微重力环境下成功种植两代拟南芥（Arabidopsis thaliana）

 

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拟 南 芥 （Arabidopsis thaliana）在国际空间站（ISS）微重力环境下从种子到种子的生长和发育研究。研究团队通过两次实验，成功在微重力条件下培育了两代拟南芥，并详细分析了微重力对植物形态、种子质量以及基因表达的影响。

研究使用了ADVanced AStroCulture (ADVASC) 植物生长单元，能够在微重力环境下支持植物生长数月。实验分为两次，第一次实验的种子在ISS上生长并返回地球，第二次实验使用了在微重力下生长出的种子进行后续实验。实验过程中，植物生长环境的温度、湿度、光照、二氧化碳和乙烯水平等参数都被严格控制。

1. 结构与配置

模块化设计：ADVASC由两个单Middeck-Locker插入模块组成，可以安装在ISS的EXPRESS Rack上。一个模块包含植物生长室，另一个模块包含控制单元和支持系统。

- 主要子系统：

环境室：提供一个完全封闭、环境可控的植物生长空间。

温湿度控制单元：维持生长室内的温度和湿度。

光照模块：提供植物生长所需的光照。

液体和营养输送系统：通过埋在生长介质中的多孔管向植物输送水和营养。

大气成分控制单元：控制生长室内的气体成分，包括二氧化碳和乙烯水平。

计算机控制和数据管理系统：实现生长单元的自动化控制和数据采集。

2. 生长室规格

根托盘尺寸：内部尺寸为20.3 cm × 19.7 cm × 3.1 cm（长×宽×深）。

生长室高度：34.3 cm。

生长介质：使用烘焙的颗粒状煅烧粘土（arcillite），颗粒大小不一，范围从0.5 mm到4 mm。这种介质能够保持良好的通气性和水分保持能力，有助于植物根系的生长。

种植技术：采用两种种植技术。一种是在arcillite和不锈钢筛网之间放置双层纱布，用于固定种子；另一种是使用填充了棉纸的“卡盒”，将种子固定在卡盒中。

3. 环境控制

温度和湿度：生长室内的温度维持在22°C，湿度为70%，并保持16小时光照/8小时黑暗的周期。

光照：使用定制的红蓝LED灯阵列，提供光合有效辐射，强度为230/25 µmol m^-2 s^-1（红/蓝）。

二氧化碳和乙烯控制：CO2水平在实验初期超过了ADVASC的最大传感器限制3000 ppm，但最低浓度为500 ppm。乙烯水平通过紫外光激活的改性二氧化钛（TiO2/ZrO2）薄膜光催化剂降低到100 ppb以下。

4. 自动化与远程控制

自动化程度：实验尽可能自动化，减少宇航员的干预。水和营养通过多孔管从营养库输送到arcillite基质中。

远程控制：实验从威斯康星大学麦迪逊分校的WCSAR实验室通过遥测技术控制。

5. 实验周期

生长阶段：实验的生长阶段持续46天，之后切断根托盘的水分供应，使生长室干燥，准备关闭、转移至航天飞机并返回地球。

营养补充：在实验期间，营养库中的水通过从蒸发蒸腾流中冷凝的水不断补充。在四个时间点，从营养库中移除300 mL液体，并用半强度Hoagland溶液替换。

6. 地面对照实验

地面对照实验在威斯康星大学进行，使用与太空飞行硬件相同的工程复制设备。所有尺寸、光照、温度、湿度和控制设定点都与太空飞行实验相同，但比太空飞行实验晚几天开始。

7. 优势与改进

环境控制：ADVASC通过高流量的强制空气流通和乙烯去除技术，显著改善了植物生长环境，减少了以往实验中常见的植物缺氧和乙烯积累问题。

植物生长：该生长单元能够支持植物在微重力环境下生长数月，为长期太空任务中的植物种植提供了重要的技术支持。