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植物种子如何在太空辐射中生存?

诱变育种 太空辐射 辐射暴露
发布:2020-11-25 11:42:46    

我们有一天会在太空殖民吗? 我们的孩子会拜访其他星球吗? 为了实现这些目标,我们需要克服一个关键挑战:如何在远离地球的地方养活自己。

前往火星的旅程将花费数月,而探索银河系的深度将花费更长的时间。为旅行者提供营养食品是一个重大障碍。虽然可以选择储存食物,但储存足够长达数月的时间会限制航天器的重量和空间限制-而且任务很容易延长食物的保质期。在太空中种植食物至关重要。

与地球相比,太空真空中的条件非常恶劣。太空中的种子必须能够承受大剂量的紫外线和宇宙射线,低压和微重力。1946年,美国宇航局发射了运载玉米种子的V-2火箭,以观察它们如何受到辐射的影响。从那时起,科学界已经了解了很多有关太空环境对种子发芽,代谢,遗传,生物化学乃至种子 生产的影响的知识。

天体生物学家戴维·特普弗(David Tepfer)和悉尼·利奇(Sydney Leach)研究了在国际空间站上呆了很长时间后种子如何重返地球。他们在EXPOSE任务中进行的实验比许多其他ISS种子实验要长得多,并且将种子放置在空间站的外部而不是内部。目的是不仅要了解长期辐射暴露的影响,还要了解这些影响的分子机理。

种子自身有一定的防御性

种子具有两个很明显的特征,特普费尔和利奇假设这些特征会给这些“模型太空旅行者”带来战斗的机会。

首先,它们包含重要基因的多个副本-科学家称之为冗余。遗传冗余在开花植物中很常见,尤其是诸如无核西瓜和草莓之类的食品。如果一个基因拷贝被破坏,还有另一种基因拷贝可以完成这项工作。

其次,种皮中含有称为类黄酮的化学物质,可充当防晒霜,保护种子的DNA免受紫外线(UV)的损害。在地球上,我们的行星大气层会过滤掉一些有害的紫外线,然后才能到达我们的身上。但是在太空中,没有保护性气氛。

这些特殊功能是否足以让种子存活甚至繁衍?为了找出答案,Tepfer和Leach用烟草,拟南芥(研究中常用的开花植物)和牵牛花种子进行了一系列实验-在国际空间站外和在地球上。

充满能量

他们的EXPOSE-E实验于2008年飞往国际空间站(ISS),历时558天-不到两年。

他们将种子存储在国际空间站外部的一层中,放在特殊类型的玻璃后面,该玻璃只能发出波长在110至400纳米之间的紫外线。DNA容易吸收该波长范围内的紫外线。第二套相同的种子放在国际空间站上,但完全屏蔽了紫外线。此实验设计的目的是与空间中到处可见的宇宙射线等其他类型的辐射分开观察紫外线的影响。

Tepfer和Leach为EXPOSE-E选择了烟草和拟南芥种子,因为它们都具有冗余的基因组,因此存活率很高。它们还包括添加了抗生素抗性基因的基因工程烟草品种。计划是稍后在细菌中测试该基因,并确定是否存在任何损害。除了正常的拟南芥外,他们还送出了两种经过基因改造的植物株,它们的种皮中含有很少的紫外线防护化学物质。他们还发送了纯化的DNA和纯化的类黄酮。这为研究人员提供了广泛的场景,以了解空间对种子的影响。

国际空间站的第二个任务称为EXPOSE-R,仅包括三种类型的拟南芥种子。由于更长的实验时间(682天),它们接受的紫外线剂量略多于两倍。最后,研究人员在实验室进行了一项地面实验,将拟南芥,烟草和牵牛花种子暴露于非常高剂量的紫外线下仅一个月。

在经历了所有这些不同的暴露条件之后,该是时候看看种子可以长到何种程度了。

Expose-R实验配备了三个装有各种生物样品(包括种子)的样品盘。图片来源:NASA

研究人员将收获什么?

当种子返回地球时,研究人员测量了种子的发芽率,即发芽从种皮中出来的速度。

在实验室中被屏蔽的种子表现最好,其中超过90%的种子正在发芽。接下来是在实验室中暴露于紫外线辐射一个月的种子,发芽率超过80%。

对于太空旅行的种子,超过60%的被屏蔽种子会发芽。仅有3%的空间暴露于紫外线下。

从野生型和转基因种子中生长出来的11种拟南芥植物一旦种植在土壤中就无法生存。然而,烟草植物显示出生长减慢,但其生长速度在后代中得以恢复。烟草的种皮更厚实,基因组更加冗余,这可以解释其明显的生存优势。

当研究人员将抗生素抗性基因插入细菌中时,他们发现它进入太空后仍然可以正常工作。这一发现表明,不是遗传损害才使这些种子失去了生存能力。Tepfer和Leach将发芽率降低归因于对种子中除DNA之外的其他分子(例如蛋白质)的破坏。冗余的基因组或内置的DNA修复机制无法克服这种损害,进一步说明了拟南芥植物为何无法在移植中幸存下来。

宇航员Dmitriy Kondratyev在暴露于外层空间数月之后,对ISS内部的EXPOSE-R进行了检查,并为返回地球做准备。图片来源:Roscosmos

在地面实验中,研究人员发现辐射损伤与剂量有关-种子接受的辐射越多,其发芽率就越差。

这些发现可以为太空农业研究的未来方向提供参考。科学家们可能会考虑对基因工程种子进行增强,以保护对于蛋白质合成至关重要的细胞机制,例如核糖体。未来的研究还需要进一步探索存储在太空中的种子如何在微重力下而不是在地球上发芽。

随着研究人员对空间如何影响植物及其种子的了解不断增加,我们可以继续朝着在空间生产食物的方向迈出重要的一步。这将是朝着可持续的殖民地迈出的关键一步,该殖民地可以生存在地球生物圈舒适的范围之外。
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