Növekedhetnek-e a növények a Marson és a Holdon: Növekedési kísérlet a Marson és a Hold talajszimulánsain

Társulás Alterra, Wageningen UR, Wageningen, Hollandia

Tagság Unifarm, Wageningen UR, Wageningen, Hollandia

Tagság Biometris, Wageningen UR, Wageningen, Hollandia

G. W. Wieger Wamelink,
Joep Y. Frissel,
Wilfred H. J. Krijnen,
M. Rinie Verwoert,
Paul W. Goedhart

Ábrák

Absztrakt

Amikor az emberek a Holdra vagy a Marsra telepednek, ott kell enniük. Élelmiszer repülhet. Alternatív megoldás lehet a növények termesztése a helyszínen, lehetőleg őshonos talajokban. Beszámolunk az első nagyszabású ellenőrzött kísérletről, amely a Mars és a hold talajszimulánsaiban növények termesztésének lehetőségét vizsgálja. Az eredmények azt mutatják, hogy a növények mind a marsi, mind a hold talajszimulánson képesek csírázni és növekedni 50 napig tápanyagok hozzáadása nélkül. A Mars regolit szimulánsának növekedése és virágzása sokkal jobb volt, mint a Hold regolit szimulánjánál, és még valamivel jobb is, mint a tápanyag-szegény folyóvíz talajunkban. Reflexált kövirág (vad növény); a paradicsom, a búza és a zsázsa; és a zöldtrágya fajú mezei mustár különösen jól teljesített. Ez utóbbi három virágos, a zsázsa és a mezei mustár is magot adott. Eredményeink azt mutatják, hogy elvileg lehetséges növények és más növényfajok termesztése marsi és holdi talajszimulánsokban. Sok kérdés maradt azonban a szimulánsok vízhordó képességéről és egyéb fizikai jellemzőiről, valamint arról, hogy a szimulánsok reprezentatívak-e a valódi talajra.

Idézet: Wamelink GWW, Frissel JY, Krijnen WHJ, Verwoert MR, Goedhart PW (2014) A növények növekedhetnek a Marson és a Holdon: A növekedési kísérlet a Marson és a Hold talajszimulánsain. PLoS ONE 9 (8): e103138. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0103138

Szerkesztő: Alberto de la Fuente, Leibniz-haszonállat-biológiai intézet (FBN), Németország

Fogadott: 2014. január 8 .; Elfogadott: 2014. június 25 .; Közzétett: 2014. augusztus 27

Finanszírozás: Ezt a kutatást a Holland Gazdasági Minisztérium támogatta. A finanszírozóknak nem volt szerepük a tanulmányok tervezésében, adatgyűjtésben és elemzésben, a közzétételre vonatkozó döntésben vagy a kézirat elkészítésében.

Versenyző érdeklődési körök: A szerzők kijelentették, hogy nincsenek versengő érdekek.

Bevezetés

Az Apollo-projekt során nem végeztek kísérleteket a növények növekedésével a Holdon. A földi kísérleteket azonban elvégezték a visszahozott holdanyaggal. Ezek a kísérletek nem tartalmazták a növények holdtalajon való növekedését. Ehelyett a növényeket holdköveknek tették ki dörzsöléssel, és még kis mennyiségeket is adtak a táptalajhoz. Ezek a kísérletek azt mutatták, hogy a holdtalajnak nem volt toxikus hatása a növények rövid távú növekedésére [18], áttekintést lásd Ferl és Paul [19]. Ferl és Paul [19] a Hold-regolit szimulánson (JSC1a) termesztett Arabidopsis thaliana modellnövényről is képet nyújtanak. A holdkőzet-utánzóval (anortozit) végzett vizsgálatokat a Tagetes patula mintanövénnyel [20], [21] végeztük. Ezek a vizsgálatok azt mutatták, hogy ezek a növények képesek voltak baktériumok hozzáadásával és anélkül is növekedni [20], [21], és hogy a növények képesek voltak kivirágozni [20]. Növénynövekedési kísérletek történtek a Mars regolit szimulánsával is. A Mars-talajszimuláns baktériumokkal végzett kísérleteiből kiderült, hogy növekedés lehetséges, beleértve a nitrogénmegkötő baktériumokat is [22].

Célunk az volt, hogy megvizsgáljuk, vajon a három csoportba tartozó vadon élő növények, növények és nitrogén rögzítők (1. táblázat) csíráznak-e és elég hosszú ideig élnek-e ahhoz, hogy a mesterséges Mars- és Hold-regolitokon átmenjenek a növényfejlődés első szakaszain. Ha ez így lenne, elképzelhető, hogy a növény növekedése lehetséges a Mars és a Hold felszínén található mesterséges környezetben, bár kísérletünket a Földön végeztük el annak eltérő gravitációjával. Ezenkívül feltételeztük, hogy a növénytermesztést zárt környezetben, a Földdel, például fény- és légköri viszonyok között hajtják végre.

Anyagok és metódusok

Regolitok

A Mars és a Hold regolit szimulánsát az Orbitec-től (http://www.orbitec.com) vásároltuk. Mindkét regolitot a NASA gyártotta (a Mars esetében JSC-1A Mars regolit szimulánst, a Hold esetében a JSC1-1A holdi regolit szimulánst használtuk) [23], [24]. Mivel a Mars és a Hold regolit szimulánsai összehasonlíthatók a Föld talajával, legalábbis ásványi összetételben [23] - [28], ezeket utánozhatjuk vulkanikus földi talajok alkalmazásával, ahogyan azt a NASA tette [23], [24].

Kontrollként 10 m mély rétegből származó durva rajnai folyami talajt használtunk tápanyagban szegény, szerves anyagtól és magtól mentes. Mivel a hold- és a Mars-szimulánsokat csak ásványianyag-tartalom és részecskeméret alapján elemeztük, elemeztük őket a növényfajok számára elérhető tápanyagok szempontjából is. Mindhárom talajtípust megvizsgálták a talaj pH-értékű vízére, a szervesanyag-tartalomra, a teljes N- és P-tartalomra (mindkettő romboló), NH4, NO2 +, NO3, PO4, Al, Fe, K és Cr (mind a hét CaCl2 kivonatban). Az összes elemzést kétszer megismételtük a szokásos protokoll szerint (RvA-akkreditáció a tesztlaboratóriumok számára; nyilvántartási szám terjedelme: 342). Ezeket a talajparamétereket általában a Földön előforduló fajok előfordulásának magyarázatára használják [29].

Az elemzésből kiderült, hogy a hold regolit szimuláns valóban tápanyagszegény, bár kis mennyiségű nitrátot és ammóniumot tartalmaz. A Mars regolit szimuláns nyomokban tartalmaz ammónium-nitrátokat és jelentős mennyiségű szenet is (2. táblázat). Mindhárom talaj pH-ja magas. A holdregolit pH-ja olyan magas, hogy sok növényfaj számára problémás lehet, különösen a növények esetében [30]. A regolitokat és a kontroll földhomokot a szállításkor alkalmaztuk, a homokot nem sterilizáltuk, mivel a sterilizálás megváltoztathatja annak tulajdonságait.

Fajválasztás

A fajokat három csoportból választották ki: négy különböző növény, négy nitrogén rögzítő és hat vad növény, amelyek természetesen előfordulnak Hollandiában (1. táblázat). Csak azokat a fajokat választották ki, amelyeknek viszonylag kicsi a magja, hogy a magokban lévő tápanyagkészlet gyorsan kimerüljön, és a növény teljesen függővé váljon a talajban elérhető növekedéstől. A vadon élő növényeknél olyan fajokat választottunk, amelyek tápanyagszegény körülmények között vagy sokféle körülmények között képesek növekedni (lásd az 1. táblázatot), a faj abiotikus körülményekre adott válaszai alapján [29], [30]. Megjegyezzük, hogy bár a fajoknak korlátai lehetnek a szántóföldi növekedési körülmények között, gyakran képesek monokultúrákban növekedni, különböző körülmények között, pl. tápanyagban gazdagabb vagy tápanyagban rosszabb körülmények, versenyképesebb fajok hiánya miatt. Az első növekedési szakaszok nyomon követéséhez a faj magjait használtuk. A növény és a nitrogén rögzítő vetőmagját a helyi boltban (Welkoop, Wageningen), a vadon termő növények vetőmagját pedig Cruydt Hoeckben (Nijeberkoop) vásárolták meg. Ez utóbbi magokat a szántóföldön gyűjtötték össze. A magokon kívül található baktériumok, ha vannak, nem pusztultak el.

Kísérleti tervezés és megfigyelések

A kis edényeket 100 g holdtalaj-utánzóval, 100 g földtalajjal vagy 50 g Mars-talajszimulánssal töltöttük meg, és mindegyik edénybe 25 g demineralizált vizet adtunk. A hozzáadott szimulánsok tömege különbözött, mivel kb. Azonos térfogatú edényeket akartunk megtölteni, hogy azonos oszlopmagasságúak legyenek. Az edények aljára szűrőt helyeztek, hogy megakadályozzák a talaj szivárgását. Minden talajtípushoz és növényfajhoz húsz replikacserepet használtunk. Ennek eredményeként 840 cserép lett (3 talaj × 14 faj × 20 másolat). Mindegyik edényben öt magot helyeztünk el, fajonként 100 talajt adva - talaj kombináció. Az edényeket egy üvegházban helyezték el teljesen randomizált blokk kialakítással, ahol minden blokk egy ismétlődést jelent (1. ábra). Mindegyik edényt egy petri-csészébe (sapka nélkül) tették, hogy a túl sok vizet megtartsa, és megakadályozza, hogy a gyökerek más edényekbe növekedjenek. Az edényeket egy nagy asztalra helyezték az üvegházban (2. ábra).

A fajok rövidítéseit lásd az 1. táblázatban.

Minden blokk 42 edényt tartalmaz. A 12. blokk látható a háttérben. Az edényekben található címkék a fazék számát, a fajokat (balról jobbra az első sorban Sárga édes lóhere (kétszer), Leopards bane, Szántó mustár, Sárgarépa és Vörös császár) és a talajtípust (L hold vagy Hold, M a Mars és E a Föld esetében) a blokk számával kombinálva (2).

A kísérlet 2013. április 8-án kezdődött. Az üvegház hőmérsékletét 20 ° C körüli hőmérsékleten tartották. A kísérleti időszak alatt az átlagos hőmérséklet 21,1 ± 3,02 ° C, a levegő páratartalma 65,0 ± 15,5% volt, mindkettő 24 órás, 5 perces időközönkénti felvétel alapján. Az átlagos napi idő 16 órán át tartott. Ha a napfény intenzitása 150 watt/m 2 alatt volt, 80 µmol-os lámpákat (HS2000 a Hortilux Schréder cégtől) bekapcsoltunk. Az edényeket naponta egyszer vagy kétszer öntöztük, a párolgási sebességtől függően, demineralizált vízzel permetezve (kb. 10 liter a teljes kísérlethez minden alkalomra). Demineralizált vizet használtunk a Mars és a Hold vizének utánzására, valamint a csapvízben található tápanyagokkal történő szennyezés megelőzésére. Környezeti levegőt használtunk.

A magokat a csírázás, az első levéltermelés, a rügyképzés, a virágzás és a magvetés alapján értékeltük. A kísérlet végén, 50 nappal április 8. után, a teljes biomasszát betakarítottuk, és tisztítás után 24 órán át 70 ° C-on kályhában szárítottuk; Lehűlés után a föld alatt és alatt a biomasszát külön lemértük. 25 kísérleti egység esetében az összes biomassza kisebb volt, mint a súlyozási határ. Ezen egységeknél 0,5 mg-ot (azoknál a növényeknél, amelyek csíráztak, de a kísérlet végén nem sikerült kinyerni), vagy 0,1 mg-ot (azoknál a növényeknél, amelyek közvetlenül a kísérlet vége előtt elhaltak a csírázás után) a teljes biomassza . A föld feletti és alatti biomasszát ennek az értéknek a felére állítottuk. 21 egység esetében a föld feletti biomassza kisebb volt, mint a súlyozási határ, és ez igaz a 25 egység föld alatti biomasszára is. Ezekben az esetekben a megfelelő biomasszát 0,1 mg-ra állítottuk be.

Statisztikai analízis

A logisztikai regresszió segítségével statisztikailag elemeztük az egyes cserepekben lévő csírázott magok számát, valamint azoknak a magoknak a számát, amelyeken levelek fejlődtek, és amelyekben virágokat (beleértve a rügyeket is) kifejlesztettek, valamint azoknak a növényeknek a számát, amelyek 50 nap után még életben voltak. Páronkénti valószínűségi arány tesztet külön-külön, fajonként és a blokkok közötti különbségek figyelembevételével teszteltük, hogy a Föld, a Hold és a Mars talajszimulánsai eltérő eredményt adnak-e. Szükség esetén a túlterjedést a binomiális variancia ismeretlen tényezővel történő felfújásával számolták, majd a kvázi valószínűség, nem pedig a maximális valószínűség alkalmazásával [31].

A varianciaanalízist, ismét külön-külön, fajonként, és figyelembe véve a blokkhatásokat, elvégeztük a teljes, a föld feletti és a föld alatti biomassza logaritmusán, valamint a föld feletti és a föld alatti biomassza arányán. A log transzformációt alkalmaztuk, mert ez stabilizálja a varianciát. A talajtípusok között páronkénti t-tesztet végeztünk. Vegye figyelembe, hogy ez egy feltételes elemzés, mivel a biomasszát nem tartalmazó egységeket kizárják. Ez azt jelenti, hogy a holdon található V. sativa sativa számára nem adnak biomasszát, mert ezek közül a magokból sem csírázott.

Eredmények

Az összes eredmény 50 nap után következik be, és a százalékos arány minden növényfaj/talajtípus kombinációnkénti 100 magon alapul. A páronkénti különbségeket egy olyan vonal jelzi, amely összeköti a talajtípusokat, amelyek jelentősen eltérnek az 1% (vékony vonal) és a 0,1% (vastag vonal) ) szignifikancia szint. Háttérinformációk az S1 és S2 táblázatban találhatók.

A kísérlet végén a biomassza a marsi talajszimulánst használó tizennégy faj közül tizenegynél szignifikánsan magasabb volt, összehasonlítva mindkét másik talajjal. A föld- és holdtalaj-utánzó modell biomasszája gyakran meglehetősen hasonló (4. ábra), bár kilenc faj esetében a biomassza-növekedés a föld talaján szignifikánsan magasabb volt, mint a holdtalaj-utánzó modellben. Úgy tűnik, általában a növények azonos sebességgel tudtak fejlődni a marsi és a földi talajszimulánsokon, de a biomassza növekedése sokkal nagyobb volt a Mars-szimulánsokon. Ez tükröződik mind az alsó, mind a felszín alatti biomasszában, bár faji szinten vannak különbségek.

A biomasszákat mg tömegszázalékban adjuk meg 10 log-skálán. A háromszög a Lupin kiugró értékét jelzi (19,7 felett/alatt). A közönséges bükkönyhöz nincs megadva arány, mivel a felszín alatti és a föld alatti biomassza is nulla. A páronkénti különbségeket egy olyan vonal jelzi, amely összeköti a talajtípusokat, amelyek jelentősen eltérnek az 1% (vékony vonal) és a 0,1% (vastag vonal) szignifikancia szinten. Háttérinformációk az S1 és S2 táblázatban találhatók.

Vita

Megtaláltuk a csírázást és a növények növekedését mind a hold, mind a Mars talajszimulánsok esetében. Eredményeink összhangban vannak az Arabidopsis thaliana és a Tagetes patula [19] - [21] korábbi kutatásával a hold regolit szimulánsával és a hold kőzet szimulánsával, bár eredményeink kevésbé ígéretesek. Kozyrovska et al. [20] virágzó T. patula növénye volt, ahol csak egyetlen növényünk volt a Sinapsis arvensis-től, amely virágcsikket alkotott, de virágzás előtt elpusztult.

Ezt a kísérletet cserépben hajtották végre. A Marson vagy a Holdon található növények egy részét cserepekben lehet termeszteni, de a növények egy részét teljes talajban (növekedési kamrákban vagy kupolák alatt). A nedves körülmények akkor eltérőek lesznek, és eltérő eredményeket hozhatnak az edények és a teljes talaj között. Érdekes tehát a jövőbeni kísérleteket teljes talajművelésben is elvégezni.

Kísérletünkben a nitrogén rögzítők használatának oka az, hogy esetleg kompenzálhatják a mesterséges marsi és holdi talajban a megfelelő reaktív nitrogén hiányát. A gyarmatosítás első szakaszában ezek a fajok felhasználhatók a talaj nitrogénnel való gazdagítására, amely minden más növény számára elengedhetetlen, azáltal, hogy növekedésük után összekeverik őket a talajjal, amint azt télen Hollandiában szokás [32] - [34] . Ez történhet a Földről vagy emberi ürülékből származó trágya mellett. Valamennyi kiválasztott nitrogén rögzítő elvégezheti ezt a funkciót; a közönséges bükköny azonban nem teljesített túl jól a marsi talajszimulánson, ami azt jelezheti, hogy szükség lehet nitrogénmegkötõ baktériumokkal való oltásra. Ebben a kísérletben nem oltottuk be a talajszimulánsokat nitrogénmegkötő baktériumokkal, bár nem sterilizáltuk sem a szimulánsokat, sem a magokat. A baktériumok így jelen lehetnek, de kísérletünk során ezt nem teszteltük. A jövőbeni kísérletek során a talajokat oltjuk be ezekkel a baktériumokkal. A nitrogén rögzítők szerepet játszhatnak a fémekkel szennyezett talaj méregtelenítésében is [35].

Következtetések

segítő információ

S1. Táblázat.

A csírázó, leveleket termő magok százaléka virágzott és 50 nap után életben volt. A páronkénti különbségtesztek P-értékeit, fajonként külön-külön, az utolsó három oszlop tartalmazza. A 0,01-nél kisebb P-értékeket félkövéren adjuk meg. Minden faj talajtípus-kombinációnak 20 másolata volt, és minden magban öt magot helyeztek el. Vegye figyelembe, hogy a sok másolat miatt a kis különbségek statisztikailag szignifikánsak.

S2. Táblázat.

Csírázott magok száma, zöld levelek képződése, virágzás, magvak, 50 nap után életben lévő növények száma, cserépben teljes biomassza, cserépben föld alatti biomassza és cserépben földi biomassza. (lásd az Excel fájlt).

S1 fájl.

A kísérlet fotói.

Köszönetnyilvánítás

R.M.A. Wegman, T. Busser és M. van Adrichem segítettek a kísérlet megkezdésében és az aratásban. Köszönjük F. van der Helmnek és egy névtelen bírálónak a kézirat előző verziójával kapcsolatos hasznos észrevételeiket.

Szerző közreműködései

A kísérletek megtervezése és megtervezése: GWWW PWG. Végezte el a kísérleteket: JYF WHJK MRV GWWW. Elemezte az adatokat: GWWW PWG JYF. Írta az írást: GWWW PWG JYF.