀在塊莖填充期和葉片衰老期檢測了凈光合速率NP、氣孔導度gs、蒸騰速率E，同時利用FluorPen100手持式葉綠素熒光儀檢測了光系統IIzui大光化學效率Fv/Fm、光系統II量子產額ΦPSII、電子傳遞速率ETR和非光化學淬滅系數NPQ。結果表明，在火星土中添加堆肥，一定程度提高了凈光合速率NP，同時顯著降低了氣孔導度gs和蒸騰速率E。說明堆肥處理維持了CO2固定效率，同時還降低了對水分的損耗。葉綠素熒光數據方面，火星土堆肥提高了土豆的光系統II量子產額ΦPSII和電子傳遞速率ETR，說明堆肥對光系統的作用主要體現在提高了光系統的光能轉化效率。
左圖：不同培養基質種植土豆的光合儀數據；右圖：葉綠素熒光數據
在土豆的生長過程中，定期測量植株高度、葉片數、葉面積等地上部形態指標。實驗結束后，取出根系測量根長、根表面積、根系體積、平均直徑等根系形態指標。結果表明，在火星土中添加堆肥，顯著提高了多項地上部和根系的形態指標，這與光合作用數據結果是有密切的相關性的。 
左圖：不同培養基質種植土豆的地上部形態數據；右圖：不同根系直徑分級的根系長度
結合最終對塊莖的品質檢測，這一研究證明了綠色堆肥可以很好地改善火星土的理化特性和肥力。結合我們上一期介紹的相關研究， 在未來人類登陸火星后，航天員可以利用藻類培養生產堆肥，然后再用堆肥改善土壤種植作物，實現火星上的食物自給。
易科泰植物太空生物學技術方案
1. LED光源與智能培養
· 全LED光源，培養光強zui高達3000 μmol photons m-2 s-1，光譜組成可根據用戶需求定制
· 精確調控光照強度、光譜組成、光周期、溫度、CO2濃度等環境指標
· 可結合各種植物表型成像傳感器，實現培養過程中的自動化無人值守表型測量
· 可配備基于蒸滲儀技術的iPOT數字化培養盆，全面監測重量變化、土壤水分與溫度等土壤理化指標
2. 植物光合與表型成像技術
· 完備的植物光合檢測方案，適用于各種植物樣品和測量環境，包括ADC LCpro光合儀、FluorPen手持式葉綠素熒光儀、FluorCam葉綠素熒光成像儀、FluorTron植物光合表型成像分析系統等
· 高通量植物表型成像系統，可配備高光譜成像、葉綠素熒光成像、多光譜熒光成像，Thermo-RGB©成像等多種表型成像傳感器
· 可無損檢測植物特定營養成分，如花青素、類胡蘿卜素、黃酮、氮素等
3. 植物根系表型成像技術
· 基于RhizoTron®根窗技術，實現根系表型的原位連續檢測
· 可同時對根系和幼苗進行高光譜成像、RGB成像、UV-MCF紫外光激發生物熒光高光譜成像、Thermo-RGB成像等測量分析
· 可與LED培養系統、傳送系統結合，實現大樣品量的高通量自動化連續監測
參考文獻：
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 cu ltivation in space. Plant and Soil, 2023, 486(1): 217-233
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· FluorTron植物光合表型成像分析系統
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· RhizoTron®根系表型成像分析系統
