Astronauten in het internationale ruimtestation ISS brengen meer tijd weg van de aarde, maar ze hebben nog steeds hun dagelijkse portie groenten nodig. In de zoektocht naar een haalbare manier voor de bemanning om hun eigen groenten te kweken terwijl ze in een baan om de aarde draaien - en mogelijk op een dag op de maan of Mars - sturen studentenonderzoekers broccolizaden bedekt met een gezonde dosis probiotica de ruimte in.

Zes broccolizaden waren aan boord van het Orbital ATK Cygnus-ruimtevaartuig dat deze week vanaf Wallops Island werd gelanceerd, Virginia, als onderdeel van een bevoorradingsmissie in het ruimtestation. Drie van de zaden reizen zoals het is naar de ruimte, terwijl de andere drie waren bedekt met twee verschillende soorten bacteriën, ontwikkeld aan de Universiteit van Washington, die in gewassen kunnen leven en hun groei kunnen verbeteren. Deze "nuttige" microben, ook wel endofyten genoemd, kan planten ook helpen beter te groeien in omgevingen met extreem lage zwaartekracht, en waar voedingsstoffen of water kunnen ontbreken.

Het doel van het experiment, uitgevoerd door studenten van Valley Christian High School in San Jose, Californië, is om te leren hoe je groenten kunt verbouwen in de uitdagende, microzwaartekrachtomstandigheden van het ruimtestation - en uiteindelijk op de maan en Mars - terwijl de menselijke verkenning van de ruimte zich uitbreidt. Ontwikkeld door een team van 11 studenten, de eerste grondexperimenten bleken succesvol, omdat de broccoli sneller en significant groter groeide dan de controlestudie.

"Het zou ideaal zijn als we gewassen zouden kunnen verbouwen voor astronauten in het ruimtestation of die zich op de maan of Mars bevinden zonder dat we potgrond of kunstmest hoeven te verzenden, " zei Sharon Doty, een UW-professor aan de School of Environmental and Forest Sciences en een plantenmicrobioloog die de microben die in dit experiment werden gebruikt, isoleerde en karakteriseerde. "We willen graag met een minimale input planten kunnen laten groeien in wat beschikbaar is."

De studenten nemen deel aan het "Quest for Space"-programma van het Quest Institute for Quality Education en worden begeleid door David Bubenheim van de Biospheric Science Branch van NASA-Ames Research Center en John Freeman van Intrinsyx Technologies. Het experiment werd voorbereid in een vluchtlaboratorium in het NASA-Ames Research Center in Californië.

Freeman heeft veel planten getest aan boord van het internationale ruimtestation, en heeft dezelfde microben ook gebruikt om de groei van gewassen zoals tomaten, sla, soja bonen, tarwe, maïs en broccoli. Freeman heeft ontdekt dat de planten gedijen, zelfs als er minder water en essentiële voedingsstoffen zoals stikstof en fosfor worden gegeven.

Zijn werk bevestigt ook een onderzoek uit 2016 waarin Doty en co-auteurs ontdekten dat planten droogte en andere omgevingsstressoren beter kunnen verdragen met behulp van natuurlijke microben die voedingsstoffen leveren aan hun plantenpartners.

Deze specifieke endofyten- en broccoliplanten werden gekozen voor het ruimtevluchtexperiment omdat ze goed samen presteerden in kasproeven onder groeiomstandigheden vergelijkbaar met Mars, waar stikstof en fosfor beperkt zijn, zei Freemans.

Hoewel er een aantal verschillende groenteteeltexperimenten zijn uitgevoerd aan boord van het internationale ruimtestation, dit is de eerste die natuurlijke microben bestudeert om planten mogelijk te helpen groeien onder nutriëntenbeperkingen en in microzwaartekracht, hij zei.

"In de ruimte, planten zijn erg gestrest en groeien of reproduceren niet goed, " legde Freeman uit. "We willen dat planten beter groeien. We proberen broccoli omdat het wordt beschouwd als een anti-carcinogene voedselbron die een goede voedingskandidaat is voor ontdekkingsreizigers in de verre ruimte."

De microben worden eerst ingekapseld in een coating die de broccolizaden bedekt, die de zaden beschermt tegen uitdroging en veilige droge opslag mogelijk maakt voordat de zaden worden gehydrateerd en in een baan worden gekweekt. Wanneer de met endofyt beklede broccolizaden het ruimtestation bereiken, ze worden gehydrateerd in een kleine plantengroeikamer die constant licht geeft om de fotosynthese te bevorderen. Camera's zullen met regelmatige tussenpozen foto's maken van de zaailingen, die de onderzoekers van de middelbare school en hun mentoren zullen helpen de algemene groei van zaailingen te volgen.

Nadat de planten uit de ruimte zijn teruggekeerd, de studenten zullen hun groei en chlorofylgehalte meten en de geënte broccoli vergelijken met die zonder microben zijn gekweekt.

Afzonderlijk, Doty en haar team zullen plantenmonsters ontvangen om te onderzoeken hoe goed de twee microbensoorten de broccoli in de ruimte koloniseerden. en of ze net zo effectief waren als toen ze op aarde werden gekweekt.

"We willen weten of de microben nog steeds hun weg in de plant vinden, zelfs in microzwaartekracht, en als een van de vereiste plantsignalen terrestrisch is, "Zei Doty. "We moeten testen of ze nog steeds functioneren zoals we zouden verwachten bij het kweken in een andere omgeving zoals microzwaartekracht."

Doty en haar UW-team isoleerden de microben die meer dan tien jaar geleden in dit experiment werden gebruikt, uit wilde wilgen die op voedselarme grond tussen de rotsen en het zand langs de Snoqualmie-rivier groeiden. De planten hadden al de beste microben geselecteerd om hen te helpen groeien in barre omstandigheden, dus maakten de onderzoekers gebruik van deze belangrijke microbiële stammen en gebruikten ze om gewassen te helpen, grassen en bomen groeien in moeilijke omgevingen.

Deze microben kunnen allerlei soorten planten ten goede komen, hen te helpen stikstof uit de lucht om te zetten in essentiële voedingsstoffen voor de plant en de behoefte aan kunstmest te verminderen, in het geval van gewassen zoals broccoli.

Bij afzonderlijke projecten Doty en haar lab, samen met Bubenheim en Freeman, beginnen te testen of planten die natuurlijke wilgen- en populiermicroben krijgen, kunnen groeien in omstandigheden die op de maan en op Mars bestaan. Ze gebruiken regolith-simulant - vermalen rotsachtig materiaal zonder organisch materiaal - dat buitenaardse omstandigheden op beide locaties nabootst om te zien of microben planten kunnen helpen groeien in anders barre omstandigheden. Het werk maakt ook deel uit van het UW Astrobiology Program, dat was het eerste universitaire programma in zijn soort toen het 20 jaar geleden werd gelanceerd.

"Dit is de eerste stap in wat naar ik hoop een echt langetermijnonderzoeksprogramma wordt om op een zeer efficiënte manier bewoning op Mars en op de maan te ontwikkelen met behulp van natuurlijke symbiose in plaats van te proberen chemische mest in die omgevingen te brengen, ' zei Doty.