Broccoli i rummet - hvordan probiotika kunne hjælpe med at dyrke grøntsager i mikrotyngdekraft

Astronauter på den internationale rumstation bruger mere tid væk fra Jorden, men de har stadig brug for deres daglige servering af grøntsager. I søgen efter at finde en levedygtig måde, hvorpå besætningen kan dyrke deres egne grøntsager, mens de kredser – og muligvis en dag på månen eller Mars – sender studerende broccolifrø belagt med en sund dosis probiotika til rummet.

Seks broccoli frø var ombord på Orbital ATK Cygnus rumfartøjet, der blev opsendt i denne uge fra Wallops Island, Virginia, som en del af en rumstations-fragtforsyningsmission. Tre af frøene rejser til rummet, som de er, mens de tre andre var belagt med to forskellige arter af bakterier, udviklet ved University of Washington, som kan leve inde i afgrødeplanter og forbedre deres vækst. Disse "gavnlige" mikrober, også kaldet endofytter, kan også hjælpe planter med at vokse bedre i miljøer med ekstrem lav tyngdekraft, og hvor næringsstoffer eller vand kunne mangle.

Målet med eksperimentet, udført af elever på Valley Christian High School i San Jose, Californien, er at lære at dyrke grøntsager i de udfordrende, mikrotyngdekraftsforhold i rumstationen - og til sidst på månen og Mars - efterhånden som menneskets rumudforskning udvides. Udviklet af et team på 11 studerende, de indledende jordforsøg viste sig at være vellykkede, da broccolien voksede hurtigere og væsentligt større end kontrolundersøgelsen.

"Det ville være ideelt, hvis vi kunne dyrke afgrøder til astronauter på rumstationen, eller som er måne- eller Mars-baserede uden at skulle sende potteblanding eller gødning, " sagde Sharon Doty, en UW-professor på School of Environmental and Forest Sciences og en plantemikrobiolog, der isolerede og karakteriserede de mikrober, der blev brugt i dette eksperiment. "Vi vil gerne kunne få planter til at gro i det, der er tilgængeligt med et minimum af input."

De studerende deltager i Quest Institute for Quality Educations "Quest for Space"-program og vejledes af David Bubenheim fra NASA-Ames Research Centers Biospheric Science Branch og John Freeman fra Intrinsyx Technologies. Eksperimentet blev forberedt i et flyvelaboratorium placeret ved NASA-Ames Research Center i Californien.

Freeman har testdyrket mange planter ombord på den internationale rumstation, og har også brugt de samme mikrober til at øge væksten af ​​afgrødeplanter såsom tomater, salat, sojabønner, hvede, majs og broccoli. Freeman har fundet ud af, at planterne trives, selv når der gives mindre vand og essentielle næringsstoffer som nitrogen og fosfor.

Hans arbejde bekræfter også en undersøgelse fra 2016, hvor Doty og medforfattere fandt ud af, at planter bedre kan tolerere tørke og andre miljømæssige stressfaktorer ved hjælp af naturlige mikrober, der giver næringsstoffer til deres plantepartnere.

Disse specifikke endofytter og broccoliplanter blev udvalgt til rumflyvningseksperimentet, fordi de klarede sig godt sammen i drivhustests under dyrkningsforhold, der ligner Mars, hvor nitrogen og fosfor er begrænset, sagde Freeman.

Mens en række forskellige grøntsagsdyrkningseksperimenter er blevet udført ombord på den internationale rumstation, dette er den første, der studerer naturlige mikrober for muligvis at hjælpe planter med at vokse under næringsstofbegrænsninger og i mikrotyngdekraft, han sagde.

"I rummet, planter er meget stressede og vokser eller formerer sig ikke godt, " Freeman forklarede. "Vi ønsker, at planter skal vokse bedre. Vi prøver broccoli, fordi det betragtes som en anti-kræftfremkaldende fødevarekilde, der er en god kostkandidat for opdagelsesrejsende i dybt rum."

Mikroberne er først indkapslet inde i en belægning, der dækker broccolifrøene, som beskytter frøene mod dehydrering og giver mulighed for sikker tør opbevaring, før frøene hydreres og dyrkes i kredsløb. Når de endofytbelagte broccolifrø når rumstationen, de vil blive hydreret i et lille plantevækstkammer, der giver konstant lys for at fremme fotosyntesen. Kameraer tager billeder af frøplanterne med jævne mellemrum, som vil hjælpe gymnasieforskerne og deres mentorer med at spore den samlede frøplantevækst.

Efter at planterne vender tilbage fra rummet, eleverne vil måle deres vækst og klorofylindhold og sammenligne den podede broccoli med dem, der er dyrket uden mikrober.

Separat, Doty og hendes team vil modtage planteprøver for at undersøge, hvor godt de to mikrobearter koloniserede broccolien i rummet, og om de var lige så effektive, som da de blev dyrket på Jorden.

"Vi vil gerne vide, om mikroberne stadig finder vej ind i planten selv i mikrogravitation, og hvis nogen af ​​de påkrævede plantesignaler er jordbaserede, " sagde Doty. "Vi er nødt til at teste, om de stadig fungerer, som vi ville forvente, når de vokser i et andet miljø som mikrogravitation."

Doty og hendes UW-team isolerede de mikrober, der blev brugt i dette eksperiment for mere end et årti siden fra vilde pileplanter, der voksede på næringsfattigt land blandt klipperne og sandet langs Snoqualmie-floden. Planterne havde allerede udvalgt de bedste mikrober til at hjælpe dem med at vokse under barske forhold, så forskerne benyttede sig af disse vigtige mikrobielle stammer og brugte dem til at hjælpe afgrødeplanter, græsser og træer vokser i vanskelige miljøer.

Disse mikrober kan gavne planter af alle slags, hjælpe dem med at omdanne nitrogen fra luften til essentielle næringsstoffer for planten og reducere behovet for syntetisk gødning, i tilfælde af afgrødeplanter som broccoli.

I separate projekter, Doty og hendes laboratorium, sammen med Bubenheim og Freeman, begynder at teste, om planter givet naturlige pile- og poppelmikrober kan vokse under forhold, der eksisterer på månen og på Mars. De bruger regolith-simulant - jordet stenmateriale uden organisk materiale - der efterligner udenjordiske forhold begge steder for at se, om mikrober kan hjælpe planter med at vokse under ellers barske forhold. Arbejdet er også en del af UW Astrobiology Program, som var den første universitetsuddannelse af sin art, da den blev lanceret for 20 år siden.

"Dette er det første skridt i, hvad jeg håber bliver et virkelig langsigtet forskningsprogram for at udvikle beboelse på Mars og på månen på en meget effektiv måde ved hjælp af naturlig symbiose i stedet for at forsøge at bringe kemisk gødning til disse miljøer, " sagde Doty.