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  在科幻大片《火星救援》中，马特·达蒙饰演的植物学家，依靠仅有的少量资源，就奇迹般地种植出了批量的“火星土豆”。

 那么现实中，我们能在火星种土豆吗？美国国家航空航天局NASA与国际土豆中心CIP联合开展了一项名为“Potatoes on Mars”的研究计划。除了地球上的模拟实验外，研究小组在2017年设计了一颗立方星（CubeSat）。立方星可模拟火星的土壤、温度、气压、氧气和二氧化碳的含量，携带土豆块茎搭乘运载火箭发射到太空轨道。立方星携带的实验监控相机，传回了土豆新芽破土而出的照片，初步证明在火星种植土豆是可行的。

左图：立方星地面测试；右图：土豆在立方星中发芽

  但是利用立方星进行太空培养试验会有两个问题，一是成本过高；二是除了获得图像以外，几乎无法进行任何植物生理与表型测量。所以更多的研究还是在地面上进行。在近年的研究中，科学家利用最新的植物表型研究技术来综合评估土豆在火星环境下的生长状况，以及如何能在火星上更好地种土豆。下面介绍一下最新的研究成果。

  那不勒斯费德里科二世大学在意大利航天局支持下，开展了火星土豆培养模拟实验。

  火星土壤中虽然含有K、Ca、Mg、Fe等植物生长必需的无机元素，但缺乏C、N、P、S等有机元素，同时也没有足够的土壤持水量。研究人员希望通过在火星土壤中添加绿色堆肥，改善土豆的生长状况。研究中使用了6种培养基质来种植土豆：100% MMS-1火星风化层模拟物（R100）；70%MMS-1+30%绿色堆肥（R70C30）；100%冲积沙（S100）；70%冲积沙1+30%绿色堆肥（S70C30）；红土（RS）；火山土（VS）。

  绝大部分高等植物都是通过光合作用来实现自养的生物，土豆当然也不例外。衡量其生长活力最关键的指标自然是土豆的光合能力能否维持其生长。研究人员利用ADC光合仪在块茎填充期和叶片衰老期检测了净光合速率NP、气孔导度gs、蒸腾速率E，同时利用FluorPen100手持式叶绿素荧光仪检测了光系统II最大光化学效率Fv/Fm、光系统II量子产额ΦPSII、电子传递速率ETR和非光化学淬灭系数NPQ。结果表明，在火星土中添加堆肥，一定程度提高了净光合速率NP，同时显著降低了气孔导度gs和蒸腾速率E。说明堆肥处理维持了CO₂固定效率，同时还降低了对水分的损耗。叶绿素荧光数据方面，火星土堆肥提高了土豆的光系统II量子产额ΦPSII和电子传递速率ETR，说明堆肥对光系统的作用主要体现在提高了光系统的光能转化效率。

左图：不同培养基质种植土豆的光合仪数据；右图：叶绿素荧光数据

  在土豆的生长过程中，定期测量植株高度、叶片数、叶面积等地上部形态指标。实验结束后，取出根系测量根长、根表面积、根系体积、平均直径等根系形态指标。结果表明，在火星土中添加堆肥，显著提高了多项地上部和根系的形态指标，这与光合作用数据结果是有密切的相关性的。

左图：不同培养基质种植土豆的地上部形态数据；右图：不同根系直径分级的根系长度

  结合最终对块茎的品质检测，这一研究证明了绿色堆肥可以很好地改善火星土的理化特性和肥力。结合我们上一期介绍的相关研究，在未来人类登陆火星后，航天员可以利用藻类培养生产堆肥，然后再用堆肥改善土壤种植作物，实现火星上的食物自给。

上期链接：蓝藻是否能够在外星生存——凯发旗舰厅(中国)太空生物学技术方案（一）

凯发旗舰厅(中国)植物太空生物学技术方案

1. LED光源与智能培养

• 全LED光源，培养光强最高达3000 μmol photons m^-2 s^-1，光谱组成可根据用户需求定制
• 精确调控光照强度、光谱组成、光周期、温度、CO₂浓度等环境指标
• 可结合各种植物表型成像传感器，实现培养过程中的自动化无人值守表型测量
• 可配备基于蒸渗仪技术的iPOT数字化培养盆，全面监测重量变化、土壤水分与温度等土壤理化指标

2. 植物光合与表型成像技术

• 完备的植物光合检测方案，适用于各种植物样品和测量环境，包括ADC LCpro光合仪、FluorPen手持式叶绿素荧光仪、FluorCam叶绿素荧光成像仪、FluorTron植物光合表型成像分析系统等
• 高通量植物表型成像系统，可配备高光谱成像、叶绿素荧光成像、多光谱荧光成像，Thermo-RGB?成像等多种表型成像传感器
• 可无损检测植物特定营养成分，如花青素、类胡萝卜素、黄酮、氮素等

3. 植物根系表型成像技术

• 基于RhizoTron?根窗技术，实现根系表型的原位连续检测
• 可同时对根系和幼苗进行高光谱成像、RGB成像、UV-MCF紫外光激发生物荧光高光谱成像、Thermo-RGB成像等测量分析
• 可与LED培养系统、传送系统结合，实现大样品量的高通量自动化连续监测

参考文献：

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 cultivation 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统
• PhenoTron?植物表型成像分析系统
• RhizoTron?根系表型成像分析系统