2022 年 5 月，来自科学家的一项突破性研究成果发表在《生物学通讯》杂志上——科学家在真实月壤中成功种植出了拟南芥。

Plants grown in Apollo lunar regolith present stress-associated transcriptomes that inform prospects for lunar exploration 图源：《生物学通讯》杂志

之前一直有人在问，为什么不去做真实月壤的植物栽培实验？现在大家应该知道了，这实在是需要消耗太多月壤了。

通常来说动不动就会消耗几百毫升（几百克乃至一千多克）的用量（这还没有算重复），而且种一次，月壤带有月球表面痕迹的信息就会全部灭失，不能再研究了。

因此几十年来，这个事情就一直有人想做但没人做，大家都拿着模拟月壤来研究，起码模拟月壤开采自火山灰，理论上可以敞开了供应。

所以如果一定要用真正的月壤开展一次研究的话，就只能节流，在申请报告上尽可能减少月壤的用量。

节流方法就是压缩实验规模，比如种个菜需要的月壤太多了，那就种小个植物，比如拟南芥。

这种小个植物需要的生长空间很小，月壤的需求量也就进一步下调了，最后我们就看到了一个种在 48 孔板里头的拟南芥。

板里头的拟南芥

饶是如此，这个用量也不小。48 孔板每个孔的底面积一般在 1 平方厘米左右，月壤的容重一般在 1.8 公斤每升，那么 5 毫米高度的月壤就大约重 1 克。

这次实验用了阿波罗 11 号、阿波罗 12 号、阿波罗 17 号任务采集的月壤，分为 3 个平行，转录组学测定的有效重复最低为 4 个，因此算下来需要 12 克月壤。

一大群人筹划 15 年，不停地申请，最后才能换得这 12 克月壤。

从论文中月壤的信息可以看出，NASA也是把分析得差不多了的样本“慷慨地”给了实验团队

要到了月壤之后，实验团队就要开始养植物。

研究人员在 48 孔板上划好位置，先往孔里面塞了 7 毫米厚的岩棉（用来储存水和营养），然后放上一层 0.45 μm滤膜，最后才是真实月壤。

而且对照组也不能没有，于是研究人员把NASA自研的JSC-1模拟月壤给拿了过来。既然是模拟月壤，那自然就不客气了，直接在每个孔板里头放 4 组。

像这样的孔板还有 4 块

在完成上述工作后，接下来就需要让含营养的水通过月壤空隙的毛细作用从岩棉手中夺取。

然而，在这个过程中出现了一个小插曲：阿波罗 17 号的样本和模拟样本成功吸水了，但阿波罗 11 号和 12 号的样本没能成功，所以研究人员就用枪头加了点水，稍微搅了搅，认为也可以种植物了。

左图就是补加的营养液，可以看到营养液形成了几个水球，右图就是用细塑料棒搅了搅，月壤的使用也是要留痕的

种拟南芥也不是直接把种子撒上去，而是用枪头轻轻吸取含有拟南芥的营养液，并注入到月壤中。

当然，由于拟南芥遵守布朗运动，每次吸取的数量也不能保证完全一样，为 2~4 粒，但是因为有重复，所以整体看起来数量也基本一致。

栽培上了之后，就把它们用透明盒子罩起来，尽量减少空气对流。

拟南芥的栽种（左）和培养（右）

每天的给水策略就是把 48 孔板往营养液里头泡一泡，让岩棉吸饱水，再缓释出来，这样就能保证月壤不会吸水吸得太多。

然后在拟南芥生长的第 6 天/第 8 天用镊子轻轻拔出一个样本，来观察它的根部生长情况。

长到第 20 天的时候，用剪刀将拟南芥收割了，地上部分放进液氮冻存，准备测转录组。

拔苗（左）、收割（中）和留样（右）

事已至此，全部的工作就已经完成了，那么就开始看结果吧！

大合影：左边为第 6 天的情况，中间为第 16 天的情况，右边为第 20 天的情况

从上图一下子就能够看到，第 6 天的时候各个拟南芥的生长情况还差不太多，萌发率也是 100% 。然而长到后来，真实月壤中拟南芥的生长速度就开始落后于模拟月壤，而且生长情况也更差劲。

这是为什么呢？为了研究这个问题，在第 6 天拔的苗就派上用场了。

图a 地上部分 图b 苗的整体形貌

可以看到，悲剧已然在第一个礼拜埋下：拟南芥在模拟月壤中更适合生根，而真实月壤阻碍了拟南芥的生根进程，由此日积月累，在第 16 天的时候，拟南芥就长出差异来了。

如果想要把这个差异量化，就可以基于拟南芥特殊的生长状况来衡量：它的对生子叶叶尖间距可以测量，而通过测量叶尖间距，则可以量化拟南芥的生长状况。

叶尖间距的比较（红色双箭头所示）

这下一目了然了：

模拟月壤的拟南芥生长速度在第 7 天后（注意拟南芥需要 3~4 天时间出苗）突飞猛进，而以真实月壤为基质的拟南芥只能自叹弗如。

阿波罗12 号中以模拟月壤为基质的拟南芥培养得稍微好点，阿波罗 17 号中的样本则在 15 天后最终落败，而阿波罗 11 号的样本早就退出了竞争。

以真实月壤为基质的拟南芥生长不好，肯定意味着有许多的胁迫条件，让拟南芥不得不在逆境中生长。

胁迫条件越强，拟南芥表达的相关抗性基因就越多。表达的相关抗性基因则可以通过转录组研究来表现，最直观的就是表达数量和主要表达基因种类。

图a 真实月壤的实际栽培情况；图b 表达数显著增长/降低的基因数量；图c 基因表达热图；图d三种基质中表达数增长/下降最多的基因及其功能

可以看到，这些表达数出现显著变化的基因包括抗性基因（显著增长）、抗盐胁迫基因、抗金属（例如铝）胁迫基因以及抗氧化基因等等，而与光合作用相关的基因的表达数量则显著下降，这也正是拟南芥在真实月壤中长不好的直接因素。

但是事情到了这里还没完：科学家们还没有研究清楚植株自身的影响。

有些植株长得大，有些植株长得小，有些植株基本快消失了，这对于植株的影响也一定是不同的。

因此研究人员进一步对植株的叶尖长度进行区分，把它们从大到小排序，选出的 1-3 名为“大叶片”（large），“小叶片”（small）和“劣叶片”（severe）。

由此得到形态学上的分类

那么有了形态学上的分类之后，再将测得的转录组学结果进行分析，能得到什么呢？

图a 形态学分类示例：图左为第 6 天形貌，图右为第 20 天形貌；图b 不同形态学分类的基因表达数；图c：不同形态学的基因表达热图

可以看到“劣叶片”组的基因表达数一骑绝尘，不仅数量多，涵盖范围也广，不管是抗氧化，还是抗盐、抗金属，其表达数都齐全了。

相对而言，“小叶片”组的表达主要为抗氧化表达，而“大叶片”组的表达主要为抗盐表达，这基本暗示了不同植物生长状况的主要胁迫因子。

到这里，本次实验就这样结束了。

这次实验有趣的点在于：首次开展了以真实月壤为基质的植物栽培，获得了第一手数据。

拟南芥的转录组学暗示其受到盐胁迫和金属元素胁迫，且在真实月壤中的生长速度比模拟月壤慢，这些其实在意料之内，并不复杂。

抗活性氧（ROS）表达较多，暗示月壤氧活性较高，这是比较有特色的一点。

一般认为月壤中含有纳米铁氧化物较为丰富，这可能是较为有特色的基质特征，可以作为一种潜在的胁迫因素。

不同采样点的月壤对植株产生了不同影响，可能与岩石的演化程度有关。

一般认为阿波罗 17 号的岩石成熟度相对更低，而阿波罗 11 号和阿波罗 12 号取得的岩石成熟度更高。

而这次实验需要提升的点在于：

实验团队仅针对叶片和幼茎开展了研究，根部除了看它的根长之外，并未进一步报告其他特征。

月壤表面对根的损害暂时无所验证，且转录组学也未检测根部。

消耗十几克真实月壤，实验条件无法重复。

阿波罗 11 号和 12 号样本在实验初始时没有吸好水，加了水之后又搅了一下，月壤基质可能在物理层面上形成了一定的差异，比如稍微密实了一些，不利于根生长，而且评价的依据仅仅为“the samples behaved physically similar to JSC-1A and Apollo 17（样品的物理表现与 JSC-1A 和阿波罗 17 号相似）”。

考虑到这个实验的样本实在是太珍贵了，也可能是实验过程中的突发情况，因此也表示理解。

无论是模拟月壤的栽培还是真实月壤的栽培，都说明月壤这一材料想最终应用于植物栽培，光克服它贫瘠的不良特性，仅仅给营养液补营养是不够的，还需要从根本上对月壤进行改良。

何改良月壤，或将成为未来重要的研究方向。

参考文献：

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).