科学家在月球土壤中种植植物
Rob Ferl（左）和Anna Lisa Paul在LED种植灯下看着一部分是月球土壤，另一部分是对照土壤的盘子。当时，科学家们甚至不知道这些种子是否会在月球土壤中发芽。美国宇航局资助的这项研究为植物研究开辟了新的天地
Anna Lisa Paul（左）和Rob Ferl在实验室研究月球土壤。
在太空时代的早期，阿波罗宇航员参与了一项富有远见的计划：将被称为风化层的月球表面材料样本带回地球，在那里可以用最先进的设备对其进行研究，并将其保存起来，用于未来的研究。50年后，在阿尔忒弥斯时代的黎明，下一位宇航员重返月球时，其中三个样本已被用于成功种植植物。有史以来第一次，研究人员在缺乏营养的月球风化层中种植了顽强且研究充分的拟南芥。
美国国家航空航天局局长比尔•纳尔逊表示：“这项研究对美国国家航空宇航局的长期人类探索目标至关重要，因为我们需要利用在月球和火星上发现的资源，为未来在深空生活和操作的宇航员开发食物来源。”“这项基本的植物生长研究也是美国国家航空航天局如何努力解锁农业创新的一个关键例子，这些创新可以帮助我们了解植物如何克服地球上粮食短缺地区的压力条件。”
佛罗里达大学的科学家们在几十年的时间里取得了一项突破性发现，这既有助于太空探索，也有利于人类。“50年后，我们完成了阿波罗实验室开始的实验，”佛罗里达大学盖恩斯维尔分校园艺科学系教授罗伯特•费尔说，他是2022年5月12日发表在《通讯生物学》上的一篇论文的通讯作者。“我们首先问了植物是否可以在风化层中生长的问题。其次，这一天如何帮助人类在月球上长时间停留。”
第一个问题的答案是肯定的。植物可以生长在月球风化层中。它们不像生长在地球土壤中的植物那样健壮，甚至不像对照组中生长在由火山灰制成的月球模拟物中的植物那么健壮，但它们确实生长了。通过研究这些植物在月球样本中的反应，该团队希望继续回答第二个问题，为未来的宇航员有朝一日在月球上种植更多营养丰富的植物并在深空茁壮成长铺平道路。
要大胆走，就必须大胆发展
“为了进一步探索和了解我们生活的太阳系，我们需要利用月球上的东西，这样我们就不必把所有的东西都带走，”在华盛顿NASA总部支持NASA阿尔忒弥斯项目的首席探索科学家Jacob Bleacher说。Bleacher指出，这也是美国国家航空航天局向月球南极派遣机器人任务的原因，据信那里可能有未来宇航员可以使用的水。“更重要的是，我们去的时候会研究种植植物。因此，这些地面研究为下一代人类在月球上扩大这一研究铺平了道路。”
原产于欧亚大陆和非洲的拟南芥是芥菜和其他十字花科蔬菜（如西兰花、花椰菜和球芽甘蓝）的近亲。它对科学家也起着关键作用：由于其体积小、易于生长，它是世界上研究最多的植物之一，被用作植物生物学所有领域研究的模式生物。因此，科学家们已经知道它的基因是什么样子的，它在不同环境下的表现，甚至它是如何在太空中生长的。
使用茶匙大小的样品
将实验过程中生长的植物放入小瓶中进行最终的基因分析。
安娜•丽莎•保罗试着用吸管湿润月球土壤。科学家们发现，土壤排斥水（具有疏水性），导致水在表面凝结。需要用水积极搅拌材料以打破疏水性并均匀湿润土壤。一旦湿润，月球土壤就可以通过毛细作用湿润，用于植物培养。
为了种植拟南芥，该团队使用了阿波罗11号、12号和17号任务中收集的样本，每株植物只分配一克风化层。研究小组先加水，然后在样品中加入种子。然后，他们把托盘放进一个干净的房间里的玻璃容器里。每天添加一种营养液。
“两天后，它们开始发芽了！”安娜•丽莎•保罗说，她也是佛罗里达大学园艺科学教授，也是该论文的第一作者。“所有的植物都发芽了。我无法告诉你我们有多惊讶！每种植物——无论是在月球样本中还是在对照中——直到第六天左右都是一样的。”
然而，在第六天之后，很明显，这些植物不像生长在火山灰中的对照组植物那样健壮，而且这些植物的生长也因其所处的样本类型而异。这些植物生长得更慢，根系发育不良；此外，一些叶片发育不良，色素沉着偏红。
20天后，就在植物开始开花之前，研究小组收获了植物，将其磨碎，并研究了RNA。在生物系统中，基因是通过多个步骤解码的。首先，基因或DNA被转录成RNA。然后RNA被翻译成蛋白质序列。这些蛋白质负责在活体中进行许多生物过程。对RNA进行测序揭示了表达的基因模式，这表明植物确实处于压力之下，并且其反应与研究人员所看到的拟南芥在其他恶劣环境中对生长的反应一样，例如当土壤含盐或重金属过多时。
到第16天，生长在火山灰月球模拟物中的植物（左）与生长在月球土壤中的植物之间存在明显的物理差异（右）。
此外，根据使用的样本不同，植物的反应也不同——每个样本都是从月球上的不同区域采集的。阿波罗11号样本中生长的植物不如其他两组健壮。尽管如此，这些植物还是生长了。
为未来的研究播下种子
这项研究不仅为有朝一日在月球栖息地种植植物打开了大门，还为一系列其他问题打开了大门。了解植物需要哪些基因来适应风化层中的生长，能帮助我们了解如何减少月球土壤的压力吗？月球不同区域的材料是否比其他区域更有利于植物生长？研究月球风化层能帮助我们更多地了解火星风化层以及在这种物质中可能生长的植物吗？所有这些都是该团队希望下一步研究的问题，以支持未来的宇航员登月。
美国国家航空航天局生物与物理科学部的项目科学家Sharmila Bhattacharya说：“我们身边有植物不仅令人高兴，尤其是当我们冒险前往太空的新目的地时，它们还可以为我们的饮食提供补充营养，并使未来的人类探索成为可能。”“植物使我们成为探险家。”
这项研究是阿波罗下一代样本分析计划（ANGSA）的一部分，该计划旨在研究在即将到来的阿尔忒弥斯登月南极任务之前从阿波罗计划返回的样本。BPS帮助支持了这项工作，也支持了其他基础植物研究，包括Veggie、PONDS和Advanced plant Habitat。
关于BPS
美国国家航空航天局的生物和物理科学部门率先进行科学发现，并通过利用太空环境进行地球上不可能进行的调查来实现探索。在极端条件下研究生物和物理现象，使研究人员能够提高在太空中走得更远、停留时间更长所需的基本科学知识，同时也有益于地球上的生命。