楊靜瑩／國立中興大學農藝學系（所）特聘教授，研究領域為作物逆境生理與訊號傳遞。

張晏慈／國立中興大學農藝學系（所）專任助理。

廖子喬／國立中興大學農藝學系（所）專任助理。

 

✤ 國在太空站試驗種植各類作物，期望建立太空農場為太空人提供食物。臺灣也參與計畫送種子上太空，研究太空環境對作物的影響。

✤ 太空環境可能誘導植物突變，影響種子的遺傳物質，從而使植物的生長發育和代謝活動產生變化。

✤ 臺灣參與的種子實驗發現，臺灣藜受太空影響呈現多樣的形態，可從中找出選育出適應太空和抗逆境的新品種。

 

自古以來，人類對未知的宇宙往往心懷嚮往，從撰寫一本科幻小說到打造一部動人心弦的電影，皆是人們將幻想中的宇宙具象化的方法。2015 年上映的電影《絕地救援》（The Martian）中，太空人兼植物學家的主角瓦特尼（Watney）不幸地在一次任務中被獨留在火星上，此時物資儲存量成為生存的一大挑戰。幸運的是，瓦特尼在太空艙內尋獲一箱馬鈴薯，並利用自身對植物的專業知識以火星土壤栽培，再自製水與肥料，最終成功培育出馬鈴薯幼苗，為自己帶來返回地球的曙光。

電影情節如今未必只是想像，近年國際馬鈴薯中心（International Potato Center）發布，研究員打造一枚立方衛星（CubeSat）模擬火星上高濃度二氧化碳、低壓且太陽輻射相同的封閉環境，並在裡面種植馬鈴薯。他們指出，若馬鈴薯能適應此環境，那麼在火星上種植馬鈴薯的可能性便大幅提升。太空人在執行太空任務期間的飲食主要依賴冷凍乾燥或罐裝的太空食品，透過地球定期補送所需的飲食，令他們得以長期在國際太空站（International Space Station, ISS）上生活。隨著地球環境資源、物資運輸、科技演進，現今已有多國嘗試在太空環境中種植植物，期望未來可供應太空人飲食所需，也可能提供未來地球資源匱乏之時所用。

 

 

展望太空農場新願景

太空生物學（astrobiology）主要研究宇宙生命起源、演化、分布與發展，不限於地球外的生物，也包含地球生物在太空的變化，而「太空農場」即是在太空生物學研究的基礎上建立，目前正在逐步試驗中（延伸閱讀 1）。

2014～2016 年，美國國家航空暨太空總署（National Aeronautics and Space Administration, NASA）在國際太空站上打造了植物栽培的蔬菜生產系統（vegetable production system, Veggie），此系統可均勻地為植株分配水、養分與空氣。光線則透過發光二極體（light-emitting diode, LED）產生適合植物生長的光譜，迄今已成功地在太空站中種植出白菜、紅葉萵苣、高麗菜、百日菊花等。研究員進一步在 Veggie 的基礎上建立封閉的先進植物培養系統（advanced plant habitat, APH），不僅可自動化控制灌溉水回收分配、空氣成分與溫溼度，同時擁有更多種顏色的 LED，包含紅、綠、藍燈，以及白光、遠紅光等，並陸續成功種植埃斯帕諾拉辣椒（Española pepper）、矮化小麥、蘿蔔等植物。

其他國家也有相關的成功案例。日本宇宙航空研究開發機構（Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA），為了使太空人可以於執行任務期間攝取足夠的維生素並刺激味蕾，於是在國際太空站上嘗試種植甜羅勒（Ocimum basilicum）、聖羅勒（Ocimum tenuiflorum，又稱打拋葉）等香草植物，並將種植過程以影像完整記錄以供研究。2022 年，中國的太空人更嘗試在「天宮」太空站上，從種子開始栽培亞洲主食水稻，成功地在太空站歷經萌芽、生長、抽穗到結穗，是國際上首次在太空環境下完成水稻生命週期的案例。

NASA 科學家為探討太空和地球種植的作物間差異，進一步檢測在這兩個環境中栽培的紅葉萵苣成分。結果顯示太空種植紅葉萵苣的營養元素組成（鈣、鐵、鉀、錳等）及抗氧化能力，均與地球種植的無顯著差異，顯然人類離太空農場的腳步愈來愈近。

 

臺灣種子的太空之旅

日本 JAXA 自 2010 年發起「太空種子亞洲未來」（Space Seeds for Asian Future, SSAF）計畫，並規劃一系列的太空實驗。其中，臺灣參與了 SSAF 第三期計畫「亞洲種子上太空」（Asian Herb in Space, AHiS），此計畫目的為提供亞太地區學生與研究員深入了解太空生物學，並同時促進國際太空站上隸屬於日本希望號（Kibo）實驗艙的使用（延伸閱讀 3）。

臺灣國家太空中心特別邀請國立中興大學農業暨自然資源學院（簡稱農資院），及農業部農業試驗所（簡稱農試所）參與計畫，協助種子選擇、提供種子、出入關檢疫報告、栽培指導與教育推廣。最終送上太空的臺灣種子有臺灣藜（Chenopodium formosanum）、姬蝴蝶蘭（Phalaenopsis equestris）、番椒（Capsicum annuum，又稱甜椒）、向日葵（Helianthus annuus）四種本土原生種或重要經濟作物。透過日本將種子運往美國搭乘太空梭，使臺灣種子登上了國際太空站的希望號實驗艙。

臺灣種子在太空歷時長達七個月後返回地球，經跨國將種子運送回臺後，再分別交給農資院與農試所的農園藝領域專家，共同研究太空對植物的影響並推廣太空科普。其中臺灣藜為本土原生種，也是農藝領域中重要的雜糧作物，目前由筆者團隊持續進行研究。

 

▲在國際太空站上使用先進植物培養系統栽培的矮化小麥。圖片提供／《科學月刊》，圖片來源／取自延伸閱讀 2

 

作物的經濟價值會受到太空環境影響嗎？

臺灣藜過去由原住民族馴化作為傳統糧食作物，為一年生草本植物，它的莖部在生長期間會木質化，得以直立生長，兼具觀賞與食用價值。研究指出每 100 克（g）臺灣藜種子中含有 50 克澱粉、14 克蛋白質、0.9 克脂質、14 克膳食纖維，其中膳食纖維含量是地瓜的七倍，遠高於多數已知作物。此外，它還含有人體運作的必需胺基酸與機能性營養成分，例如甜菜色素、抗氧化酵素等，可知臺灣藜的營養價值豐富。

當前 NASA 已於太空艙中建構出植物培養系統，並透過此系統成功栽培出可供太空人食用的作物。其中，栽培作物的物種選擇特別為重要。考量太空環境和太空人執行任務的模式，作物可能需要生育期短、營養價值高等條件。臺灣藜不僅符合條件，營養成分也十分多元，可作為太空人的糧食選擇之一，提供他們在太空環境下的營養所需。除此之外，臺灣藜也可作為未來地球替代性糧食的候選作物之一。

 

太空環境對種子的影響

誘發基因突變（誘變）可略分為物理、化學或生物等形式，其中物理誘變包含粒子輻射或電磁輻射等方式，像是 α 射線、β 射線、離子束、X 射線、γ 射線、紫外線、微波等；化學誘變目前則多利用烷化劑、核酸鹼基類似物、疊氮化鈉等；生物誘變則是透過植物營養組織器官進行無菌培養。經由上述物理、化學或生物誘變處理，使植物體內的核苷酸、胺基酸、脂質、植物荷爾蒙、二次代謝產物、光合作用等代謝產物或機制產生變異，以達到誘變成效。

隨著時代的演進，科學技術愈越來愈越發達，促使人類對太空環境的探索方式和應用模式逐漸多元化。目前已知的太空近似真空環境，含有以電漿態的氫為主的低密度物質，且因處於臭氧層外，因此具有微重力、磁場、低氧、電磁輻射或宇宙輻射等，種種因素都可能使植物細胞基因產生突變，進而導致植物生長發育及代謝活動受到影響。此外，種子在太空旅行的途中，儀器於飛行期間產生高頻的噪音也可能使植物細胞突變，因此植物種子不論經過太空旅程或種植於太空艙中，皆可能受到太空環境影響導致複合式誘變產生。

 

臺灣藜在太空環境的性狀變化

為此，筆者團隊藉由此次 AHiS 計畫將送種子上太空，希望選育出更適太空環境種植或對氣候逆境更加耐受的臺灣藜。臺灣藜種子在希望號實驗艙長時間地接受太空幅射、微重力、極端溫度等嚴苛條件，使每一顆種子都產生各自遺傳物質變化，成為一種獨立的品系，因此在各生長發育階段外觀形態不盡相同。本團隊取得自太空誘變的臺灣藜種子後，便持續地調查它的重要生理性狀，預期找出潛在具有抗逆境、優良性狀、高附加價值的突變品系，以育成優良品種供未來使用。

為了調查地面組與太空誘變組的臺灣藜在種子發芽階段有什麼差異，本團隊使用培養基進行種子試驗並拍照記錄，發現太空誘變品系有部分子葉發育不全或畸形，但也有子葉發育良好或幼苗生長快速的品系。進一步將狀態良好的太空誘變品系馴化後移至戶外田間栽培，並持續調查性狀，研究顯示部分品系在營養生長時期對蟲害的敏感性增加，或呈現出植株矮化的外觀；也有些品系於生殖生長時期呈現穗色特殊、穗色不均或主穗異常龐大的性狀。

臺灣藜種子受太空影響擴增遺傳變異，使植株外觀形態多樣化，從中可藉由外表型對突變品系分類或分析基因型，進一步找出生育期短、株型較矮或穗機能性成分含量高等預期目標性狀。

太空輻射誘變的作物應用 植株變異可略分為自然及人為變異，其中自然變異需要較長的時間並等待良好時機，因此以人為方式使植物體產生變異逐漸成為主要的誘變方式。臺灣藜種子受到太空輻射誘變後可能增加突變率或打破基因連鎖，因此當種子返回地球後，透過農藝專業研究人員進行田區種植試驗規劃、優良生理性狀調查、生物化學反應檢測分析等，得以建構出臺灣藜經太空輻射誘變的誘變庫，並可從誘變庫中進行優良生理性狀選拔、目標基因篩選或生理反應結果判釋，選育出優勢且具備特色的臺灣藜品系，以提高臺灣特色作物——臺灣藜的價值，促進外匯經濟產值，也可作為未來太空人的糧食選擇。

 

▲地面組與太空誘變組臺灣藜的外觀形態差異。圖片來源／中興大學農藝學系楊靜瑩教授實驗室提供

 

隨著全球氣候變遷導致的極端環境，以及提升太空人飲食選擇所需，科學家們積極發展於太空種植植物的可能性。透過持續地太空探索與在太空環境中種植植物的研究，相信未來將可逐步達成人類在太空農場中種植、生產，以及太空居住的夢想。

 

延伸閱讀

1. NASA. Plant Biology Program. NASA. https://science.nasa.gov/biologicalphysical/ focus-areas/plant-biology/

2. Cory Huston. Growing Plants in Space. NASA. https://www.nasa.gov/explorationresearch- and-technology/growing-plants-in-space/

3. JAXA (August 25, 2020). Space Seeds for Asian Future. JAXA. https://iss.jaxa.jp/ en/kuoa/ssaf/

 

 

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本文轉載、修改自《科學月刊》2024 年 4 月