如何在太空種菜？這項(xiàng)技術(shù)將給出答案

    上周，嫦娥4號上搭載的生物科普試驗(yàn)載荷顯示試驗(yàn)搭載的棉花種子已長出嫩芽，這是在經(jīng)歷月球低重力、強(qiáng)輻射、高溫差等嚴(yán)峻環(huán)境考驗(yàn)后，月球上萌發(fā)出的株植物。據(jù)重慶市政府發(fā)布會消息，科普載荷隨嫦娥4號登陸月球的天（1月3日）23:18分加電開機(jī)后，載荷內(nèi)微型生態(tài)系統(tǒng)開始進(jìn)入生物月面生長發(fā)育模式。從開機(jī)到1月12日20點(diǎn)地面發(fā)送了生物科普試驗(yàn)載荷斷電指令，載荷正常關(guān)機(jī)，生物科普試驗(yàn)載荷在軌工作狀態(tài)良好，累計(jì)工作時間長達(dá)212.75小時，主副相機(jī)累計(jì)拍照34次，下傳照片170多幅。目前，生物科普試驗(yàn)載荷已進(jìn)入斷電狀態(tài)，載荷內(nèi)部在月夜溫度零下52℃的情況下，所攜帶的六種生物將結(jié)束本次科普試驗(yàn)使命。

    那么，除了照片以外，我們是否有辦法了解在這200多個小時中，位于月球背面的植物究竟經(jīng)歷了什么嗎？

    雖然我們笑稱太空種菜是中國人種族天賦的延續(xù)。但作為航天技術(shù)的后發(fā)國家，我們不得不承認(rèn)在這方面，美國還是走在我們前面。上世紀(jì)40年代，美國就將玉米種子發(fā)射升空并成功回收。此后，隨著航天技術(shù)的發(fā)展，植物栽培實(shí)驗(yàn)基本成為航天活動，尤其是宇宙空間站的標(biāo)配?？梢哉f，太空生命科學(xué)研究一直是航天研究的熱門領(lǐng)域。

    2016年1月，美國宇航員斯科特-凱利在空間站中培育出了一朵百日菊，成為株在外太空開放的花朵。

    2017年4月，NASA的新一代先進(jìn)植物培養(yǎng)器（Advanced Plant Habitat，APH）搭載聯(lián)盟號MS-04貨運(yùn)飛船抵達(dá)空間站，按計(jì)劃展開植物生理學(xué)及太空新鮮食物種植（ growth of fresh food in space）的研究。

這不就是太空種菜嗎？不要以為換個馬甲就能騙過我們！（NASA Facts：Advanced Plant Habitat）

    同時，為了檢測植物在太空中的生長狀況，NASA*航天中心的工程師使用FluorPen葉綠素?zé)晒鈨x檢測培養(yǎng)器的擬南芥。

    葉綠素?zé)晒猓窟@是什么？

    簡單來說，葉綠素?zé)晒馐侵参锕夂舷到y(tǒng)反應(yīng)中心在照光后發(fā)出了一種紅色的熒光。檢測葉綠素?zé)晒鈩討B(tài)變化的技術(shù)即為葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)，檢測整個葉片乃至整株植物葉綠素?zé)晒獠⒊上竦募夹g(shù)即為葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)。

    Kautsky 與 Hirsch 于1931年發(fā)表論文“CO₂同化新實(shí)驗(yàn)”報(bào)道了用肉眼發(fā)現(xiàn)葉綠素?zé)晒猬F(xiàn)象：經(jīng)過暗適應(yīng)的植物材料照光后，葉綠素?zé)晒庀妊杆偕仙揭粋€大值，然后逐漸下降，后達(dá)到一個穩(wěn)定值（這種現(xiàn)象后被稱作“Kautsky effect”即Kautsky誘導(dǎo)效應(yīng)），熒光強(qiáng)度的變化與CO₂同化速率呈負(fù)相關(guān)。

Kautsky發(fā)表科學(xué)論文描述葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)效應(yīng)（Kautsky，1931）

    葉綠素?zé)晒鈩討B(tài)測量分析是葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)的核心內(nèi)容，也是葉綠素?zé)晒獾靡猿蔀橹参铮òㄔ孱悾┥砩鷳B(tài)研究重要內(nèi)容的關(guān)鍵。Butler于1978年提出PSII光化學(xué)反應(yīng)、葉綠素?zé)晒饧盁嵘⑹叩哪芰扛偁幠Ｐ?，認(rèn)為PSII反應(yīng)中心將電子傳遞給原初電子受體QA，導(dǎo)致Kautsky誘導(dǎo)效應(yīng)中的葉綠素?zé)晒饨档停?ldquo;葉綠素?zé)晒獯銣?rdquo;），稱為光化學(xué)淬滅（photochemical quenching），而由于熱散失導(dǎo)致的葉綠素?zé)晒獯銣鐒t稱為非光化淬滅（nonphotochemical quenching）。要通過葉綠素?zé)晒夤浪愎夂献饔脧?qiáng)度（光化學(xué)反應(yīng)），關(guān)鍵是要確定葉綠素?zé)晒夤饣瘜W(xué)淬滅過程和非光化學(xué)淬滅過程。Butler的光合作用能量競爭模型成為葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)的重要理論基礎(chǔ)。

光系統(tǒng)能量競爭模型示意圖

    Chlorophyll ?uorescence is one of the most rapid and noninvasive tools for monitoring photosynthetic performance of plants under biotic and abiotic stress. (Lu et al., 2001)——盧從明，中國科學(xué)院植物研究所光生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，早應(yīng)用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)的中國科學(xué)家之一

    The use of chlorophyll a ?uorescence measurements to examine photosynthetic performance and stress in algae and plants is now widespread in physiological and ecophysiological studies. (Baker, 2008)——Neil R. Baker，埃塞克斯大學(xué)教授，其葉綠素?zé)晒饩C述文章《Chlorophyll Fluorescence: A Probe of Photosynthesis In Vivo》引用次數(shù)達(dá)2200次

    目前，葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)廣泛用于植物生理、植物抗逆、作物育種、突變株篩選等各種植物與作物研究中，甚至直接預(yù)測植物的存活情況，是科學(xué)界*的快速、無損檢測植物光合能力與逆境生理的重要技術(shù)之一。

    死或生？這是個問題——使用葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)預(yù)測干旱脅迫下植物的死亡率（Guadagno C R, et al. 2017）

    除了葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)以外，類似的植物檢測技術(shù)還有RGB彩色成像與Ladar 3D成像技術(shù)（植物形態(tài)）、高光譜成像技術(shù)（植物反射光譜）、紅外熱成像技術(shù)（植物溫度）等。這四種技術(shù)并稱為四大植物表型無損檢測技術(shù)。

    先不說太空種菜的問題，實(shí)際上現(xiàn)在在地球上種菜都已經(jīng)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。據(jù)UN糧農(nóng)組織2014年報(bào)告，三大主要谷物水稻、小麥和玉米的年產(chǎn)量增長率從1960-1990年的2.19-2.95%下降到1990-2010年的0.79-1.74%。而傳統(tǒng)育種已經(jīng)很難滿足三大主要谷物的增產(chǎn)需求。除了保障耕種面積和維護(hù)生態(tài)環(huán)境，有效的措施是開發(fā)利用優(yōu)良的作物品種和先進(jìn)的栽培技術(shù)，與之相關(guān)的工作都需要對大量植株的各種特征和性狀即表型的鑒別與分析，以及對復(fù)雜的植物生長環(huán)境的監(jiān)測與控制。在解決迫在眉睫的糧食安全問題上，以葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)為核心的植物表型無損檢測技術(shù)將位于非常重要的位置。不但科學(xué)界對植物表型檢測技術(shù)寄予厚望，在各國政府的支持下，各個國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)建立了數(shù)十個大型和超大型植物表型分析平臺。

部分已經(jīng)建設(shè)的PlantScreen植物表型成像分析平臺

    雖然把葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)應(yīng)用在太空種菜上，國外走在了我們前面。但在未來我們中國的空間站上一定要用上更先進(jìn)的植物表型成像技術(shù)。

    為了實(shí)現(xiàn)在太空刷火鍋的夢想，沖鴨！