我們有一天會在太空殖民嗎? 我們的孩子會拜訪其他星球嗎? 為了實現這些目標，我們需要克服一個關鍵挑戰：如何在遠離地球的地方養活自己。

前往火星的旅程將花費數月，而探索銀河系的深度將花費更長的時間。為旅行者提供營養食品是一個重大障礙。雖然可以選擇儲存食物，但儲存足夠長達數月的時間會限制航天器的重量和空間限制-而且任務很容易延長食物的保質期。在太空中種植食物至關重要。

與地球相比，太空真空中的條件非常惡劣。太空中的種子必須能夠承受大劑量的紫外線和宇宙射線，低壓和微重力。1946年，美國宇航局發射了運載玉米種子的V-2火箭，以觀察它們如何受到輻射的影響。從那時起，科學界已經了解了很多有關太空環境對種子發芽，代謝，遺傳，生物化學乃至種子 生產的影響的知識。

天體生物學家戴維·特普弗(David Tepfer)和悉尼·利奇(Sydney Leach)研究了在國際空間站上呆了很長時間后種子如何重返地球。他們在EXPOSE任務中進行的實驗比許多其他ISS種子實驗要長得多，并且將種子放置在空間站的外部而不是內部。目的是不僅要了解長期輻射暴露的影響，還要了解這些影響的分子機理。

種子自身有一定的防御性

種子具有兩個很明顯的特征，特普費爾和利奇假設這些特征會給這些“模型太空旅行者”帶來戰斗的機會。

首先，它們包含重要基因的多個副本-科學家稱之為冗余。遺傳冗余在開花植物中很常見，尤其是諸如無核西瓜和草莓之類的食品。如果一個基因拷貝被破壞，還有另一種基因拷貝可以完成這項工作。

其次，種皮中含有稱為類黃酮的化學物質，可充當防曬霜，保護種子的DNA免受紫外線(UV)的損害。在地球上，我們的行星大氣層會過濾掉一些有害的紫外線，然后才能到達我們的身上。但是在太空中，沒有保護性氣氛。

這些特殊功能是否足以讓種子存活甚至繁衍?為了找出答案，Tepfer和Leach用煙草，擬南芥(研究中常用的開花植物)和牽牛花種子進行了一系列實驗-在國際空間站外和在地球上。

充滿能量

他們的EXPOSE-E實驗于2008年飛往國際空間站(ISS)，歷時558天-不到兩年。

他們將種子存儲在國際空間站外部的一層中，放在特殊類型的玻璃后面，該玻璃只能發出波長在110至400納米之間的紫外線。DNA容易吸收該波長范圍內的紫外線。第二套相同的種子放在國際空間站上，但完全屏蔽了紫外線。此實驗設計的目的是與空間中到處可見的宇宙射線等其他類型的輻射分開觀察紫外線的影響。

Tepfer和Leach為EXPOSE-E選擇了煙草和擬南芥種子，因為它們都具有冗余的基因組，因此存活率很高。它們還包括添加了抗生素抗性基因的基因工程煙草品種。計劃是稍后在細菌中測試該基因，并確定是否存在任何損害。除了正常的擬南芥外，他們還送出了兩種經過基因改造的植物株，它們的種皮中含有很少的紫外線防護化學物質。他們還發送了純化的DNA和純化的類黃酮。這為研究人員提供了廣泛的場景，以了解空間對種子的影響。

國際空間站的第二個任務稱為EXPOSE-R，僅包括三種類型的擬南芥種子。由于更長的實驗時間(682天)，它們接受的紫外線劑量略多于兩倍。最后，研究人員在實驗室進行了一項地面實驗，將擬南芥，煙草和牽牛花種子暴露于非常高劑量的紫外線下僅一個月。

在經歷了所有這些不同的暴露條件之后，該是時候看看種子可以長到何種程度了。

Expose-R實驗配備了三個裝有各種生物樣品(包括種子)的樣品盤。圖片來源：NASA

研究人員將收獲什么?

當種子返回地球時，研究人員測量了種子的發芽率，即發芽從種皮中出來的速度。

在實驗室中被屏蔽的種子表現最好，其中超過90%的種子正在發芽。接下來是在實驗室中暴露于紫外線輻射一個月的種子，發芽率超過80%。

對于太空旅行的種子，超過60%的被屏蔽種子會發芽。僅有3%的空間暴露于紫外線下。

從野生型和轉基因種子中生長出來的11種擬南芥植物一旦種植在土壤中就無法生存。然而，煙草植物顯示出生長減慢，但其生長速度在后代中得以恢復。煙草的種皮更厚實，基因組更加冗余，這可以解釋其明顯的生存優勢。

當研究人員將抗生素抗性基因插入細菌中時，他們發現它進入太空后仍然可以正常工作。這一發現表明，不是遺傳損害才使這些種子失去了生存能力。Tepfer和Leach將發芽率降低歸因于對種子中除DNA之外的其他分子(例如蛋白質)的破壞。冗余的基因組或內置的DNA修復機制無法克服這種損害，進一步說明了擬南芥植物為何無法在移植中幸存下來。

宇航員Dmitriy Kondratyev在暴露于外層空間數月之后，對ISS內部的EXPOSE-R進行了檢查，并為返回地球做準備。圖片來源：Roscosmos

在地面實驗中，研究人員發現輻射損傷與劑量有關-種子接受的輻射越多，其發芽率就越差。

這些發現可以為太空農業研究的未來方向提供參考。科學家們可能會考慮對基因工程種子進行增強，以保護對于蛋白質合成至關重要的細胞機制，例如核糖體。未來的研究還需要進一步探索存儲在太空中的種子如何在微重力下而不是在地球上發芽。