Лунный грунт плохо подошел для выращивания резуховидок

Лунный грунт плохо подходит для сельского хозяйства. Хотя посаженные в него растения прорастают из семян, они испытывают сильный стресс и медленно развиваются. К такому выводу пришли биологи, сравнив рост резуховидок Таля в образцах реголита, привезенного с Луны экспедициями «Аполлон-11», «Аполлон-12» и «Аполлон-17», и в вулканическом пепле. Результаты исследования опубликованы в статье для журнала Communications Biology.

При колонизации Луны и Марса остается неясным, как обеспечить жителей внеземных колоний продовольствием. Одним из решений может стать выращивание растений на месте. Первые эксперименты в этом направлении уже ведутся. Например, пять лет назад ученые вырастили картофель в условиях, близких к марсианским. А исследование, проведенное в прошлом году, продемонстрировало, что бобовые растения могут формировать симбиоз с азотфиксирующими клубеньковыми бактериями в имитации марсианского грунта.

Команда биологов под руководством Анны-Лизы Пол (Anna-Lisa Paul) из Флоридского университета решила выяснить, способны ли растения выживать в лунном грунте. Для этого исследователи взяли образцы реголита, привезенные экспедициями «Аполлон-11», «Аполлон-12» и «Аполлон-17», и поместили их в сорокавосьмилуночный планшет. Затем в отдельные лунки на поверхность субстрата положили по три-пять семян резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana) — популярного модельного организма. В качестве контроля использовалась имитация лунного грунта JSC-1A, изготовленная на Земле из вулканического пепла.

В общей сложности исследователи посадили семена в двенадцать лунок с настоящим реголитом и в шестнадцать лунок с его имитацией. Пол и ее соавторы регулярно поливали резуховидки, освещали и фиксировали их рост, а на шестой-восьмой день пропололи, оставив в каждой лунке по одному экземпляру. На двадцатый день растения срезали, чтобы провести транскриптомный анализ.

Семена резуховидки проросли во всех лунках через 48-60 часов после посадки. Однако когда авторы сравнили растения, извлеченных при прополке, оказалось что корни экземпляров, которые развивались в реголите, короче, чем у тех, что росли в вулканическом пепле. После восьмого дня стали заметны отличия и в развитии надземной части. Резуховидкам, растущим в реголите, потребовалось больше времени, чем их сородичам из его имитации, чтобы полностью развернуть листья, а диаметр листовых розеток у них были меньше. Кроме того, некоторые «лунные» растения были низкорослыми и отличались повышенным содержанием красновато-черных пигментов, что указывает на стрессовые условия. Лишь несколько резуховидок в лунках с реголитом развивались почти так же хорошо, как их сородичи из лунок с вулканическим пеплом.

Наименее благоприятным для растений оказался реголит, привезенный экспедицией «Аполлон-11». Он находился на поверхности Луны дольше грунта, собранного экспедициями «Аполлон-12» и «Аполлон-17», и подвергся более сильному воздействию космических лучей и солнечного ветра.

Транскриптомный анализ показал, что у развивающихся в реголите резуховидок гены экспрессируются иначе, чем у их сородичей, растущих на его имитации. Максимальные отличия от контроля были отмечены для растений из лунок, заполненных образцами, которые привезла экспедиция «Аполлон-11». У них иначе работали 465 генов. Для образцов, собранных экспедициями «Аполлон-12» и «Аполлон-17» эти значения составили 265 и 113 генов соответственно.

У всех «лунных» резуховидок иначе экспрессировались гены, связанные с реакцией на сильный стресс. При этом 71 процент генов, для которых исследователи выявили отличия от контроля, отвечают за реакцию на ионный стресс от взаимодействия с солями, металлами и активными формами кислорода. Еще 29 процентов таких генов отвечают за регуляцию метаболизма. Авторы отмечают, что анализ транскриптома выявил признаки сильного стресса даже у тех «лунных» резуховидок, что внешне мало отличались от контроля. А у трех наиболее угнетенных растений иначе экспрессировались более тысячи генов.

Результаты исследования демонстрируют, что реголит можно использовать в качестве субстрата для выращивания растений. Однако в такой среде они испытывают сильный ионный стресс и развиваются хуже, чем в вулканическом пепле. При этом хуже всего для сельского хозяйства подходит зрелый реголит. Вероятно, причина в том, что в нем содержится большое количество нанофазного железа, которое в кислородной среде окисляется. Кроме того, такой грунт состоит из более мелких зерен, благодаря чему при взаимодействии с водой ионы лучше переходят в раствор. Оба этих фактора отрицательно влияют на рост растений. Таким образом, чтобы производить еду на Луне, людям придется каким-то образом модифицировать местный грунт, чтобы он стал более подходящим для растений.

Чтобы узнать о том, как исследователи изучали лунный грунт в прошлом и зачем продолжают делать это в наши дни, прочитайте наш материал «Земля занебесная».

Сергей Коленов