植物在零重力条件下如何生长？

重力是地球上所有生物的常量。它影响着我们生理、行为和发育的各个方面——无论你是什么，你都是在重力将我们牢牢地扎根在地面的环境中进化的。

但是，如果你离开熟悉的环境，置身于你进化经历之外的境地，会发生什么呢？这正是我们每天对实验室中培育的植物提出的问题。它们从我们地球实验室开始，但正在前往外太空。对于植物来说，还有什么比太空飞行的零重力条件更新颖的环境呢？

通过研究植物对太空生命有何反应，我们可以更多地了解它们如何适应环境变化。植物不仅对地球上生命的几乎每个方面都至关重要，而且对我们探索宇宙也至关重要。当我们展望未来可能的太空殖民时，在我们依靠太空前哨站中的植物来循环利用我们的空气和水并补充我们的食物之前，了解植物在地球外的生存状况至关重要。

宇航员 Jeff Williams 在国际空间站收获我们的拟南芥植物。NASA ， CC BY

因此，即使我们还在地面上，我们的研究植物也会升空并前往国际空间站 (ISS)。它们已经给我们带来了一些关于在零重力下生长的惊喜——并颠覆了我们对植物如何在地球上生长的一些想法。

向受压植物学习

如果你对环境压力感兴趣，植物是特别好的研究对象。由于它们被困在一个地方——我们生物学家称之为固着生物——植物必须巧妙地应对环境给它们带来的任何影响。移居到更有利的地方不是一种选择，而且它们几乎无法改变周围的环境。

但它们能做的是改变它们内部的“环境”——植物善于操纵新陈代谢来应对周围环境的干扰。这一特性是我们在研究中使用植物的原因之一；我们可以依靠它们敏感地报告环境变化，即使在太空飞行等新环境中也是如此。

从人类能够进入太空以来，人们就一直对植物如何应对太空飞行感到好奇。1999 年，我们在哥伦比亚号航天飞机上进行了首次太空飞行实验，当时我们学到的东西仍然激发了关于植物如何应对失重的新假设。

作者罗伯特·费尔（前）和安娜·丽莎·保罗（中）在美国宇航局抛物线飞行器的微重力条件下进行植物实验。美国宇航局，CC BY

我们在佛罗里达，我们的研究工厂在太空

太空飞行需要专门的生长环境、专门的观察和样本采集工具，当然还需要专门的人来照顾轨道上的实验。

先进生物研究系统太空飞行硬件展示了培养皿中的植物。Anna -Lisa Paul ，CC BY

在我们实验室的地球上，一个典型的实验开始于将休眠的拟南芥种子种植在含有营养凝胶的培养皿中。这种凝胶（与土壤不同）在零重力下保持不动，并为生长中的植物提供所需的水分和养分。然后将培养皿用深色布包裹起来，带到肯尼迪航天中心，最终装入猎鹰 9 号火箭顶部的龙飞船，搭乘飞船前往国际空间站。

进入太空后，宇航员将盘子插入植物生长硬件中。里面的光线刺激种子发芽，摄像机记录幼苗随时间的增长，实验结束时，宇航员收获 12 天大的植物，并将它们保存在防腐剂管中。

一旦返回地球，我们可以对保存的样本进行更多测试，以研究植物在轨道上运行的独特代谢过程。

我们与同事共同打造的成像系统，用于在抛物线飞行和最终的亚轨道运行过程中捕捉荧光植物基因表达数据。Robert Ferl ，CC BY

在实验室里解开谜团

我们首先发现的是，某些人们认为需要重力的根部生长策略实际上根本不需要重力。

为了寻找水和养分，植物的根需要远离种植地。在地球上，重力是生长方向最重要的“线索”，但植物也利用触觉（将根尖想象成敏感的指尖）来帮助绕过障碍物。

早在 1880 年，查尔斯·达尔文就指出，当你沿着倾斜的表面种植植物时，根系不会直接从种子上长出来，而是向一侧倾斜。这种根系生长策略被称为“倾斜”。达尔文假设，重力和根系在表面的接触是造成这种现象的原因——130 年来，其他人也都这么认为。

根部倾斜生长——没有重力。

但在 2010 年，我们看到我们在国际空间站种植的植物的根系在培养皿表面行进，这是根系倾斜的完美例子——不需要重力。这真是令人惊讶。那么，既然显然不是重力，那么在轨道上根系倾斜的真正原因是什么呢？

国际空间站上的植物确实有第二个潜在的信息来源，它们可以从中获得方向提示：光。我们假设，在没有重力将根部指向“远离”叶子方向的情况下，光在根部引导中起着更大的作用。

我们发现，光线确实很重要，但并不是任何光线都可以——光线强度必须有梯度才能起到有用的指引作用。想象一下好闻的气味：当饼干刚从烤箱里出来时，你可以闭上眼睛找到厨房，但如果整个房子都弥漫着巧克力饼干的香味，你就找不到路了。

随时调整新陈代谢工具箱

在没有重力的情况下，植物无法使用它们习惯的“工具”来导航，所以它们必须想出另一种解决方案。它们可以通过调节基因表达的方式来做到这一点。这样它们就可以制造出更多或更少的特定蛋白质，这些蛋白质在零重力下是有用的还是无用的。植物的各个部分都想出了自己的基因调控策略。

发光植物让我们看到哪些基因是活跃的，因此我们可以知道哪些蛋白质正在被制造。

我们发现，太空种植的植物中，许多与细胞壁的形成和重塑有关的基因表达方式不同。其他与光感应有关的基因（通常在地球上的叶子中表达）在国际空间站的根部中表达。在叶子中，许多与植物激素信号传导有关的基因受到抑制，而与昆虫防御有关的基因则更为活跃。在参与信号传导、细胞壁代谢和防御的蛋白质的相对丰度中也看到了同样的趋势。

这些基因和蛋白质的模式讲述了一个故事——在微重力条件下，植物通过松弛细胞壁来做出反应，同时创造新的方式来感知环境。

转基因拟南芥植物。绿色表示绿色荧光蛋白 (GFP) 的表达位置，红色表示叶绿素的天然荧光。Anna -Lisa Paul ，CC BY

我们通过用荧光标签标记特定蛋白质来实时跟踪这些基因表达变化。利用发光荧光蛋白进行基因改造的植物可以“报告”它们对环境的反应。这些基因改造植物充当生物传感器 - 简称“生物传感器”。专业相机和显微镜让我们可以跟踪植物如何利用这些荧光蛋白。