王丟兜 @ 2015.08.20 , 10:00 am
宇航員Cady Coleman在柯侖比亞航天飛機(jī)上收獲我們的植物。NASA, CC BY
重力是地球上所有生物體的常量，它影響我們生理、行為和發(fā)育的方方面面——不管你是哪種生物，你在演化環(huán)境里都是由重力讓你接上地氣。
但是，當(dāng)你離開熟悉環(huán)境，被放到演化經(jīng)驗(yàn)之外的情況中，會(huì)發(fā)生什么？這也是我們每天都會(huì)問(wèn)
實(shí)驗(yàn)室里的植物們的問(wèn)題。一開始它們是種在這里的地面實(shí)驗(yàn)室中，但它們也正在去往太空的旅途之中。對(duì)于一株植物來(lái)說(shuō)，還有什么環(huán)境能比零重力太空飛行更新奇呢？
通過(guò)研究植物對(duì)于太空生活會(huì)有什么反應(yīng)，我們能更好地學(xué)習(xí)它們?nèi)绾芜m應(yīng)環(huán)境變遷。植物不僅對(duì)于地球生命的幾乎所有方面至關(guān)重要，它們對(duì)我們探索宇宙更為關(guān)鍵。當(dāng)我們展望太空殖民的可能未來(lái)，了解植物在離星條件下如何表現(xiàn)對(duì)我們生死攸關(guān)，我們?nèi)缓蟛趴梢砸蕾囁鼈冊(cè)谔涨吧谡纠镅h(huán)空氣和水，并為我們提供食物。(相關(guān)蛋文：
太空作物豐收：宇航員一小口，人類一大口)
宇航員Jeff Williams在國(guó)際空間站上收獲我們的擬南芥植株。NASA, CC BY
所以，即使我們還在這里呆在地上，
我們的研究植物已經(jīng)升空飛往
國(guó)際空間站。它們已經(jīng)就零重力生長(zhǎng)帶給我們一些驚喜——也動(dòng)搖了我們關(guān)于植物在地球上如何生長(zhǎng)的一些想法。
從重壓下的植物身上學(xué)習(xí)
如果你對(duì)環(huán)境壓力感興趣，植物就是特別好的研究對(duì)象。因?yàn)樗鼈冎荒艽糁粍?dòng)——生物學(xué)家們所謂的固著生物——植物必須機(jī)智地就地應(yīng)對(duì)環(huán)境扔給它們的任何狀況，它們沒(méi)有移動(dòng)到更有利地點(diǎn)這個(gè)選項(xiàng)，對(duì)于改變周遭環(huán)境也做不了什么。
但它們能做的是改變它們的內(nèi)部“環(huán)境”——而植物是操控新陳代謝來(lái)應(yīng)付周遭滋擾的大師。這種特性正是我們?cè)谘芯恐惺褂弥参锏脑蛑?；即使是在新奇的太空環(huán)境里，我們也信任它們會(huì)敏感地匯報(bào)環(huán)境改變。
自從我們有能力進(jìn)入太空以來(lái)，人們一直好奇于植物對(duì)太空旅行如何反應(yīng)。早在1999年，我們?cè)诟鐐惐葋喬?hào)航天飛機(jī)上搭載了
我們的第一項(xiàng)太空飛行實(shí)驗(yàn)，而那時(shí)我們學(xué)到的東西至今仍在助力關(guān)于植物如何應(yīng)對(duì)重力缺失的新假說(shuō)。
本文作者Robert Ferl(前)和Anna-Lisa Paul(中)在NASA自由落體飛機(jī)的微重力環(huán)境中進(jìn)行植物實(shí)驗(yàn)。NASA, CC BY
身在佛羅里達(dá)，研究植物在太空
高級(jí)生物研究系統(tǒng)太空飛行硬件顯示了帶有植物的培養(yǎng)皿。Anna-Lisa Paul, CC BY
太空飛行需要專門的生長(zhǎng)棲息地，專門的觀察和采樣工具，以及當(dāng)然，在軌道上照顧它們的專門人員。
一個(gè)典型的實(shí)驗(yàn)以地球上我們實(shí)驗(yàn)室中在營(yíng)養(yǎng)凝膠培養(yǎng)皿里種植休眠中的擬南芥種子開始。這種凝膠(不像土壤)在零重力下不會(huì)散開，并提供植物生長(zhǎng)所需的水和養(yǎng)分。植物然后用黑布包裹著送往甘乃迪太空中心，最終裝載在獵鷹9號(hào)火箭頂部的龍式太空艙里，飛往ISS。
一旦對(duì)接，一名宇航員把這些培養(yǎng)皿插入植物生長(zhǎng)硬件，其內(nèi)部光線刺激種子發(fā)芽，照相機(jī)隨時(shí)間推移記錄幼苗的成長(zhǎng)，到實(shí)驗(yàn)結(jié)束，宇航員收獲生長(zhǎng)了12天的植物，用管子保存起來(lái)。
一旦保存的樣品送回給地球上的我們，就能跑更多的實(shí)驗(yàn)，來(lái)調(diào)查植物在軌道上進(jìn)行的獨(dú)特代謝過(guò)程。
我們和同事們建造的成像系統(tǒng)，用于在自由落體飛行中捕獲植物基因表達(dá)熒光數(shù)據(jù)，最終用于亞軌道飛行。Robert Ferl, CC BY
在實(shí)驗(yàn)室中揭秘
我們最早發(fā)現(xiàn)的事情之一是，每個(gè)人都假定需要重力參與的某些根系生長(zhǎng)策略根本就不需要重力。
為了尋找水和養(yǎng)分，植物需要向外生長(zhǎng)根系。在地球上，重力是生長(zhǎng)方向最重要的“線索”，但植物也使用觸覺(jué)(可以把根尖想成是敏感的指尖)來(lái)幫助繞過(guò)障礙。
早在1880年，達(dá)爾文發(fā)現(xiàn)植物在傾斜表面上生長(zhǎng)時(shí)，根系并不向四周生長(zhǎng)，而是朝向一邊。這種根系生長(zhǎng)策略叫做“斜向生長(zhǎng)模式”。
達(dá)爾文假說(shuō)這是由重力和根系接觸表面的共同作用導(dǎo)致的——而130年來(lái)，每個(gè)人也都是這么想的。
根系斜向生長(zhǎng)——無(wú)需重力
但在2010年，我們看到我們種在ISS上的植物根系在培養(yǎng)皿表面以
完美的斜向方式生長(zhǎng)——并不需要重力，這讓我們大吃一斤。既然明顯不是重力，那軌道上斜向生長(zhǎng)的原因是什么呢？
ISS上的植物確實(shí)有獲得生長(zhǎng)方向線索的第二潛在信息來(lái)源：光。我們假說(shuō)當(dāng)缺少重力把根系指向“遠(yuǎn)離”莖葉方向時(shí)，光就扮演了引導(dǎo)根系的更重要角色。
而我們發(fā)現(xiàn)的是，光確實(shí)重要，但不是任何光線都可以——必須有一個(gè)漸變的光線強(qiáng)度才能有效指引。這就好像好聞的氣味：當(dāng)曲奇剛出爐時(shí)你可以閉著眼睛找到廚房，但等整個(gè)房子都溢滿巧克力曲奇的香氣時(shí)，你就找不到路了。
它們即時(shí)調(diào)整代謝工具箱
在沒(méi)有重力的情況下，植物不能使用通常的導(dǎo)航“工具”，因此只得拼湊出另一套方案。它們能通過(guò)調(diào)控基因表達(dá)方式，制造或多或少有幫助的特定蛋白質(zhì)。植物的不同部位都會(huì)做出自己的基因調(diào)控策略。
發(fā)光植物能讓我們看到哪些基因活躍，因此我們就知道哪些蛋白質(zhì)被制造。
我們發(fā)現(xiàn)一些涉及生成和重塑細(xì)胞壁的基因在太空生長(zhǎng)植物中被
不同地表達(dá)。涉及光感的其他基因——在地球上通常表達(dá)在葉上——在ISS上在根部得到表達(dá)。在葉中很多與植物激素信號(hào)有關(guān)的基因被抑制，而與昆蟲防御有關(guān)的基因則更加活躍。在涉及信號(hào)、細(xì)胞壁代謝和防御的蛋白質(zhì)的相對(duì)豐度中也能看到
同樣趨勢(shì)。
這些基因和蛋白質(zhì)的模式在向我們講述故事——植物在微重力下的反應(yīng)是松動(dòng)細(xì)胞壁，以及創(chuàng)造感應(yīng)環(huán)境的新方式。
改造過(guò)的擬南芥植物。綠色顯示綠色熒光蛋白質(zhì)(GFP)表達(dá)的地點(diǎn)，紅色顯示葉綠素的天然熒光。Anna-Lisa Paul, CC BY
我們用熒光標(biāo)記特定蛋白質(zhì)實(shí)時(shí)追蹤這些基因表達(dá)改變，經(jīng)改造帶有
發(fā)光熒光蛋白質(zhì)的植物就能隨時(shí)“報(bào)告”它們?nèi)绾雾憫?yīng)環(huán)境，這些改造過(guò)的植物就能作為生物感應(yīng)器。專門的照相機(jī)和顯微鏡讓我們跟蹤植物如何利用這些熒光蛋白質(zhì)。
作者們?cè)诘厍蛏现亟ㄎ⒅亓l件的“嘔吐彗星”號(hào)上。
來(lái)自太空的見解
這種研究在根本的分子水平上更新了我們對(duì)植物如何應(yīng)對(duì)外部刺激的理解。我們對(duì)于植物如何應(yīng)對(duì)新奇和極端環(huán)境了解得更多，對(duì)理解地球上的植物如何應(yīng)付所面臨的環(huán)境變化就更有備無(wú)患。
當(dāng)然我們的研究也有助于使我們的生物學(xué)走出這個(gè)星球的集體努力。重力并不像我們?cè)?jīng)認(rèn)為的那樣對(duì)植物性命攸關(guān)，這項(xiàng)觀察對(duì)于在其它低重力行星、甚至無(wú)重力太空船上的農(nóng)業(yè)前景是個(gè)好消息。人類是探索者，當(dāng)我們離開地球軌道，我們必然會(huì)帶上植物同行！
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