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。衡量其生長活力最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II最大光化學效率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。       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。       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。
上期鏈接：藍藻是否能夠在外星生存——易科泰太空生物學技術方案（一）
 
易科泰植物太空生物學技術方案

• LED光源與智能培養

• 全LED光源，培養光強最高達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

• 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

• 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：

• CIP: Indicators show potatoes can grow on Mars
• 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

 
北京易科泰生態技術公司提供植物培養與表型研究全面技術方案：
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LCpro T智能型光合作用測量系統
FluorCam葉綠素熒光成像系統
FluorTron植物光合表型成像分析系統
PhenoTron®植物表型成像分析系統
RhizoTron®根系表型成像分析系統