精英作物登陸未來太空農(nóng)場

李晨

未來，假如人類移民太空，農(nóng)作物是否還能陪伴人類走向地外星球，繼續(xù)為人類提供豐富的食物？

隨著人類探索太空的步伐不斷加快，以空間食物保障為核心的太空農(nóng)業(yè)引發(fā)越來越廣泛的關(guān)注。

近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)業(yè)研究所（以下簡稱都市所）在《自然—通訊》發(fā)表展望性文章，深入分析了太空農(nóng)業(yè)系統(tǒng)對(duì)作物的獨(dú)特要求，創(chuàng)新性地提出了面向太空農(nóng)場進(jìn)行作物改良的全株可食精英植物策略。

1、人類上太空吃什么？

隨著世界人口的不斷增長，有限的地球資源面臨枯竭的威脅。論文通訊作者、都市所研究員任茂智認(rèn)為，人類即將進(jìn)入大航天時(shí)代，飛上太空之后吃什么是一個(gè)必須認(rèn)真思考的問題。

論文共同通訊作者、都市所研究員楊其長表示，隨著外太空探索的不斷深入，宇航員以及星月旅居人員食物保障的供給方式將會(huì)提到議事日程，農(nóng)業(yè)的形態(tài)也將由鄉(xiāng)村農(nóng)業(yè)和都市農(nóng)業(yè)延伸到太空農(nóng)業(yè)。

“太空食物的首選是植物。”任茂智說，植物是第一生產(chǎn)者，它可以提供人類生存所需要的淀粉、油脂和蛋白質(zhì)。

植物在空間站中仍然可以開枝散葉，進(jìn)行營養(yǎng)生長，但一般很難開花結(jié)果，而且植物蛋白相比動(dòng)物蛋白更不易于人類吸收。因此，如何改造農(nóng)作物，使之既能夠適應(yīng)太空環(huán)境，又能夠?yàn)槿祟愄峁┤娴臓I養(yǎng)，就成為遴選太空植物的標(biāo)準(zhǔn)。

“在此基礎(chǔ)上，我們認(rèn)識(shí)到，全株可食用的作物應(yīng)當(dāng)是未來太空農(nóng)場中首選的農(nóng)作物。如果根莖葉都可食用的話，不需要等到農(nóng)作物開花結(jié)果，作物長出來一點(diǎn)就能為人類提供食物了?！比蚊钦f。

2、全株可食的農(nóng)作物

為了尋找易于改造的作物，研究人員遴選了幾百種植物，包括水稻、小麥、玉米、棉花、馬鈴薯，甚至包括沙漠中常見的駱駝刺。

水稻、小麥、玉米的可食用部分只有種子，莖稈要改造成可供人類食用比較困難。駱駝刺雖然耐逆境生存能力很強(qiáng)，可能更加適應(yīng)地外空間的環(huán)境，但它產(chǎn)量低，不可供人類食用，改造難度也很大。

針對(duì)太空農(nóng)業(yè)的特殊需求，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的首個(gè)“月球微型農(nóng)場”于2019年1月經(jīng)嫦娥4號(hào)送上月球背面，搭載了中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院培育的棉花、油菜和馬鈴薯種子，完成了人類首次在月球培育植物幼苗的試驗(yàn)，拉開了農(nóng)業(yè)走向太空的序幕。

隨后，該團(tuán)隊(duì)將目光投向了傳統(tǒng)作物馬鈴薯。馬鈴薯生長3個(gè)月后就可以結(jié)出薯塊，薯塊可食用，而且營養(yǎng)豐富，是一種改造起來比較容易的作物。

任茂智表示，馬鈴薯的果實(shí)和莖葉目前還不能直接食用的主要原因是含有龍葵素這種毒素。假如能培育出不產(chǎn)生龍葵素的馬鈴薯，那么果實(shí)和莖葉都可以食用。而利用基因編輯技術(shù)就能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

此外，任茂智還想給馬鈴薯加上不同的特殊基因，使其產(chǎn)生一些人類在太空中需要的物質(zhì)。

例如，抗氧化物質(zhì)蝦青素、抗高原反應(yīng)的紅景天苷、人們愛吃的牛肉蛋白，甚至可食用抗體和疫苗，都可以在馬鈴薯中添加相關(guān)基因，作為生物反應(yīng)器來生產(chǎn)。

楊其長介紹，我們?cè)O(shè)想中的太空農(nóng)場主要采用無土栽培生產(chǎn)方式，尤其是優(yōu)先考慮固體基質(zhì)栽培或氣霧栽培。所創(chuàng)制的全株可食精英馬鈴薯，在人工可控環(huán)境下采用氣霧栽培可實(shí)現(xiàn)光溫水氣肥的一體化控制，大幅度提高馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)。這種氣霧栽培也非常有利于定植與采收。

“實(shí)際上，除了馬鈴薯，很多十字花科作物都是全株可食用的，只要稍加改造使之適應(yīng)太空環(huán)境也能成為優(yōu)秀的精英作物?！比蚊钦f。

3、生物多樣性提供豐富的基因資源

從地球到太空，有三類太空農(nóng)場應(yīng)用場景——

首先是微重力的空間站，其次是太陽系內(nèi)的月球基地和火星基地，最后是外太空的類地行星。

這三類環(huán)境都需要設(shè)計(jì)不同的農(nóng)作物。尤其是太空中已知的與地球接近的行星大約有1000多顆，這些行星上尚未發(fā)現(xiàn)植被或其他生命體?！斑@意味著地球?qū)⑹怯钪嬷参锏钠鹪粗行摹！比蚊钦f。

而且，每一顆類地行星的環(huán)境都與地球不同?！氨R未動(dòng)糧草先行，科學(xué)家要提前設(shè)計(jì)好適應(yīng)不同需求的植物，先讓植物去改造?！比蚊钦f，這就需要打破學(xué)科界限、物種界限和空間界限來進(jìn)行思考和創(chuàng)新，提出一系列戰(zhàn)略性的科學(xué)問題。

“地球?qū)⒊蔀檎麄€(gè)宇宙植物的起源中心、繁殖中心和科研中心、創(chuàng)新中心。”任茂智說。地球上擁有豐富的生物多樣性，從珠穆朗瑪峰、青藏高原到太平洋大海溝，從北極到南極，從火山口到沙漠，都有植物的身影。而那些適應(yīng)了特殊的地球環(huán)境的形形色色的生物將為“移民”太空的農(nóng)作物提供豐富的基因資源。

“根據(jù)已知的環(huán)境參數(shù)，以及土壤成分，我們可以利用植物工廠模擬空間站和月球等外太空環(huán)境，進(jìn)而開展精英作物改造和遴選的工作，為空間探索提供技術(shù)儲(chǔ)備?！睏钇溟L表示。

這一策略旨在為太空農(nóng)場開發(fā)出食用部分更多、營養(yǎng)成分更豐富、產(chǎn)量更高、養(yǎng)分利用更有效的精英作物，對(duì)太空作物的設(shè)計(jì)及高效太空農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的構(gòu)建具有指導(dǎo)性和前瞻性意義，為未來人類深空探測(cè)和星際移民提供食物和生存保障。