研究人员指南 ： 植物科学

国家航空航天局研究人员指南 ：植物科学 本国际空间站 （ ISS ） 研究人员指南由 NASA ISS 研究整合办公室发布。作者:Elison B. Blancaflor, Ph. D. Raymond M. Wheeler, Ph. D. Gioia Massa, Ph. D.Jeff T. Richards, M. S. Charles D. Quincy, PE Howard G. Levine, Ph. D.执行编辑 ： David Brady 。技术编辑 ： Carrie Gilder发布日期 ： 2015 年 3 月修订 ： 2023 年 3 月盖和后盖:Procedures.NASA 宇航员和 Crew - 3 成员 Tom Marshbr 看着先进植物栖息地内部生长的辣椒。Crew - 3 在 ISS 上进行了第二次辣椒收获，以进行 Plat Habitat - 04 实验。该植物实验是迄今为止该站最复杂的实验之一，因为长的发芽和生长时间增加了 NASA 在长期太空任务中种植粮食作物的知识。（ 资料来源 ： NASA ） 。Procedures.后盖:顶部 ： 在国际空间站 Lada 室中生长的豌豆叶片上的水滴。微重力下缺乏浮力驱动的对流改变了叶片界面处流体和气体的行为。 （ 来源 ： NASA ）底部 ： Veg - 03L 实验第 41 天 ， 小植物枕头中的 Amara 芥末植物。 （ 来源 ： NASA ）2 实验室是开放的国际空间站 （ ISS ） 飞越地球 250 英里，是世界的一个现代奇迹，结合了 15 个国家和数千名科学家，工程师和技术人员的努力。国际空间站是一个宏伟的平台和实验室，可以进行各种研究，以改善地球上的生命，实现未来的太空探索，并了解宇宙。本指南旨在帮助潜在的研究人员在国际空间站上计划和进行植物实验，概述可供使用的植物生长室，并讨论集成的航天环境。这包括利用微重力环境的连续自由落体来研究重力和其他航天环境对低地球轨道植物生长和代谢的影响。宇航员 Gennady Padalka 从 Lada 植物室收获萝卜 （ 2009 年 6 月 22 日 ） 。33 4 国际空间站研究环境的独特特征1.微重力失重或失重改变了物理和生命科学中许多可观察到的现象。受微重力影响的系统和过程包括表面润湿和界面张力，多相流和传热，多相系统动力学，凝固以及火灾现象和燃烧。微重力诱导了从细菌到人类的生物体的大量变化，包括基因表达的整体变化和细胞的 3 - D 聚集成组织样结构。2.极端条件国际空间站的空间环境包括暴露于极端的高温和低温循环，超真空，原子氧，高能辐射和岛屿生物隔离。暴露在这些极端条件下的材料的测试和鉴定提供了数据，可以制造在地球上以及世界上最先进的卫星和航天器部件中使用的长寿命可靠部件。3.低地球轨道倾斜 51 度和 90 分钟的轨道为国际空间站提供了一个独特的有利位置 ， 高度约为 240 英里 （ 400 公里 ） ， 轨道路径超过地球人口的 90 ％ 。与典型的地球遥感卫星的太阳同步轨道相比 ， 该路径可以提供更高的空间分辨率和可变的照明条件。5 6目录实验室是开放的3国际空间站研究的独特特点Environment5为什么使用 ISS 作为实验室?7植物研究的经验教训ISS9对基本植物生物处理器的见解 9多组学方法提供了植物如何适应的线索太空飞行 11Exchange15植物微生物 ： 在未来的太空作物中从敌人那里告诉朋友生产系统 18国际空间站上的研究设施和设备以及如何选择他们19空间植物生长系统的设计考虑探索1被动轨道营养输送系统 (PONDS) - 正在开发) 26 个支持设施ISS27资助、开发和开展研究ISS28ISS 美国国家实验室 28其他政府机构 29参考文献32首字母缩略词41 7为什么使用 ISS 作为实验室?国际空间站提供了一个独特的平台来了解植物对重力和航天环境的反应。这些知识很重要 ， 因为植物及其微生物群落是生物再生生命支持系统 （ BLSS ） 的关键组成部分 ， 将使人类在太空中茁壮成长。国家研究委员会的 2011 年十年调查报告，“为太空探索重新夺回未来 ： 新时代的生命和物理科学研究 ”，（ http ： / / www 。午睡。教育 / 目录 / 13048 。html ） 认识到了解植物在微重力下的反应对于空间探索和地面应用的重要性。将于 2023 年夏季发布的新报告时间表将修订建议。2011 年的报告对植物研究提出了许多建议 ， 包括以下内容 ：1.建立强大的航天计划 ， 研究分析植物和微生物的生长以及对航天环境中遇到的多种刺激的生理反应。2.旨在证明微生物 - 植物系统在长期生命支持系统中的作用的研究计划的建立。存在许多知识差距，非常适合使用航天硬件的当前能力和国际空间站的分析能力来解决。这些差距表明，必须最大限度地提高每个太空飞行机会的科学回报，并且需要在模型植物中进行基础和应用研究以及转录组学，蛋白质组学和代谢组学分析。这些研究以及生命周期研究对于开发有效的园艺技术和验证环境条件以使植物在 BLSS 中的掺入是必要的。表 1 提供了这些研究问题的部分列表。 8表 1. 部分研究问题列表主题区域适合国际空间站调查的潜在研究问题重力传感•叶茎和根组织中的主要重力受体是什么 ？•什么是转录、生物分子和生理水平的中间信号 ？•与 thigmostrophic ， phototrophic 和水溶刺激发生了什么相互作用 ， 以及它们是如何区分的 ？植物生理学•光和重力反应如何相互作用 ？•航天环境是否会诱发 （ μ - 重力 ， CO 升高2， 扩散限制了化学交换 ， 根区缺氧等 ） ， 以及影响发育的主要信号和激素变化是什么 ？•航天环境对主要生理 ： 光合作用 ， 呼吸 ， 蒸腾作用 ， 营养和次生代谢有什么影响 ？•多种环境刺激的相互作用如何影响生物活性产品的生产率和生物利用度 ？•重力对结构性碳水化合物的影响如何在多代中表现出来 ？•微重力会影响遗传稳定性吗 ？植物 / 微生物相互作用•航天环境的哪些方面调节对植物病原体感染的抗性和 / 或易感性 ？•是否存在重力对毒力的影响 ， 如果是 ， 它们是否特定于物种 / 菌株 ？•航天环境如何影响有益植物 / 微生物协会的发展 ？生命支持系统•如何实施可持续生产可食用作物的园艺方法 ？•环境压力的影响是什么 (照明、 CO2， 根区水分 ， O2， 痕量气体) 对生产率的影响 ？•为陆地条件开发的作物生产力模型在航天环境中是否有效 ？•植物和微生物如何与物理和化学生命支持系统相互作用 ？ 9经验教训来自 ISS 的植物研究对基础植物生物过程的洞察力重力与其他空间环境刺激之间的相互作用重力对植物的生长发育有深远的影响。最值得注意的是重力诱导的向下生长根和芽的向上生长。自查尔斯 · 达尔文 （ 达尔文，1881 年 ） 的工作以来，这种现象被称为引力主义，一直是科学研究的主题。植物科学家对重力作用具有广泛的兴趣，因为它是育种计划中的目标性状，旨在改善作物养分和土壤中的水分吸收，并增强光合作用的光捕获。（ Chi 和 Blacaflor，2022 年 ） 。然而 ， 地球上重力的持续存在限制了人们对这一现象提出的问题的广度 ， 特别是那些与其他环境刺激和植物运动相互作用的问题。1960 年代的生物卫星 II 实验是最早记录微重力对植物运动影响的实验之一。这些实验中的一个常见观察是出现了恶臭 ， 这是叶柄和叶子向下弯曲的过程 （ Johnson 和 Tibbitts ， 1968 年 ） 。早期的研究还表明 ， 在斜纹棉上生长的植物中 ， 恶臭的发生率很高 （ Brown 等下胚轴的光显微照片拟南芥种子来自 F μ g （ A ） ， 地面对照 （ B = F 1g ； C = G 1g ） 和乙烯对照 （ D = G ethy ） 。注意在轻幼苗的下胚轴 （ F μ g 和 F 1g ） 和乙烯地面对照中发育的异常钩。典型的下胚轴钩 ， 是深色幼苗的特征 ， 在 G 1g 幼苗中发育 （ Bar = 500 μ m ） 。Al.， 1974) 。Epiasty 在很大程度上是由乙烯调节的，据报道，这种气态植物激素的水平在航天飞机舱内升高 （ Gisiger 和 Kiss，1999 年 ； Campbell 等人。， 2001) 以及俄罗斯和平号空间站。航天飞机和 ISS 的结果表明，微重力诱导的幼苗形态变化和编码基因表达降低。 10乙烯生物合成酶 （ Kiss 等人 ， 2000; Wakabayashi 等人 ， 2017 ） 。这些观察结果支持以下假设 ： 太空飞行期间发生的恶臭部分是由于乙烯。最近对国际空间站的研究导致了对其他植物运动的更多见解，这些植物运动通常由于地球上普遍存在的重力而受到抑制。例如，环化是一种振荡的植物运动，被证明在向日葵幼苗 （ Heliaths as ） 的失重条件下持续存在，证明这是一种真正的内源性节奏，就像达尔文所建议的那样。但它也是。Shannon Lucid 检查在和平号空间站的 Svet 植物生长室中生长的小麦。 （ 来源 ： NASA ）依赖于重力 (小林等人。， 2019 年 ） 。用胚芽鞘环化水稻 (Oryza 。Sativa ） 引力性突变体验证了早期的观察结果，即微重力阻碍了模型植物拟南芥中花序茎的环旋 （ Johsso 等人。， 2009) 。相比之下，主要在拟南芥或豆瓣菜的根中观察到的倾斜和波动现象，在坚硬的基质上生长，似乎受重力的影响较小。这一结论得到了 A.thaliaa 在航天飞机和国际空间站中的根仍然倾斜 (Millar 等人。， 2011 ； 保罗等人。， 2012 ； Naashima 等人。, 2014) 。分析。太空中的拟南芥突变体揭示了细胞骨架是调节微重力下根偏斜的途径的组成部分 （ Nakashima 等人 ， 2014; Califar 等人 ， 2020 ） 。关于水溶性和向光性的研究也从国际空间站的工作中取得了进展。黄瓜 (Cucumis sativus) 根在国际空间站上显示出比地球上更强的水溶响应。水溶响应取决于植物激素生长素的重新分布 (Morohashi 等人 ， 2017) 。关于向光性 ， 请使用A.ISS 上的 thaliaa 幼苗发现了响应蓝光和红光的根系定向生长的变化，这种现象通常被地球上的重力掩盖 （ Millar 等人。， 2010 ； 范登布林克等人。, 2016) 。Valbea 等人证明了红光向光性和重力分数对根系生长的相互作用。(2018) 。总之，国际空间站的微重力环境提供了独特的机会，可以扩大对重力和其他热带响应的研究的广度，这些研究可能有益于太空作物生产以及地球上的农业。 11多组学方法提供了植物如何适应太空飞行的线索在过去的十年中，国际空间站对植物太空生物学的最重要贡献可能是使用多组学方法来更好地了解植物如何适应航天环境。Omics 涵盖一系列学科，旨在对分子进行全局表征，以产生有关生物过程的假设。基因组学 （ 转录组学 ），蛋白质组学和代谢组学是最常用的组学方法。其中，ISS 上的植物转录组学研究是最受欢迎的，因为全基因组测序技术的快速进步，复制分析所需的少量材料，以及建立了 NASA 赞助的基因表达数据集 Geelab 存储库 （ https ： / / www 。asa.gov / geelab) (Berrios 等人， 2021 年 ； 迈尔斯和怀亚特，2022 年) 。微重力中的大多数转录组学研究都是使用 A 进行的。thaliaa 因为丰富的基因组资源可用于研究这种模式植物。在 A. 上进行了航天飞机和国际空间站时代的植物转录本分析。在各种航天硬件中生长的 thaliaa 幼苗 （ Mazao 等人。， 2022 年 ） 。结果表明，尽管太空和地球植物之间的差异表达基因在研究中差异很大，但它们属于细胞壁重塑，氧化应激，对病原体的反应和光合作用的广泛类别 （ K