28/05/2022
【月球農場的一小小小步】
美國太空總署(NASA) 使用 50 年前、分屬三個阿波羅登月任務帶回來的月球土壤栽種植物，而且成功發芽！不過它們普遍長得不好，團隊細究其基因表現，發現不同月球區域的土壤分別帶給植物不同的環境壓力，進而影響植物生長。這是史上第一次直接使用月壤為基質的植物生長研究，成果發表在 Communications Biology 期刊。
NASA 正在進行重返月球的「阿提米絲計畫」（Artemis program），此計畫非常龐大，要研發新一代重型火箭和太空船、建造繞月太空站，還籌劃在月球建造長期研究基地，作為人類前往深太空的中繼站。🌙
因此，除了研發那些會飛的酷東西，如何利用月球或火星的在地資源支持人類生活所需，也是重要研究主題。像是不同星球上的建築物怎麼設計、如何把當地土石加工成混凝土、如何在異星種植作物……幫助人類在太空安居樂業。
而這項月壤種草的實驗，目的是想了解：
(1) 植物能否在月球表層的風化土發芽？
(2) 這能如何幫助人類在月球上停留更長的時間？
▍意義非凡的模式生物：阿拉伯芥
先來認識一下植物主角阿拉伯芥（𝑨𝒓𝒂𝒃𝒊𝒅𝒐𝒑𝒔𝒊𝒔 𝒕𝒉𝒂𝒍𝒊𝒂𝒏𝒂），它看起來很普通，但在植物學有不凡地位，是應用廣泛的實驗材料～國際太空站上也曾執行過阿拉伯芥生長實驗！
阿拉伯芥又稱「擬南芥」，隸屬十字花科、阿拉伯芥屬，為一年生草本植物，約 20~30 公分高。它具有體積小、長得快、子代多、基因組小等特點，只要六個星期，單棵植株就能從種子長成成熟植株，產生數千顆種子。
阿拉伯芥是第一個完成基因組定序的植物，而且它是「模式生物」（model organism）──科學家對其構造和機制有深度了解，而這些生物的研究成果，可得出具有某程度共通性、其他物種也適用的模式或法則，幫助釐清、解釋其他物種的生理機制。
不同領域會選用不同的模式生物，科學家對模式生物的研究相對充足，也相對透徹。
（其他常見的模式生物有斑馬魚、黑腹果蠅、小鼠、玉米、水稻、大腸桿菌等等）
簡單來說，一旦了解阿拉伯芥內部種種機制的運作，在這小草身上邁出的一小步，可能推動整個植物界往前邁進一大步～
過去藉由阿拉伯芥，得出了適用於許多開花植物的花朵發育模型；與向光特性和生物時鐘有關的「隱色素」（cryptochrome）最初是在阿拉伯芥身上發現的；此外，還在它身上找到許多耐寒、耐熱、營養鹽吸收/應用、抗病蟲害的基因等，不僅幫助了解植物如何抵抗惡劣環境，也幫助改良糧食作物。
科學家也曾在太空做過阿拉伯芥的生長實驗，試圖由此了解地球上的植物會如何適應太空環境。
學界還建置了專屬資料庫「TAIR」，共享全世界阿拉伯芥研究的資訊，並與種源庫相搭配。此次實驗的阿拉伯芥品系 Col-0 的種子就從這管道取得。
▍實驗配置
繼續回到這個實驗──
NASA 和佛羅里達大學團隊合作，運用來自阿波羅 11、12、17 號任務的月壤樣本種阿拉伯芥，另有火山灰製成的月球模擬土作為對照組。
這模擬土並不是隨意抓一把火山灰就可以，而是有標準化規範的！🌋
NASA 詹森太空中心有專門的實驗室研發了一系列「月球模擬土」（Lunar Regolith Simulants）。不同的模擬土配方和製程各異，粒徑大小、元素種類、礦物比例等皆有所差異，分別類比月球上月海（mare）、高地、極圈等區域或黏合集塊岩等地質，還有使用手冊闡明這些模擬土的特性適合哪類研究。
真實月岩樣本很珍貴，總共才兩三百公斤，不隨意發放；實驗室的庫存模擬土則超過 13 公噸。
此次研究選擇了名為「JSC-1A」的模擬土，這款模擬土開採自亞歷桑納州旗手市，由玄武岩灰磨碾而成。JSC-1A 粒徑小於 1 毫米，與此次實驗的月壤相近，但它和月壤有幾項礦物成分差異。
在一個培養盤上，有四格放了模擬土，三格放了月壤（分別來自三個任務，也就是一個任務的月壤樣本有一格），底部鑽有細小的排水孔。每一格放了岩棉、900 毫克的月壤或模擬土。同樣的配置共四盤。
接著培養盤浸泡在營養液中潤濕基質，17 號任務的月壤藉毛細作用順利潤濕， 11 和 12 號任務的月壤疏水性較強，最初要攪伴一下。待基質都充分濕潤，就在每格放入 3~5 顆種子。這些植株沒有放在無菌空間，而是置於通風的玻璃罩中，這樣比較近似有人類活動的月球基地環境。
「過了兩天，它就開始發芽了！」論文第一作者、佛羅里達大學園藝學教授安納莉莎‧保羅（Anna-Lisa Paul）說：「全部都發芽了！我無法告訴你我們有多驚奇，大概在第六天以前，月球組跟對照組的植物看起來都一樣。」
光是可以萌芽，就讓科學家讚嘆萬分了～～
過了第 6 天，月球組明顯不如那些長在火山灰中的對照組那麼強壯。月球組的植物成長速度緩慢，根部發育不良，有些植株的葉片也發育不良，還變成淡紅色。
▍不同的土壤樣本，讓植物長成不同型態
JSC-1A 組 16 株植物的生長速率和外觀型態幾乎沒什麼差異；相較於 JSC-1A 組，所有月球組植株花了較長的時間開展葉片，整體葉叢的直徑較小，有的植株嚴重發育遲緩，甚至葉片呈現深色，這是典型的壓力反應。只有寥寥幾株長得堪比對照組的。
阿波羅 11、12、17 號任務蒐集的月岩樣本位在月球不同區域，三個月球組之間的植物又有些微差異。在此實驗中，生於11 號任務樣本的植物又比其他兩區更弱小一些。
20 天過去，就在開花前夕，研究團隊收成、磨碎這些植株做 RNA 定序，看看植物的基因表現。除了外觀型態，基因分析結果亦表明植物確實處於壓力狀態。研究人員過去觀察過阿拉伯芥在其他惡劣環境的基因反應（像是土壤鹽分過多或有重金屬），此時植物的反應就像那樣。
所有月球組植物都感受到壓力，但不同月壤帶來的環境壓力不太一樣。
宇宙射線和太陽風會破壞地表，讓它易於和生物系統產生反應。奈米鐵粒子增加、粒徑尺寸縮小是成熟月球風化層的標誌，像這次取用的阿波羅 11 號月壤就屬於這種，這組的植物也長得最差。
團隊建議，把月壤視為可利用資源之前，還需更詳細的研究，設法減少植物的環境壓力，特別是在那些土壤較古老成熟的區域。
▍未來
團隊也還有好多問題想問，像是：
🌱理解了植物需要調控哪些基因才能適應月壤，能幫助我們減少月壤的壓力特性嗎？
🌱月球有沒有其他地區的土壤更有利於植物生長？
🌱這能幫助我們更了解火星的風化層嗎？
🌱火星土壤是否也能種植物呢？
無論如何，這項研究是另一個起點。
「我們把月球和生物學連在一起了，而且它行得通。對我來說，這非常有象徵意義，當我們離開地球時，植物會和我們同行。」保羅接受科技雜誌《連線》（Wired）採訪時如此表示。
🔎圖：第 16 天，JSC-1A 組別和月球組的植物生長狀態有明顯差異。
Photo Credits: UF/IFAS photo by Tyler Jones
🔎參考資料
NASA，〈Scientists Grow Plants in Lunar Soil〉
https://www.nasa.gov/feature/biological-physical/scientists-grow-plants-in-soil-from-the-moon
Paul, AL., Elardo, S.M. & Ferl, R. Plants grown in Apollo lunar regolith present stress-associated transcriptomes that inform prospects for lunar exploration. 𝘊𝘰𝘮𝘮𝘶𝘯 𝘉𝘪𝘰𝘭 5, 382 (2022).
https://doi.org/10.1038/s42003-022-03334-8
王瑛、吳素幸，〈從阿拉伯芥走進植物世界〉，科學人，201205，P.103~P.107
科技大觀園，〈植物界的最佳代言人〉
https://scitechvista.nat.gov.tw/Article/c000003/detail?ID=c902ecd2-c9ad-43a1-aa96-b3dc8b1cddc9
NASA 網站，專門製造模擬土的 SDL 實驗室
https://ares.jsc.nasa.gov/projects/simulants/development-lab.html
