Nature Comm | 太空作物改良的生物技术策略

来源 | Mol Plant植物科学

10月14日，中国农业科学院都市农业研究所围绕太空农业的可持续发展以第一单位和通讯单位在综合性期刊 Nature Communications发表题为“Biotechnological development of plants for space agriculture”的展望性文章。该文章面向人类深空探测和星际移民，深入分析了太空农业系统对作物的独特要求，创新性地提出了面向太空农场进行作物改良的WBEEPs （Whole-Body Edible and Elite Plants）策略。WBEEP策略旨在为太空农场开发出食用部分更多、营养成分更丰富、产量更高、养分利用更有效的精英作物，其对太空作物的设计及高效太空农业系统的构建具有指导性和前瞻性意义。WBEEP策略的综合应用将能够有效促进太空农业、都市农业和传统农业的发展。

目前，美国(NASA)、欧洲(ESA)、中国(CNSA)、俄罗斯(RAKA)等航天机构已经制定了一系列深空探测计划。美国和中国甚至计划在月球和火星上建立永久居住基地。在长期的飞行任务和星际移民中，从地球向外太空运送食物是昂贵而不可持续的。因此，构建以作物为核心的高效太空农业系统并实现食物的自给自足，是人类在深空探测和星际移民中的必然选择。太空农业在未来将使我们在地球外也能够收获充足而营养的食物，但它现在还处于婴儿时期。针对太空农业的特殊需求，研究团队研发的首个“月球微型农场”于 2019年1月经嫦娥4号送上月球背面，搭载了中国农业科学院培育的棉花、油菜和马铃薯种子，成功实现了人类首次在月球培育植物幼苗的试验，拉开了农业走向太空的序幕。相关成果也受到了Nature、Science、新华网等国内外权威媒体广泛报道。

在环境控制系统的支持下，太空农场将能够为植物提供适宜的光照、温度和湿度等生长条件。目前，太空飞船中只能种植生菜和芥菜等绿叶蔬菜，而大部分现有作物远远不能满足太空农场对成本效益和生产效率的要求。为了让更多的植物能够进入太空农场，本文提出了面向太空农场的全株可食精英植物(Whole-Body Edible and Elite Plants，WBEEPs)的改良策略，并以马铃薯为例展示了创制WBEEP-potato的具体生物技术路线。依赖于植物生物技术的应用，WBEEP策略旨在为太空农场开发出可食用部分更多、营养成分更丰富、产量更高、养分利用效率更高的精英作物。

我国目前正在有条不紊地构建自己的空间站“天宫”，预计在2022年底完成。随着科技的不断进步，人类探索太空的步伐将会不断加快，以空间食物保障为核心的太空农业将会引起越来越广泛的关注。一批前沿学科，如植物工厂、功能农业、遗传育种、航空航天、信息科学和太空生物学等在太空农业的交叉融合将更加紧密。随着更多抗营养物质生物合成机制的揭示，以及提高营养、产量和肥料利用效率的多物种通用策略的开发，WBEEP策略将有望在更多作物上实现，为未来人类在深空探测和星际移民过程中提供食物和生存保障。此外，WBEEP作物的创制与应用所取得的渐进式成果也将促进传统农业，特别是是都市农业的发展，因为太空农业与都市农业的目标都是在密闭、空间受限的环境内建立高效的农业生产系统。

面向太空农业的WBEEP作物的创制与应用

（a）全株可食马铃薯的创制。通过阻断龙葵素的生物合成、改变其转录调控或引入其他代谢途径可以减少茄碱的积累，从而使马铃薯茎、叶和浆果变得可以食用。（b）营养物质的生物强化。通过修改内源性代谢途径强化植物营养素(如类黄酮、花青素和类胡萝卜素)，或通过重建生物合成途径合成虾青素或长链不饱和脂肪酸。（c）作物生产力的提高。通过提高马铃薯块茎形成、光合作用效率或RNA去甲基化水平，以实现马铃薯产量的增加。（d）肥料利用效率的提高。通过调节植物对养分的吸收、分配和代谢或优化根系构型可以提高养分利用效率。基于生物技术开发的WBEEP作物(e)有望应用于宇宙飞船(f)和星际移民(g)。

中国农业科学院都市农业研究所功能植物培育与应用创新团队刘永明博士和教育部（重庆大学）深空探测中心谢更新教授为本文共同第一作者，中国农业科学院都市农业研究所任茂智研究员和杨其长研究员为本文共同通讯作者。

论文链接：

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