Et spørgsmål om tyngdekraft - at forstå, hvordan planter vokser i rummet

Sidste måned tordnede en raket fra en NASA-affyringsrampe i Virginia, bestemt til den internationale rumstation. Beliggende blandt de 7, 400 lbs. of supplies var en håndfuld frø designet til at åbne nye vinduer til vores viden om, hvordan planter vokser i rummet - information, der kunne føre til dyrkning af frisk mad i rummet for folk ombord på rumstationen eller producere biobrændstof på vores egen planet.

Designerfrøene blev skabt i Norman Lewis laboratorium, en videnskabsmand fra Washington State University, der har ledet den mangeårige indsats for at få frøene ud i rummet. Lewis' indsats gav endelig pote, da et rumfartøj eksploderede fra NASA's Wallops Flight Facility i de små timer den 21. maj. Det er det allerførste eksperiment, der skal udføres i NASA's avancerede plantehabitat - det mest avancerede miljøvækstkammer nogensinde i rummet - på International Rumstation.

Frøene vil vokse ind i planten Arabidopsis, mere almindeligt kendt som thale karse. Forsøget sætter almindeligt ukrudt, findes ofte langs vejkanten eller i sprækker i fortovet, helt i spidsen for rumkolonisering. For hvis folk skal begive sig ud på en årelang mission til Mars, de bliver nødt til at dyrke frisk mad undervejs. At gøre det, vi skal forstå, hvordan planter vokser i rummet.

Lewis arbejder sammen med forskere ved EMSL, det miljømolekylære laboratorium, en Department of Energy Office of Science User Facility ved Pacific Northwest National Laboratory. EMSL videnskabsmand Mary Lipton vil lede analysen af ​​tusindvis af planternes proteiner for at forstå, hvordan planterne dyrket i rummet sammenlignes med modstykker dyrket under identiske forhold – bortset fra tyngdekraften – tilbage på Kennedy Space Center i Cape Canaveral, Fla.

Projektet har mere end 180 sensorer trænet på planterne, foretage detaljerede målinger af temperatur, belysning, ilt, carbondioxid, fugt og andre variabler, da rumstationen suser mere end 17, 000 miles i timen rundt om Jorden, 254 miles over vores hoveder.

Jordens tyngdekraft er stadig formidabel i den højde, så det er ikke helt rigtigt at kalde miljøet "nul tyngdekraft". Planterne vil være i en kontinuerlig tilstand af frit fald, et miljø, som forskerne kalder "mikrogravitation".

Det er første gang, planter vil blive dyrket i rummet under præcist kontrollerede forhold, og sammenlignet med identiske modstykker dyrket under tilsvarende præcise forhold. På rumstationen, en omgang data vil blive indsamlet hvert femte sekund, og tre kameraer vil tage to billeder hver dag for at overvåge væksten.

Kernen i eksperimentet er seks typer af Arabidopsis:en vildtype, en med en forbedret kulstoffangstmekanisme og fire med kompromitteret ligninsyntese.

Fokus er på ligninet, det hårde plantevægsstof, der gør det muligt for planter at trodse tyngdekraften og vokse oprejst. Forskere vil studere, hvordan planterne reagerer på rumstationens vægtløse forhold. For eksempel, vil planterne stadig vokse "op" selv i et mikrogravitationsmiljø?

Lignin tjener planter godt på så mange måder. Det gør planter svære at spise, beskytte dem mod planteædere. Det beskytter systemet, der transporterer næringsstoffer og vand gennem hele planten. Og det giver dem mulighed for at trodse tyngdekraften og vokse opad i stedet for at være amorfe jordbundne klatter.

Men materialet, en bogstavelig mur i en plante, er også en barriere for, at forskere på EMSL og andre steder forsøger at skabe nye plantebaserede biobrændstoffer. Lignin gør planter modstandsdygtige over for kemisk manipulation, til omdannelse til plantebaserede biobrændstoffer. Således interessen i at udforske adfærden hos planter med mangel på lignin til jordbaseret, hverdagen.

"Planter stærkt reduceret i lignin kan stadig leve og vokse, men de er ikke rigtig stærke nok til at trives under de fleste forhold. De kan ikke rigtig stå op af sig selv – det er som at have færre knogler i din krop for at holde dig strukturelt intakt. Men under betingelserne for mikrogravitation, planterne kan klare sig fint med mindre lignin, " sagde Lewis, en Regents-professor ved WSU's Institute of Biological Chemistry.

Levedygtige planter med mindre lignin byder på mange ting. På jorden, mindre lignin betyder nemmere metoder til at udvinde nyttig energi fra planten. I rummet, hvis plantens energi kan ledes væk fra at skabe amorf lignin, måske kunne mere af planten spises – mere mad til astronauter på langdistancemissioner og måske produceret mere ilt, så astronauterne kan trække vejret. Dette ville også gøre pladsdyrkede planter nemmere at genbruge.

Mens videnskabsmænd har dyrket ting i rummet i 30 år - salat, kål, kartofler, solsikker, ærter – planterne skabt af Lewis' laboratorium er de mest sofistikerede planter, der nogensinde har kørt på rumstationen.

Disse planter var en del af nylige undersøgelser i Lewis-laboratoriet, der inkluderede EMSL-forsker Kim Hixson, der modtog sin ph.d. i Lewis-laboratoriet i sidste måned. der, Lewis leder en besætning med ekstraordinær viden om lignin - hvilke molekyler der styrer dets aflejringsmønstre, og hvad der sker, når nøglegener eller proteiner slås ud. Som kandidatstuderende i laboratoriet, Hixson studerede former for molekyler kendt som dehydrataser, som udfører meget af den molekylære magi, der er involveret i at regulere lignin i planter.

"På jorden, planter har brug for lignin; det giver planter stivhed til at stå imod tyngdekraften. Men hvad sker der i en mikrogravitationssituation? Det er det, vi udforsker, sagde Hixson.

Hixson og kolleger ved WSU fandt indikationer på, at en ændring i ligninniveauer påvirker det, der er kendt som "phosphoproteome, " undergruppen af ​​proteiner, der aktivt tændes eller slukkes under visse betingelser.

Mens Lewis er en veteran rumfarmer, efter at have dyrket douglasgran, hvede og andre planter på rumfærger, da de var i brug, nutidens ressourcer hos EMSL og andre steder tilbyder at give ham et dybere blik end nogensinde før på, hvad der sker inde i planter.

Han og Lipton har haft et langvarigt samarbejde, og Lewis stolede på EMSL-ressourcer til at udføre noget af det tidlige arbejde, der satte scenen for det nuværende eksperiment. Lipton, som har en fælles ansættelse hos WSU, er en del af det NASA-finansierede konsortium Lewis, der blev sammensat for flere år siden for at forfølge forskningen. Projektet omfatter også forskere ved University of New Mexico, New Mexico Consortium og Los Alamos National Laboratory.

Videnskaben på jorden vil ramme feber sent i efteråret, efter at planterne i det rumbaserede drivhus er høstet og fanger en flyvning tilbage til Jorden. Ukrudtet fra rummet vil blive skåret og skåret i tern og transporteret til flere laboratorier, inklusive EMSL, hvor de vil være med til at sætte scenen for vores fremtid, på denne planet og andre steder.