空間植物培養(yǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及其在現(xiàn)代陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

趙小強(qiáng) 鹿金穎 陳瑜 周軍

摘要：陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展需要空間技術(shù)的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外空間植物學(xué)的研究，已由傳統(tǒng)利用空間環(huán)境條件進(jìn)行誘變育種發(fā)展到植物生長(zhǎng)與人類空間生存一體化的研究階段。我國(guó)利用空間技術(shù)已創(chuàng)造出一些農(nóng)作物、蔬菜和花卉等經(jīng)濟(jì)作物的新種質(zhì)/品種，同時(shí)對(duì)這些返回地面的材料進(jìn)行生理生化、生長(zhǎng)發(fā)育和遺傳變異研究。2016年9月我國(guó)發(fā)射的“天宮二號(hào)”攜帶了擬南芥和水稻上天開展高等植物培養(yǎng)試驗(yàn)，打破了我國(guó)在太空培養(yǎng)植物的空白狀態(tài)，在2016年10月發(fā)射的“神舟十一號(hào)”上，航天員景海鵬首次在太空進(jìn)行人工栽培蔬菜?？臻g技術(shù)在陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)植物上的研究具有一定的優(yōu)勢(shì)。未來空間植物學(xué)的研究，不僅可以提供未來適合在空間環(huán)境和現(xiàn)代陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)種植的新種質(zhì)/品種，還可以探索植物在空間生物再生生命保障系統(tǒng)中的作用。

關(guān)鍵詞：空間技術(shù);陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè);種質(zhì)資源;再生生命保障系統(tǒng);智能化

中圖分類號(hào)：V524.1;S335.2+9?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2020）18-0054-06

收稿日期：2019-10-30

基金項(xiàng)目：云南省科技重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（編號(hào)：2018IB012）。

作者簡(jiǎn)介：趙小強(qiáng)（1985—），男，甘肅武山人，博士，工程師，主要從事空間植物育種研究。E-mail：wushan2002zxq@126.com。

通信作者：鹿金穎，博士，研究員，主要從事空間生物學(xué)研究。E-mail：lujinying2001@sina.com。

陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)是都市型現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的一種形態(tài)，是在居室陽(yáng)臺(tái)等閑置空間進(jìn)行的農(nóng)業(yè)活動(dòng)，它將植物奇特品種、栽培管理、自動(dòng)化控制和低碳環(huán)保等高新技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，其種植植物主要以蔬菜和花卉為主[1]。微型智能化栽培柜是現(xiàn)階段陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的一種新的體現(xiàn)形式，它是基于植物工廠的原理和技術(shù)而研發(fā)的產(chǎn)品，和其他陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)一樣對(duì)栽培的植物具有特定的要求，如蔬菜具有產(chǎn)量高、生長(zhǎng)周期短、可食部分比例大、植株矮、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高等特點(diǎn);花卉具有綠期和花期長(zhǎng)、植株矮及抗逆性強(qiáng)等特點(diǎn)。同樣，基于空間環(huán)境特點(diǎn)（微重力、輻射和磁場(chǎng)等）和條件限制（如狹小、密閉等），空間植物物種須要遵循類似的原則，如體積小，培養(yǎng)技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單;生長(zhǎng)快，周期短;產(chǎn)量高，可食部分比例高;抗病和抗逆性強(qiáng);易于收獲、加工和貯藏等。此外，陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)和空間植物培養(yǎng)在種植模式和智能化管理方面具有一定的耦合性。因此，利用基于空間特殊環(huán)境（如宇宙射線、微重力、高真空和弱地磁場(chǎng)等因素）的太空育種，或與現(xiàn)代生物技術(shù)育種和常規(guī)育種技術(shù)相結(jié)合，培育適合陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)或空間環(huán)境種植的植物新品種/種質(zhì)，同時(shí)互相參考借鑒種植模式和智能化管理方法，為大力發(fā)展我國(guó)陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)奠定基礎(chǔ)，同時(shí)為長(zhǎng)期留守空間站的航天員的生命活動(dòng)提供物質(zhì)保障。2003年我國(guó)第一位宇航員楊利偉登上太空，標(biāo)志著我國(guó)的空間技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的發(fā)展階段[2]。2016年9月我國(guó)發(fā)射的“天宮二號(hào)”攜帶了擬南芥和水稻上天開展高等植物培養(yǎng)試驗(yàn)，在同年10月發(fā)射的“神舟十一號(hào)”上航天員景海鵬首次在太空進(jìn)行人工栽培蔬菜，這些事件打破了我國(guó)在太空培養(yǎng)植物的空白狀態(tài)。本研究綜述國(guó)外空間植物培養(yǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)空間蔬菜和花卉培養(yǎng)現(xiàn)狀，并針對(duì)空間種植和陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)種植的耦合性進(jìn)行分析和討論。

1?國(guó)外空間植物培養(yǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀

自1957年蘇聯(lián)發(fā)射第1顆人造衛(wèi)星以來，美國(guó)、歐洲、俄羅斯、日本等先后利用往返式衛(wèi)星、高空氣球、空間實(shí)驗(yàn)室和空間站等各種空間飛行器，展開了一系列植物的空間研究。主要研究植物在空間的培養(yǎng)裝置、生長(zhǎng)條件以及空間條件對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育和遺傳變異的影響。

1.1?植物培養(yǎng)裝置

為了開展空間植物研究，促進(jìn)空間植物培養(yǎng)技術(shù)的創(chuàng)新及應(yīng)用，為空間植物相關(guān)產(chǎn)業(yè)提供技術(shù)服務(wù)，創(chuàng)建空間植物培養(yǎng)裝置與環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)顯得尤為重要。到目前為止，國(guó)際空間站已有多個(gè)植物培養(yǎng)設(shè)備，如在小企業(yè)創(chuàng)新研究計(jì)劃（small business innovation research program，SBIR）下由美國(guó)軌道科學(xué)公司和美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）合作開發(fā)的商用植物生產(chǎn)系統(tǒng)（biomass production system，BPS）[3]以及植物處理設(shè)備（plant generic bioprocessing apparatus，PGBA）[4];由日本5所大學(xué)聯(lián)合研制的滿足微重力條件下植物生長(zhǎng)的空間植物箱（space plant box，SPB）[5-7];美國(guó)的先進(jìn)宇宙培養(yǎng)裝置（advanced astroculture apparatus，AAA）[8]及由美國(guó)軌道科學(xué)公司研制的新一代空間植物裝 置——Veggie蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)。Veggie蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)有蔬菜種植空間、風(fēng)箱、光照系統(tǒng)、溫濕度、風(fēng)速和CO2濃度等控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)栽培面積約為0.1 m2[36.8 cm（寬）×29.2 cm（深）]，含有6個(gè)“蔬菜種植空間”，總質(zhì)量約為6.81 kg，總功率115 W。每個(gè)蔬菜盒子中填充栽培基質(zhì)、導(dǎo)水材料和養(yǎng)分。栽培基質(zhì)為燒結(jié)黏土，導(dǎo)水材料為纖維墊，養(yǎng)分為可控緩釋肥。栽培盒底部安裝有儲(chǔ)水箱，由航天員定期手動(dòng)灌溉。利用紅、藍(lán)、綠3色LED燈組合光源進(jìn)行光照。其上端、下端分別與空間站環(huán)控系統(tǒng)和栽培盒相接，利用金屬絲進(jìn)行支撐以保持燈箱的位置，高度可調(diào)范圍5～45 cm[9-10]。此外，Zabel等對(duì)過去40年空間植物生長(zhǎng)體系進(jìn)行回顧和分析[11]。

1.2?遺傳育種的研究

航天育種需要較高的要求，國(guó)際上開展航天育種研究工作的主要是美國(guó)和俄羅斯。近年來，日本、印度等也相繼開展了空間植物的研究，已培育了近千種植物，航天育種技術(shù)已成為很多國(guó)家培育優(yōu)良新品種和種植材料、創(chuàng)造特色基因資源的有效途徑之一[12]。

1.3?生物學(xué)效應(yīng)的研究

19世紀(jì)50年代，俄羅斯就開始研究空間環(huán)境對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響，同時(shí)對(duì)一些重要的生理生化指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定[13]。1999—2000年，Levinskikh等在空間站內(nèi)模擬地面環(huán)境種植超矮稈小麥，并對(duì)其發(fā)芽情況、莖長(zhǎng)、小穗數(shù)和穗粒數(shù)等農(nóng)藝性狀進(jìn)行調(diào)查及分析，探討空間環(huán)境對(duì)超矮稈小麥生長(zhǎng)發(fā)育的影響[14-15];美國(guó)科學(xué)家將大麥、小麥、大豆等植物在航天飛行器和模擬空間實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行種植觀察，發(fā)現(xiàn)這些植物在微重力、強(qiáng)輻射和超真空條件下能正常生長(zhǎng)，且有些植物的蛋白質(zhì)含量得到顯著提高[16]。Shagimardanova等利用微陣列分析技術(shù)對(duì)國(guó)際空間站種植的大麥種子進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)在空間環(huán)境中超過500個(gè)基因的mRNA水平變化超過2倍，這些基因中的應(yīng)激反應(yīng)蛋白基因特別是熱休克蛋白、致病相關(guān)蛋白基因和抗氧化蛋白表現(xiàn)明顯，同時(shí)超氧化物歧化酶（SOD）在空間的表達(dá)是地面的6倍，與地面相比，谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶（GST）、過氧化氫酶（CAT）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）的轉(zhuǎn)錄水平分別增加了24、18、3倍[17]。在空間微重力環(huán)境條件下，微重力對(duì)植物細(xì)胞質(zhì)膜、轉(zhuǎn)錄體和蛋白質(zhì)體、細(xì)胞壁和Ca2+信號(hào)傳導(dǎo)有重要影響，但這些細(xì)胞并非專門用于重力感知的細(xì)胞[18]。

2?我國(guó)空間蔬菜和花卉培養(yǎng)研究現(xiàn)狀

我國(guó)空間生命科學(xué)開始于20世紀(jì)60年代，1987年利用高空氣球搭載甜椒品種龍椒2號(hào)拉開了太空誘變育種的序幕[19]。隨著我國(guó)航天事業(yè)的不斷發(fā)展，截至目前，我國(guó)利用衛(wèi)星和高空氣球搭載進(jìn)行了300多項(xiàng)植物材料的試驗(yàn)，搭載的主要目標(biāo)是進(jìn)行空間植物育種。此外，研究人員也對(duì)空間培養(yǎng)植物裝置和植物材料空間生物學(xué)效應(yīng)進(jìn)行了深入的探討和研究。

2.1?植物培養(yǎng)裝置

建立受控生態(tài)生命保障系統(tǒng)是有效解決長(zhǎng)期太空載人飛行、載人深空探測(cè)及其他星球開發(fā)和定居所必需的生命支持手段。為了促進(jìn)我國(guó)空間植物培養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展、創(chuàng)新和應(yīng)用，我國(guó)科學(xué)家也進(jìn)行了大量的研究。2014年，北京航空航天大學(xué)劉紅團(tuán)隊(duì)建成了“月宮一號(hào)”生物再生生保技術(shù)集成試驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)主要由植物艙、乘員艙和資源艙組成，其中植物艙種植面積為69 m2。試驗(yàn)期間批次培養(yǎng)了小麥、生菜和草莓等22種糧食、蔬菜和油料等試驗(yàn)作物[20]。2016年10月20日到11月15日，我國(guó)在“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室搭載了空間植物栽培裝置。該系統(tǒng)由栽培單元、光照單元、生長(zhǎng)單元、測(cè)量單元和保障單元組成，栽培面積為0.045 m2，可栽培9株植物，總質(zhì)量5.8 kg，功耗為16.4 W;栽培基質(zhì)為蛭石，導(dǎo)水材料為棉質(zhì)紗布，養(yǎng)分為長(zhǎng)效緩釋肥。利用紅、藍(lán)、綠3色LED燈組合光源進(jìn)行光照，光質(zhì)比例約為8 ∶1 ∶1[21]。這些空間植物栽培裝置的不斷改進(jìn)和完善，為我國(guó)建立受控生態(tài)生命保障系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2?遺傳育種的研究

通過往返式衛(wèi)星搭載試驗(yàn)材料，我國(guó)已培育了大量的蔬菜和花卉新品種/種質(zhì)。如通過搭載第9顆往返式衛(wèi)星的甜椒和青椒種子，獲得了維生素C含量提高了20%、增產(chǎn)25%以上的甜椒新品種宇航1號(hào)，同時(shí)獲得具有果型大、早熟、維生素C含量高、增產(chǎn)20%和抗病蟲害等優(yōu)良性狀的青椒新品種衛(wèi)星87-2;通過往返式衛(wèi)星搭載番茄，獲得抗病性強(qiáng)、產(chǎn)量可提高20%的新品種宇番一號(hào);通過往返式衛(wèi)星搭載黃瓜，獲得果大、風(fēng)味好、生長(zhǎng)勢(shì)旺盛的新品種航遺1號(hào);通過搭載第20顆往返式衛(wèi)星的萬(wàn)壽菊，獲得花期長(zhǎng)達(dá)9個(gè)月、單層4瓣變成多層6瓣的新品種太空萬(wàn)壽菊;通過往返式衛(wèi)星搭載皇后醉蝶花，獲得花期長(zhǎng)達(dá)8個(gè)月的新品種航選Ⅰ、Ⅱ號(hào)[22]。2003年，經(jīng)“長(zhǎng)征二號(hào)丁”運(yùn)載火箭發(fā)射第18顆返回式衛(wèi)星搭載的大白菜晚抽薹的品種種子，返回地面后創(chuàng)造了新種質(zhì)SP67，并與傳統(tǒng)育種方法相結(jié)合，獲得了株型好、生長(zhǎng)勢(shì)強(qiáng)、耐寒性強(qiáng)和抗病抗逆性強(qiáng)的新品種艷春[23]，同樣，經(jīng)搭載“神州四號(hào)”獲得的自交系032-1-2-1-1-H-H與未搭載的082-1-1-H-H雜交育成的新品種杭椒黃帥，其表現(xiàn)為產(chǎn)量高，辣味強(qiáng)，對(duì)辣椒疫病、病毒病和白粉病高抗[24]。除了蔬菜、花卉外，糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物、藥材、林木果樹、動(dòng)物和微生物在航天育種中也獲得了一定的成效[22]。廖雪蘭等在搭載“神舟四號(hào)”獲得鳳仙花突變體的基礎(chǔ)上對(duì)航天誘變鳳仙花突變株系進(jìn)行研究現(xiàn)狀的介紹和展望[25]。

2.3?生物學(xué)效應(yīng)的研究

由于空間特殊的環(huán)境條件，當(dāng)植物經(jīng)搭載返回地面后其植物種子的萌發(fā)率和生長(zhǎng)過程受到一定的影響，從而導(dǎo)致生物學(xué)效應(yīng)也發(fā)生變化，包括對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育、植物形態(tài)學(xué)、植物細(xì)胞學(xué)、植物生理生化、植物分子生物學(xué)等產(chǎn)生影響[26]。

2.3.1?對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響

基于空間環(huán)境的特殊性，空間環(huán)境條件會(huì)影響植物的萌發(fā)和生長(zhǎng)。天水羊角椒和天水牛角椒搭載“神舟三號(hào)”飛船進(jìn)行空間誘變后，天水羊角椒突變體單株結(jié)果數(shù)較親本增加25.3%;天水牛角椒突變體較原始親本果實(shí)變大，單果質(zhì)量提高12.7%[27]。植物種子受太空環(huán)境的作用，其發(fā)芽率也在發(fā)生變化，以金魚草為材料，經(jīng)太空誘變后紅色金魚草發(fā)芽率降低，黃色金魚草發(fā)芽率基本不變[28]，同時(shí)經(jīng)搭載的草莓[29]，三色堇、東方罌粟、雞冠花和紅花種子等[30]的萌發(fā)率有所上升，活力提高;而西瓜[31]、綠花菜[32]、茄子、蘿卜和番茄[33]種子的發(fā)芽率有所下降，種子和幼苗的活力均下降。此外，搭載“神舟八號(hào)”的羅漢果，篩選出的航天早熟突變體雌株表現(xiàn)為整個(gè)生育期長(zhǎng)，果實(shí)大、重、早熟，甜苷含量高等優(yōu)勢(shì)性狀[34]。由此可見，空間環(huán)境對(duì)蔬菜和花卉種子的影響前期體現(xiàn)在種子發(fā)芽率和幼苗活力方面，且品種差異較大。

2.3.2?對(duì)植物形態(tài)學(xué)產(chǎn)生的影響

太空環(huán)境對(duì)植物種子的影響會(huì)導(dǎo)致植物表型發(fā)生變化。搭載“神舟四號(hào)”的鳳仙花種子，對(duì)當(dāng)代（SP1）的花、果實(shí)和種子進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，花部性狀有變化、花瓣數(shù)目增多、單株結(jié)果實(shí)的數(shù)目變化大、并出現(xiàn)雙果和異型果，同時(shí)種子的大小不一致，且每果種子量發(fā)生變化[35]。搭載“神舟八號(hào)”的仙來客在花型和花色上出現(xiàn)了明顯的變異[36]。經(jīng)搭載的金魚草葉片由矩圓狀變?yōu)闄E圓形，但株高基本沒有發(fā)生變化[28]。搭載“實(shí)踐十號(hào)”的金蓮花，表現(xiàn)為花瓣層數(shù)增多，植株葉片在葉型、葉寬和缺裂等方面都發(fā)生了明顯的變異[37]?；ɑ鼙硇投喾矫娴淖儺?，可滿足陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)花卉多樣性的需求，且有些表型變異通過常規(guī)育種難以實(shí)現(xiàn)。因此，為了獲得更多變異群體，可以通過增加搭載基數(shù)來實(shí)現(xiàn)此目的。

2.3.3?對(duì)植物細(xì)胞學(xué)產(chǎn)生的影響

由于空間環(huán)境的特殊性，會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致染色體的變異，最終影響生物體的功能。經(jīng)搭載“神舟三號(hào)”的樹莓和搭載“神舟四號(hào)”的月季與地面對(duì)照相比較，其試管苗葉片性狀、葉綠體和線粒體超微結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化，部分細(xì)胞的細(xì)胞壁變形，葉綠體變大，部分葉綠體片層結(jié)構(gòu)扭曲模糊，大多數(shù)葉綠體中淀粉粒明顯增加，葉綠體含量基本不變;線粒體數(shù)目增加，偶見內(nèi)嵴消失及外膜破裂的現(xiàn)象[38-39]。福橘莖尖搭載“實(shí)踐八號(hào)”獲得再生植株后，對(duì)其進(jìn)行無(wú)性系細(xì)胞有絲分裂及細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn)，航天搭載對(duì)福橘莖尖具有誘變作用，有絲過程存在不同程度的異常，同時(shí)有些無(wú)性系植株葉肉細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)細(xì)胞序性死亡[40]。

2.3.4?對(duì)植物生理生化產(chǎn)生的影響

太空環(huán)境可誘發(fā)植物生理生化發(fā)生變化，對(duì)植物體內(nèi)SOD、CAT、過氧化物酶（POD）和酯酶等的活性和酶帶發(fā)生變化。劉敏等對(duì)搭載“神舟四號(hào)”的月季和地面對(duì)照相比較，發(fā)現(xiàn)其葉片中SOD、POD、CAT 3種保護(hù)酶的活性均有增加[38]。對(duì)搭載“神舟七號(hào)”的芹菜種子種植后，檢測(cè)到幼苗1、2、4葉的丙二醛（MDA）含量增加，可溶性蛋白質(zhì)含量下降;2、3、4葉的SOD、POD、CAT活性均增強(qiáng)，經(jīng)搭載的2個(gè)植株顯著高于對(duì)照且總干質(zhì)量極顯著高于對(duì)照[41-42]。對(duì)搭載“神舟八號(hào)”和模擬微重力三維回轉(zhuǎn)器下番茄葉片進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)航天番茄葉片細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)的變化大于模擬微重力效應(yīng)處理的葉片細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)，且SOD和POD活性在2種環(huán)境下均有明顯提高[43]。

2.3.5?對(duì)植物分子生物學(xué)產(chǎn)生的影響

特殊的空間環(huán)境對(duì)當(dāng)代植株誘變后，發(fā)生變異的植株在分子水平上會(huì)發(fā)生明顯的變異。隨著對(duì)太空誘變研究的深入，空間誘變分子生物學(xué)機(jī)理研究逐步開展起來。以“神舟四號(hào)”搭載的月季組培苗為材料，用40個(gè)隨機(jī)引物對(duì)空間處理和地面對(duì)照葉片DNA進(jìn)行隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA標(biāo)記（PAPD）檢測(cè)，共擴(kuò)增出148條條帶，其中5個(gè)引物表現(xiàn)出多態(tài)性，變異程度達(dá)6.34%[39]。通過對(duì)“神舟八號(hào)”飛船搭載的仙客來突變株進(jìn)行RAPD試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)在28條隨機(jī)引物中有27條引物擴(kuò)增出現(xiàn)多態(tài)性，總共擴(kuò)增出156條條帶，其中91條呈現(xiàn)出多態(tài)性，多態(tài)性比率達(dá)到58.33%。所有突變株的DNA分子均發(fā)生了顯著變化，變異率從23.08%～33.97%不等[36]。

李華盛等利用搭載“神舟八號(hào)”的擬南芥幼苗為材料，篩選出在空間環(huán)境條件下穩(wěn)定表達(dá)的基因[44]，同時(shí)在3種不同微重力條件下，利用基因芯片對(duì)擬南芥幼苗的基因表達(dá)差異進(jìn)行篩選，發(fā)現(xiàn)微重力可以影響一些基因的表達(dá)，這些基因參與應(yīng)激反應(yīng)的代謝、重力響應(yīng)、DNA損傷和修復(fù)，從而使植物通過調(diào)節(jié)代謝途徑，使之適應(yīng)空間環(huán)境應(yīng)激、微重力和輻射[45]。

3?陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)和空間環(huán)境植物培養(yǎng)的耦合

通過分析比較陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)與空間環(huán)境植物培養(yǎng)，可以發(fā)現(xiàn)其在種植模式、植物種類、智能化管理方面具有一定的相似之處。

3.1?種植模式

隨著社會(huì)的進(jìn)步、技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)的主要栽培模式由傳統(tǒng)的土質(zhì)栽培逐漸被無(wú)土栽培所替代。無(wú)土栽培的主要模式有水培、基質(zhì)培養(yǎng)和氣霧栽培。采用無(wú)土栽培可以讓栽培管理簡(jiǎn)便化，且有利于保持陽(yáng)臺(tái)環(huán)境干凈清潔。

為了解決陽(yáng)臺(tái)空間有限的問題，經(jīng)過相關(guān)科研單位及公司的研究，陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)裝置已經(jīng)形成較多的模式，如梯架式、管道式、壁掛式、立體柱、栽培柜等，目前這些裝置模式中具有代表性的是栽培柜，如北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司研發(fā)的智能化綠色蔬菜種植樂園（京鵬智慧菜園）和鄭州麥佳農(nóng)業(yè)科技有限公司研發(fā)的一種新型智能種菜機(jī)（麥佳氧菜源家庭智能種菜機(jī)）。這2款智能種菜機(jī)均采用營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)的方式進(jìn)行蔬菜的批次生產(chǎn)。

在空間環(huán)境條件下，各國(guó)植物的種植模式大多采用無(wú)土栽培的模式，并利用風(fēng)扇或風(fēng)箱進(jìn)行大氣溫濕度、風(fēng)速和二氧化碳濃度等控制，利用LED燈作為植物生長(zhǎng)的光源，以保證植物正常生長(zhǎng)。如20世紀(jì)90年代，俄羅斯和保加利亞聯(lián)合研發(fā)的SVET溫室在和平空間站進(jìn)行了長(zhǎng)期搭載，在SVET溫室中完成了小麥“從種子到種子”的3代完整生長(zhǎng)周期培養(yǎng)[46]。2002年，俄羅斯針對(duì)國(guó)際空間站研制了名為L(zhǎng)ADA的空間溫室，并進(jìn)行了20多次空間植物栽培試驗(yàn)，成功培育出小麥、生菜等植物[47-48]。2014年，NASA將Veggie空間蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)送到空間站進(jìn)行生菜試驗(yàn)種植，收獲后3名宇航員在空間站保留樣品帶回地面進(jìn)行分析測(cè)試[9];2015年11月，NASA首次在軌道實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行開花植物百日菊的培養(yǎng)試驗(yàn)，在太空中百日菊完成了開花過程，并于2016年2月收獲[10]。2009年，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（japan aerospace exploration agency，JAXA）將研制的植物試驗(yàn)單元隨航天飛機(jī)發(fā)射到國(guó)際空間站的日本試驗(yàn)艙，以擬南芥為研究對(duì)象啟動(dòng)“空間種子項(xiàng)目”試驗(yàn)[49]。我國(guó)在“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室搭載的空間植物栽培裝置，種植模式采用基質(zhì)栽培的培養(yǎng)模式[21]。

3.2?種植植物

基于陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)的自身特點(diǎn)，對(duì)種植蔬菜和花卉有一定的要求，蔬菜類要求植株生長(zhǎng)快、周期短、產(chǎn)量高、可食部分比例高、抗病和抗逆性強(qiáng)等;花卉類要求植株相對(duì)矮小、花瓣數(shù)增加、花期和綠期長(zhǎng)等。隨著陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)規(guī)模的逐漸形成，其育種工作也會(huì)逐漸推進(jìn)，其育種目標(biāo)主要為表型、品質(zhì)、產(chǎn)量、抗逆性、觀賞性等。同樣，基于空間培養(yǎng)條件的限制，如空間狹小和密閉等，在作物選擇上遵循陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)類似的原則，如植株占用空間小，培養(yǎng)技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境條件沒有特殊要求;易于繁殖和移植，遺傳性狀穩(wěn)定;生長(zhǎng)快，周期短;產(chǎn)量高，可食部分比例高;抗病和抗逆性強(qiáng);易于收獲、加工和貯藏等。我國(guó)利用空間技術(shù)已獲得一定的成果，如通過搭載第20顆往返式衛(wèi)星的萬(wàn)壽菊，獲得花期長(zhǎng)達(dá)9個(gè)月、單層4瓣變成多層6瓣的新品種太空萬(wàn)壽菊;皇后醉蝶花通過往返式衛(wèi)星的搭載后，獲得花期長(zhǎng)達(dá)8個(gè)月的新品種航選Ⅰ、Ⅱ號(hào)[22]?；ɑ芑ㄆ诘难娱L(zhǎng)和花瓣數(shù)的增加，不管在陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)還是在空間環(huán)境種植方面都具有一定的優(yōu)勢(shì)。

3.3?管理智能化

隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)智能化的發(fā)展，陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)部分種植形式實(shí)現(xiàn)了營(yíng)養(yǎng)液自動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)、空氣循環(huán)系統(tǒng)和人工補(bǔ)光系統(tǒng)等，且實(shí)現(xiàn)了在封閉的環(huán)境中對(duì)植物所受的光照、溫/濕度、水分、營(yíng)養(yǎng)等環(huán)境條件進(jìn)行精確智能調(diào)控，使其均達(dá)到植物生長(zhǎng)的最佳狀態(tài)，以生產(chǎn)出高品質(zhì)蔬菜，如上述陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)中最新研制的2款智能種菜機(jī)。同時(shí)，由于智能自動(dòng)化的管理，極大改善了勞動(dòng)強(qiáng)度和勞動(dòng)時(shí)間。同樣由于空間環(huán)境的特殊性，在空間種植植物實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理、一體化、信息化顯得尤為重要，這樣可以減少宇航員的工作強(qiáng)度。在2種不同的種植環(huán)境條件下，可根據(jù)不同環(huán)境自身的特點(diǎn)相互借鑒和完善管理技術(shù)。

4?小結(jié)與展望

我國(guó)利用空間技術(shù)獲得了大量適合陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)種植的蔬菜和花卉新品種，但因種類和數(shù)量的局限性，在陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)中應(yīng)用較少。陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)是一個(gè)方興未艾的產(chǎn)業(yè)，能有效解決城市化進(jìn)程中人與自然和諧共生的矛盾、提高城市綠化面積、豐富城市綠化空間的層次等，它的快速發(fā)展可達(dá)到一種無(wú)污染、可循環(huán)持續(xù)發(fā)展的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式。同時(shí)，陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)和空間環(huán)境植物培養(yǎng)具有一定的耦合性，具體表現(xiàn)在種植模式、植物種類和智能化管理，特別是對(duì)栽培植物的選擇上。不管是傳統(tǒng)的陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)還是基于植物工廠的現(xiàn)代化陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)，因其種植空間和種植面積的制約，所要求栽培種植的植物一般要具有產(chǎn)量高、生長(zhǎng)周期短、可食部分比例大、株型矮小、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高等特點(diǎn)，而這些特性又是空間植物種植具備的重要因素。植物作為生物再生生命保障系統(tǒng)的最重要組成部分，為太空人員提供生命所需的食物、氧氣和水。美國(guó)肯尼迪航天中心經(jīng)過多年的試驗(yàn)篩選出一些在植物艙中生長(zhǎng)較好的作物品種，如大豆Hoyt、馬鈴薯Norland、菠菜Nordic Ⅳ、番茄Reimann、草莓Oso Grabda等[50]?？臻g站以及基地初期所需要的色拉型植物主要利用生菜、油菜和白菜，這3種植物均具有株型矮小、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、可食部分比例大、生長(zhǎng)迅速等特點(diǎn)[51]，而這些植物品種同樣也是陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)種植中首選的植物品種。隨著我國(guó)載人航天工程進(jìn)入空間站階段，解決航天員長(zhǎng)期駐留所需的食物、氧氣和水等生存必需品就顯得尤為重要。因此，培育適合太空種植的新品種，可以給航天員的生命活動(dòng)提供物質(zhì)保障，進(jìn)而為我國(guó)成為空間研究大國(guó)奠定基礎(chǔ)。

近年來，農(nóng)業(yè)科學(xué)與空間科學(xué)技術(shù)交叉形成的空間農(nóng)學(xué)對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展和農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)產(chǎn)生了重要的影響。人們開展空間植物學(xué)的研究，可以探索在空間特殊環(huán)境下植物生長(zhǎng)發(fā)育的規(guī)律，并利用空間環(huán)境引起的遺傳變異，為作物誘變育種創(chuàng)造新的種質(zhì)，同時(shí)為人類開拓空間資源創(chuàng)造條件。

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