如何在太空種菜？這項技術將給出答案

    上周，嫦娥4號上搭載的生物科普試驗載荷顯示試驗搭載的棉花種子已長出嫩芽，這是在經歷月球低重力、強輻射、高溫差等嚴峻環境考驗后，月球上萌發出的株植物。據重慶市政府發布會消息，科普載荷隨嫦娥4號登陸月球的天（1月3日）23:18分加電開機后，載荷內微型生態系統開始進入生物月面生長發育模式。從開機到1月12日20點地面發送了生物科普試驗載荷斷電指令，載荷正常關機，生物科普試驗載荷在軌工作狀態良好，累計工作時間長達212.75小時，主副相機累計拍照34次，下傳照片170多幅。目前，生物科普試驗載荷已進入斷電狀態，載荷內部在月夜溫度零下52℃的情況下，所攜帶的六種生物將結束本次科普試驗使命。

    那么，除了照片以外，我們是否有辦法了解在這200多個小時中，位于月球背面的植物究竟經歷了什么嗎？

    雖然我們笑稱太空種菜是中國人種族天賦的延續。但作為航天技術的后發國家，我們不得不承認在這方面，美國還是走在我們前面。上世紀40年代，美國就將玉米種子發射升空并成功回收。此后，隨著航天技術的發展，植物栽培實驗基本成為航天活動，尤其是宇宙空間站的標配。可以說，太空生命科學研究一直是航天研究的熱門領域。

    2016年1月，美國宇航員斯科特-凱利在空間站中培育出了一朵百日菊，成為株在外太空開放的花朵。

    2017年4月，NASA的新一代先進植物培養器（Advanced Plant Habitat，APH）搭載聯盟號MS-04貨運飛船抵達空間站，按計劃展開植物生理學及太空新鮮食物種植（ growth of fresh food in space）的研究。

這不就是太空種菜嗎？不要以為換個馬甲就能騙過我們！（NASA Facts：Advanced Plant Habitat）

    同時，為了檢測植物在太空中的生長狀況，NASA*航天中心的工程師使用FluorPen葉綠素熒光儀檢測培養器的擬南芥。

    葉綠素熒光？這是什么？

    簡單來說，葉綠素熒光是植物光合系統反應中心在照光后發出了一種紅色的熒光。檢測葉綠素熒光動態變化的技術即為葉綠素熒光技術，檢測整個葉片乃至整株植物葉綠素熒光并成像的技術即為葉綠素熒光成像技術。

    Kautsky 與 Hirsch 于1931年發表論文“CO₂同化新實驗”報道了用肉眼發現葉綠素熒光現象：經過暗適應的植物材料照光后，葉綠素熒光先迅速上升到一個大值，然后逐漸下降，后達到一個穩定值（這種現象后被稱作“Kautsky effect”即Kautsky誘導效應），熒光強度的變化與CO₂同化速率呈負相關。

Kautsky發表科學論文描述葉綠素熒光誘導效應（Kautsky，1931）

    葉綠素熒光動態測量分析是葉綠素熒光技術的核心內容，也是葉綠素熒光得以成為植物（包括藻類）生理生態研究重要內容的關鍵。Butler于1978年提出PSII光化學反應、葉綠素熒光及熱散失三者的能量競爭模型，認為PSII反應中心將電子傳遞給原初電子受體QA，導致Kautsky誘導效應中的葉綠素熒光降低（“葉綠素熒光淬滅”），稱為光化學淬滅（photochemical quenching），而由于熱散失導致的葉綠素熒光淬滅則稱為非光化淬滅（nonphotochemical quenching）。要通過葉綠素熒光估算光合作用強度（光化學反應），關鍵是要確定葉綠素熒光光化學淬滅過程和非光化學淬滅過程。Butler的光合作用能量競爭模型成為葉綠素熒光技術的重要理論基礎。

光系統能量競爭模型示意圖

    Chlorophyll ?uorescence is one of the most rapid and noninvasive tools for monitoring photosynthetic performance of plants under biotic and abiotic stress. (Lu et al., 2001)——盧從明，中國科學院植物研究所光生物學重點實驗室主任，早應用葉綠素熒光技術的中國科學家之一

    The use of chlorophyll a ?uorescence measurements to examine photosynthetic performance and stress in algae and plants is now widespread in physiological and ecophysiological studies. (Baker, 2008)——Neil R. Baker，埃塞克斯大學教授，其葉綠素熒光綜述文章《Chlorophyll Fluorescence: A Probe of Photosynthesis In Vivo》引用次數達2200次

    目前，葉綠素熒光成像技術廣泛用于植物生理、植物抗逆、作物育種、突變株篩選等各種植物與作物研究中，甚至直接預測植物的存活情況，是科學界*的快速、無損檢測植物光合能力與逆境生理的重要技術之一。

    死或生？這是個問題——使用葉綠素熒光成像技術預測干旱脅迫下植物的死亡率（Guadagno C R, et al. 2017）

    除了葉綠素熒光成像技術以外，類似的植物檢測技術還有RGB彩色成像與Ladar 3D成像技術（植物形態）、高光譜成像技術（植物反射光譜）、紅外熱成像技術（植物溫度）等。這四種技術并稱為四大植物表型無損檢測技術。

    先不說太空種菜的問題，實際上現在在地球上種菜都已經面臨嚴峻的挑戰。據UN糧農組織2014年報告，三大主要谷物水稻、小麥和玉米的年產量增長率從1960-1990年的2.19-2.95%下降到1990-2010年的0.79-1.74%。而傳統育種已經很難滿足三大主要谷物的增產需求。除了保障耕種面積和維護生態環境，有效的措施是開發利用優良的作物品種和先進的栽培技術，與之相關的工作都需要對大量植株的各種特征和性狀即表型的鑒別與分析，以及對復雜的植物生長環境的監測與控制。在解決迫在眉睫的糧食安全問題上，以葉綠素熒光成像技術為核心的植物表型無損檢測技術將位于非常重要的位置。不但科學界對植物表型檢測技術寄予厚望，在各國政府的支持下，各個國內外研究機構已經建立了數十個大型和超大型植物表型分析平臺。

部分已經建設的PlantScreen植物表型成像分析平臺

    雖然把葉綠素熒光技術應用在太空種菜上，國外走在了我們前面。但在未來我們中國的空間站上一定要用上更先進的植物表型成像技術。

    為了實現在太空刷火鍋的夢想，沖鴨！