作者 | 李晨

　　未來，假如人類移民太空，農作物是否還能陪伴人類走向地外星球，繼續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業引發越來越廣泛的關注。

　　近日，中國農業科學院都市農業研究所（以下簡稱都市所）在《自然—通訊》發表展望性文章，深入分析了太空農業系統對作物的獨特要求，創新性地提出了面向太空農場進行作物改良的全株可食精英植物策略。

　　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為，人類即將進入大航天時代，飛上太空之后吃什么是一個必須認真思考的問題。

　　攜帶人造食品不失為一種選擇，但任茂智指出，人造食品會受到地域和資源的限制，在陌生的外太空環境中不可持續。而帶著合適的種子上太空，則有可能在改造外星環境的同時，為移民外星球的人類提供可持續的食物。

　　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提到議事日程，農業的形態也將由鄉村農業和都市農業延伸到太空農業。

　　任茂智告訴《中國科學報》，進入太空的人類將面臨完全不同于地球的生存環境。科學家正在研究農作物如何適應地外空間的特殊環境，這就是太空農業。

　　“太空食物的首選是植物。”任茂智說，植物是第一生產者，它可以提供人類生存所需要的淀粉、油脂和蛋白質。而且，面對太空中的磁場、輻射、重力等特殊環境，植物的適應性明顯高于動物。

　　例如，在空間站內，重力微弱；在月球上，重力只有地球上的1/6。人類在這種重力環境下，體液不能正常流動。“植物也會受到影響，但植物的彈性很大。”任茂智說。

　　論文第一作者、都市所助理研究員劉永明介紹，植物在空間站中仍然可以開枝散葉，進行營養生長。但一般很難開花結果，即其生殖生長受到阻礙。

　　地球上的農作物主要為人類提供淀粉和油脂，而植物蛋白相比動物蛋白不易于人類吸收。

　　因此，如何改造農作物，使之既能夠適應太空環境，又能夠為人類提供全面的營養，就成為遴選太空植物的標準。

　　“在此基礎上，我們認識到，全株可食用的作物應當是未來太空農場中首選的農作物。如果根莖葉都可食用的話，不需要等到農作物開花結果，作物長出來一點就能為人類提供食物了。”任茂智說。

　　過去的太空種植試驗往往關注如何讓植物開花結果。楊其長說，這是國際上首次提出以全株可食作為遴選太空作物的標準，完全轉變了太空作物研究的思路。

　　全株可食的農作物

　　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。

　　劉永明說，其中，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，可能更加適應地外空間的環境，但它產量低，不可供人類食用，改造難度也很大。

　　針對太空農業的特殊需求，團隊研發的首個“月球微型農場”于2019年1月經嫦娥4號送上月球背面，搭載了中國農業科學院培育的棉花、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，拉開了農業走向太空的序幕。

　　隨后，該團隊將目光投向了傳統作物馬鈴薯。馬鈴薯生長3個月后就可以結出薯塊，薯塊或大或小都可食用，而且營養豐富，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。假如能培育出不產生龍葵素的馬鈴薯，那么果實和莖葉都可以食用。而利用基因編輯技術就能實現這一目標。

　　除此之外，任茂智還想給馬鈴薯加上不同的特殊基因，使其產生一些人類在太空中需要的物質。

　　例如，抗氧化物質蝦青素、抗高原反應的紅景天苷、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基因，作為生物反應器來生產。

　　楊其長介紹，我們設想中的太空農場主要采用無土栽培生產方式，尤其是優先考慮固體基質栽培或氣霧栽培。所創制的全株可食精英馬鈴薯，在人工可控環境下采用氣霧栽培可實現光溫水氣肥的一體化控制，大幅度提高馬鈴薯產量和品質。這種氣霧栽培也非常有利于定植與采收。

　　“實際上，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太空環境也能成為優秀的精英作物。”任茂智說。

　　楊其長介紹，我們所探究的適宜于太空農業需求的作物培育方法，構建可用于太空植物工廠環境下全株可食精英植物的創制途徑，未來可為人類探索太空食物供給提供有效的技術手段，同時該技術的綜合應用將有效促進太空農業、都市農業和鄉村農業的發展。

　　生物多樣性提供豐富的基因資源

　　從地球到太空，有三類太空農場應用場景。首先是微重力的空間站，其次是太陽系內的月球基地和火星基地，最后是外太空的類地行星。

　　這三類環境都需要設計不同的農作物。尤其是太空中已知的與地球接近的行星大約有1000多顆，這些行星上尚未發現植被或其他生命體。“這意味著地球將是宇宙植物的起源中心。”任茂智說。

　　而且，每一顆類地行星的環境都與地球不同。“兵馬未動糧草先行，科學家要提前設計好適應不同需求的植物，先讓植物去改造。”任茂智說，這就需要打破學科界限、物種界限和空間界限來進行思考和創新，提出一系列戰略性的科學問題。

　　“地球將成為整個宇宙植物的起源中心、繁殖中心和科研中心、創新中心。”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。

　　而那些適應了特殊的地球環境的形形色色的生物將為“移民”太空的農作物提供豐富的基因資源。

　　“根據已知的環境參數，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境，進而開展精英作物改造和遴選的工作，為空間探索提供技術儲備。”楊其長表示。

　　“我們的策略旨在為太空農場開發出食用部分更多、營養成分更豐富、產量更高、養分利用更有效的精英作物，對太空作物的設計及高效太空農業系統的構建具有指導性和前瞻性意義，為未來人類深空探測和星際移民提供食物和生存保障。”劉永明說。

　　相關論文信息：

　　https：//doi.org/10.1038/s41467-021-26238-3

　　本文轉自中國科學報