2022 年 5 月，來自科學家的一項突破性研究成果發表在《生物學通訊》雜誌上——科學家在真實月壤中成功種植出了擬南芥。
Plants grown in Apollo lunar regolith present stress-associated transcriptomes that inform prospects for lunar exploration 圖源：《生物學通訊》雜誌
之前一直有人在問，為什麼不去做真實月壤的植物栽培實驗？現在大家應該知道了，這實在是需要消耗太多月壤了。
通常來說動不動就會消耗幾百毫升（幾百克乃至一千多克）的用量（這還沒有算重複），而且種一次，月壤帶有月球表面痕跡的信息就會全部滅失，不能再研究了。
因此幾十年來，這個事情就一直有人想做但沒人做，大家都拿著模擬月壤來研究，起碼模擬月壤開採自火山灰，理論上可以敞開了供應。
所以如果一定要用真正的月壤開展一次研究的話，就只能節流，在申請報告上儘可能減少月壤的用量。
節流方法就是壓縮實驗規模，比如種個菜需要的月壤太多了，那就種小個植物，比如擬南芥。這種小個植物需要的生長空間很小，月壤的需求量也就進一步下調了，最後我們就看到了一個種在 48 孔板裡頭的擬南芥。
孔板裡頭的擬南芥
饒是如此，這個用量也不小。48 孔板每個孔的底面積一般在 1 平方厘米左右，月壤的容重一般在 1.8 公斤每升，那麼 5 毫米高度的月壤就大約重 1 克。
這次實驗用了阿波羅 11 號、阿波羅 12 號、阿波羅 17 號任務採集的月壤，分為 3 個平行，轉錄組學測定的有效重複最低為 4 個，因此算下來需要 12 克月壤。一大群人籌劃 15 年，不停地申請，最後才能換得這 12 克月壤。
從論文中月壤的信息可以看出，NASA也是把分析得差不多了的樣本「慷慨地」給了實驗團隊
要到了月壤之後，實驗團隊就要開始養植物。
研究人員在 48 孔板上劃好位置，先往孔裡面塞了 7 毫米厚的岩棉（用來儲存水和營養），然後放上一層 0.45 μm濾膜，最後才是真實月壤。
而且對照組也不能沒有，於是研究人員把NASA自研的JSC-1模擬月壤給拿了過來。既然是模擬月壤，那自然就不客氣了，直接在每個孔板裡頭放 4 組。
像這樣的孔板還有 4 塊
在完成上述工作後，接下來就需要讓含營養的水通過月壤空隙的毛細作用從岩棉手中奪取。
然而，在這個過程中出現了一個小插曲：阿波羅 17 號的樣本和模擬樣本成功吸水了，但阿波羅 11 號和 12 號的樣本沒能成功，所以研究人員就用槍頭加了點水，稍微攪了攪，認為也可以種植物了。
左圖就是補加的營養液，可以看到營養液形成了幾個水球，右圖就是用細塑料棒攪了攪，月壤的使用也是要留痕的
種擬南芥也不是直接把種子撒上去，而是用槍頭輕輕吸取含有擬南芥的營養液，並注入到月壤中。
當然，由於擬南芥遵守布朗運動，每次吸取的數量也不能保證完全一樣，為 2~4 粒，但是因為有重複，所以整體看起來數量也基本一致。栽培上了之後，就把它們用透明盒子罩起來，儘量減少空氣對流。
擬南芥的栽種（左）和培養（右）
每天的給水策略就是把 48 孔板往營養液裡頭泡一泡，讓岩棉吸飽水，再緩釋出來，這樣就能保證月壤不會吸水吸得太多。然後在擬南芥生長的第 6 天/第 8 天用鑷子輕輕拔出一個樣本，來觀察它的根部生長情況，長到第 20 天的時候，用剪刀將擬南芥收割了，地上部分放進液氮凍存，準備測轉錄組。
拔苗（左）、收割（中）和留樣（右）
事已至此，全部的工作就已經完成了，那麼就開始看結果吧！
大合影：左邊為第 6 天的情況，中間為第 16 天的情況，右邊為第 20 天的情況
從上圖一下子就能夠看到，第 6 天的時候各個擬南芥的生長情況還差不太多，萌發率也是 100% 。然而長到後來，真實月壤中擬南芥的生長速度就開始落後於模擬月壤，而且生長情況也更差勁，這是為什麼呢？為了研究這個問題，在第 6 天拔的苗就派上用場了。
圖a 地上部分 圖b 苗的整體形貌
可以看到，悲劇已然在第一個禮拜埋下：擬南芥在模擬月壤中更適合生根，而真實月壤阻礙了擬南芥的生根進程。而由此日積月累，在第 16 天的時候，擬南芥就長出差異來了。
如果想要把這個差異量化，就可以基於擬南芥特殊的生長狀況來衡量：它的對生子葉葉尖間距可以測量，而通過測量葉尖間距，則可以量化擬南芥的生長狀況。
葉尖間距的比較（紅色雙箭頭所示）
這下一目了然了：模擬月壤的擬南芥生長速度在第 7 天后（注意擬南芥需要 3~4 天時間出苗）突飛猛進，而以真實月壤為基質的擬南芥只能自嘆弗如，而且阿波羅12 號中以模擬月壤為基質的擬南芥培養得稍微好點，阿波羅 17 號中的樣本則在 15 天后最終落敗，而阿波羅 11 號的樣本早就退出了競爭。
以真實月壤為基質的擬南芥生長不好，肯定意味著有許多的脅迫條件，讓擬南芥不得不在逆境中生長。而脅迫條件越強，擬南芥表達的相關抗性基因就越多。表達的相關抗性基因則可以通過轉錄組研究來表現，最直觀的就是表達數量和主要表達基因種類。
圖a 真實月壤的實際栽培情況；圖b 表達數顯著增長/降低的基因數量；圖c 基因表達熱圖；圖d三種基質中表達數增長/下降最多的基因及其功能
可以看到，這些表達數出現顯著變化的基因包括抗性基因（顯著增長）、抗鹽脅迫基因、抗金屬（例如鋁）脅迫基因以及抗氧化基因等等，而與光合作用相關的基因的表達數量則顯著下降，這也正是擬南芥在真實月壤中長不好的直接因素。
但是事情到了這裡還沒完：科學家們還沒有研究清楚植株自身的影響。有些植株長得大，有些植株長得小，有些植株基本快消失了，這對於植株的影響也一定是不同的。因此研究人員進一步對植株的葉尖長度進行區分，把它們從大到小排序，選出的 1-3 名為「大葉片」（large），「小葉片」（small）和「劣葉片」（severe）。
由此得到形態學上的分類
那麼有了形態學上的分類之後，再將測得的轉錄組學結果進行分析，能得到什麼呢？
圖a 形態學分類示例：圖左為第 6 天形貌，圖右為第 20 天形貌；圖b 不同形態學分類的基因表達數；圖c：不同形態學的基因表達熱圖
可以看到「劣葉片」組的基因表達數一騎絕塵，不僅數量多，涵蓋範圍也廣，不管是抗氧化，還是抗鹽、抗金屬，其表達數都齊全了。而相對而言，「小葉片」組的表達主要為抗氧化表達，而「大葉片」組的表達主要為抗鹽表達，這基本暗示了不同植物生長狀況的主要脅迫因子。
到這裡，本次實驗就這樣結束了。這次實驗有趣的點在於：首次開展了以真實月壤為基質的植物栽培，獲得了第一手數據。擬南芥的轉錄組學暗示其受到鹽脅迫和金屬元素脅迫，且在真實月壤中的生長速度比模擬月壤慢，這些其實在意料之內，並不複雜。
抗活性氧（ROS）表達較多，暗示月壤氧活性較高，這是比較有特色的一點。一般認為月壤中含有納米鐵氧化物較為豐富，這可能是較為有特色的基質特徵，可以作為一種潛在的脅迫因素。不同採樣點的月壤對植株產生了不同影響，可能與岩石的演化程度有關。
一般認為阿波羅 17 號的岩石成熟度相對更低，而阿波羅 11 號和阿波羅 12 號取得的岩石成熟度更高。
而這次實驗需要提升的點在於：實驗團隊僅針對葉片和幼莖開展了研究，根部除了看它的根長之外，並未進一步報告其他特徵。月壤表面對根的損害暫時無所驗證，且轉錄組學也未檢測根部。消耗十幾克真實月壤，實驗條件無法重複。
阿波羅 11 號和 12 號樣本在實驗初始時沒有吸好水，加了水之後又攪了一下，月壤基質可能在物理層面上形成了一定的差異，比如稍微密實了一些，不利於根生長，而且評價的依據僅僅為「the samples behaved physically similar to JSC-1A and Apollo 17（樣品的物理表現與 JSC-1A 和阿波羅 17 號相似）」，考慮到這個實驗的樣本實在是太珍貴了，也可能是實驗過程中的突發情況，因此也表示理解。
無論是模擬月壤的栽培還是真實月壤的栽培，都說明月壤這一材料想最終應用於植物栽培，光克服它貧瘠的不良特性，僅僅給營養液補營養是不夠的，還需要從根本上對月壤進行改良。而如何改良月壤，或將成為未來重要的研究方向。
參考文獻：
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).
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作者｜東方玖
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責編丨王夢如