在《Communications Biology》杂志上发表的一篇新论文中，佛罗里达大学的研究人员表明，植物可以在月球土壤中成功发芽和生长。他们的研究还调查了植物对月球土壤(也被称为月球风化层)的生物学反应，月球土壤与地球上的土壤截然不同。
这项工作是迈向有朝一日在月球或太空任务期间种植供食物和氧气的植物的第一步。更直接的是，这项研究正值阿尔忒弥斯项目计划让人类重返月球之际。
“阿尔特弥斯将需要更好地理解如何在太空中种植植物，”该研究的作者之一、佛罗里达大学食品和农业科学研究所(UF/IFAS)园艺科学的杰出教授罗布·费尔说。
该研究的作者之一、佛罗里达大学/IFAS园艺科学研究教授安娜-丽莎·保罗(Anna-Lisa paul)说，即使在月球探索的早期，植物也发挥了重要作用。
保罗说:“植物帮助确定了从月球带回的土壤样本中没有病原体或其他会伤害陆地生命的未知成分，但这些植物只是被月球风化层覆盖，实际上从未在其中生长。”
保罗和费尔是国际上公认的研究太空植物的专家。通过佛罗里达大学太空植物实验室，他们已经用航天飞机向国际空间站和亚轨道飞行发送了实验。
“对于未来更长时间的太空任务，我们可能会把月球作为一个枢纽或发射台。我们想利用已经存在的土壤来种植植物是有道理的，”费尔说。“所以，当你在月球土壤中种植植物时会发生什么，这完全超出了植物的进化经验?”植物在月球温室里会做什么?我们能有月球农民吗?”
为了回答这些问题，弗尔和保罗设计了一个看似简单的实验:在月球土壤中种植种子，添加水、营养物质和光线，并记录结果。
复杂的是:科学家们只有12克——只有几茶匙——月球土壤来做这个实验。这些土壤是从NASA借来的，是阿波罗11号、12号和17号登月任务期间收集的。在11年的时间里，保罗和费尔申请了三次机会来研究月球风化层。
土壤数量少，更不用说它不可估量的历史和科学意义，这意味着保罗和弗尔必须设计一个小规模的，精心设计的实验。为了种植他们的微型月球花园，研究人员在通常用于培养细胞的塑料板上使用了顶针大小的孔。每个“罐子”都有一个很好的功能。一旦他们把大约一克月球土壤装满“罐子”，科学家们就用营养液湿润土壤，并加入一些拟南芥种子。
拟南芥因其遗传密码已被完整绘制而在植物科学中得到广泛应用。在月球土壤中种植拟南芥让研究人员更深入地了解土壤如何影响植物，甚至基因表达水平。
作为比较，研究人员还在JSC-1A中种植了拟南芥，JSC-1A是一种模拟真实月球土壤的陆地物质，以及模拟火星土壤和极端环境下的陆地土壤。在这些非月球土壤中生长的植物是实验的对照组。
在实验之前，研究人员不确定种子在月球土壤中是否会发芽。但几乎所有人都做到了。
“我们很惊讶。我们没有预测到这一点，”保罗说。“这告诉我们，月球土壤没有干扰植物萌发过程中的激素和信号。”
然而，随着时间的推移，研究人员观察到生长在月球土壤中的植物和对照组之间的差异。例如，在月球土壤中生长的一些植物比它们的同类更小，生长得更慢，或在尺寸上更多样化。
保罗解释说，这些都是物理迹象，表明植物在努力应对月球土壤的化学和结构组成。当研究人员分析这些植物的基因表达模式时，这一点得到了进一步的证实。
保罗说:“在基因水平上，植物拿出了通常用来应对压力源的工具，如盐和金属或氧化压力，所以我们可以推断，植物认为月壤环境是有压力的。最终，我们希望利用基因表达数据来帮助解决我们如何改善对植物(尤其是农作物)的压力反应水平的问题，这些植物能够在月球土壤中生长，而对它们的健康影响很小。”
弗尔和保罗说，植物对月壤的反应可能与收集土壤的地方有关。他们与佛罗里达大学地质学助理教授斯蒂芬·埃拉多(Stephen Elardo)合作进行了这项研究。
例如，研究人员发现，那些生长在月球地质学家所称的成熟月球土壤中的植物受到的压力最大。这些成熟的土壤暴露在更多的宇宙风中，这改变了它们的组成。另一方面，生长在相对不那么成熟的土壤中的植物生长得更好。
埃拉尔多说，在月球土壤中种植植物也可能会改变土壤本身。
“月球是一个非常非常干燥的地方。月球土壤中的矿物质会对生长在其中的植物有什么反应，以及添加的水和营养物质?加水会使矿物学更适合植物生长吗?”埃拉多说。
后续的研究将建立在这些问题和更多。目前，科学家们正在庆祝他们在月球上种植植物迈出了第一步。
“我们想做这个实验是因为，多年来，我们一直在问这个问题:植物会在月球土壤中生长吗，”费尔说。“事实证明，答案是肯定的。”
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, 2022