Идеальное растение для выращивания в космосе должно обеспечивать как можно больше питательных веществ при минимальном вводе. Здесь мы обсуждаем, как можно использовать биотехнологию для создания сорта картофеля, пригодного для использования человеком в космосе.
Если человечество когда-либо собирается предпринять долгосрочные космические миссии и колонизацию, создание эффективной системы космического земледелия будет иметь важное значение для выживания человека в космосе. Однако существующие культуры недостаточно рентабельны и продуктивны для использования на космических фермах. Таким образом, мы предлагаем стратегию выращивания цельных съедобных и элитных растений (WBEEP) для улучшения космических культур. Опираясь на биотехнологию растений, стратегия WBEEP направлена на выращивание сельскохозяйственных культур с большим количеством съедобных частей, более богатым содержанием питательных веществ, более высокими урожаями и более высокой эффективностью использования минеральных питательных веществ для космических ферм.
Картошка (Solanum tuberosum L.) считается одним из главных претендентов на космическое земледелие благодаря следующим преимуществам: (1) высокий индекс урожая и урожайность клубней, а также клубни, богатые углеводами, которые могут обеспечить большое количество энергии для человека; (2) простые требования к садоводству и переработке пищевых продуктов; и (3) высокая устойчивость к нагрузкам с возможностью нормального развития во время космического полета. Важно отметить, что картофель можно размножать бесполым путем через клубни и половым путем через семена. Бесполое размножение может обеспечить восстановление пищевых ресурсов и стабильную питательную ценность, в то время как половое размножение может гарантировать более высокий коэффициент размножения и более низкие затраты на хранение и транспортировку. Однако картофель нельзя эффективно выращивать в космосе, пока не будут устранены присущие ему недостатки, связанные с высоким содержанием соланина, низким урожаем и накоплением питательных веществ, а также низкой эффективностью использования удобрений. Ниже мы описываем стратегию WBEEP для улучшения картофеля, которая может создать WBEEP-картофель для космического земледелия (рис. 1).

Разработка цельного съедобного растения для картофеля WBEEP
Съедобные растения целиком были бы желательны для космических ферм, потому что они могут приносить людям больше еды и уменьшать количество отходов. Однако стебли, листья и ягоды картофеля несъедобны. Надземные части растений картофеля содержат накопленный соланин (в первую очередь α-соланин и α-чаконин), который защищает от вредителей и патогенов, но токсичен для человека. В системах космического земледелия с жестко контролируемой средой в опосредованной соланином устойчивости растений нет необходимости. Если удалить соланин, все растение картофеля потенциально может стать съедобным. Чтобы заблокировать накопление соланина в растениях картофеля, можно использовать биосинтез. Например, подавление или мутация генов, кодирующих фермент цитохрома P450 GAME4, диоксигеназу DPS или фактор транскрипции AP2 / ERF GAME9, значительно снижают содержание соланина. Помидоры также могут производить токсичный соланин (в первую очередь α-томатин), но могут превращать соланин в негоркий и нетоксичный гликозид эскулеозид А во фруктах.6. Поскольку метаболизм соланина включает несколько ферментативных реакций, общих для картофеля и томатов, можно было бы ввести гены метаболизма соланина из томатов в картофель для уменьшения накопления соланина.
Биообогащение полезными питательными веществами для картофеля WBEEP
Фитонутриенты (например, флавоноиды и антоцианы) и витамины имеют большое значение для здоровья человека. Тело в космосе становится более хрупким и нуждается в большем количестве питательных веществ. Однако некоторые микроэлементы в упакованных пищевых продуктах могут разлагаться в условиях хранения в космосе, что затрудняет получение экипажами стабильных питательных веществ.8. Поэтому желательно, чтобы люди получали питание непосредственно из свежих сельскохозяйственных продуктов. Учитывая недостаточное содержание белков, фитонутриентов, витаминов и других важных питательных веществ в клубнях картофеля, необходимо провести биообогащение картофеля, чтобы полностью удовлетворить потребности человеческого организма в питательных веществах. Растения можно улучшить для синтеза витаминов и функциональных вторичных метаболитов путем модификации эндогенных метаболических путей, включая (1) увеличение поступления предшественников; (2) сверхэкспрессия, перемещение или мутация «узких мест»; (3) подавление нежелательных путей; (4) блокирование конкурирующих путей; (5) расширение метаболического потока для уменьшения подавления обратной связи; и (6) регуляция факторов транскрипции. Благодаря применению вышеуказанных стратегий был получен картофель, богатый различными витаминами, белками, флавоноидами, антоцианами и другими питательными веществами. Более того, сорта картофеля, содержащие кантаксантин, астаксантин или полиненасыщенные жирные кислоты с очень длинной цепью (VLC-PUFA), могут быть выведены путем реконструкции биосинтетических путей.
Повышение урожайности картофеля WBEEP
Клубни - это основная съедобная часть растений картофеля. Клубнеобразование картофеля - сложный биологический процесс. Ключевые регуляторы включают фоторецепторный фитохром B (PHYB), фактор транскрипции StCO, мобильные сигналы (СтБЕЛ5 и ПОТ1 мРНК, белок StSP6A и миР172) и транспортеры сахарозы StSUT4 и StSP5G. Сверхэкспрессия СтСП6А, StPOTH1, СтБЕЛ5и СтмиР172 или подавление StPHYB, СтКО, СтСУТ4и СтСП5Г может выполняться для улучшения клубнеобразования11. Оптимизация фотосинтеза - один из основных способов повышения урожайности, клубнеобразование картофеля также требует большого количества продуктов фотосинтеза (особенно сахарозы) из надземных частей. Продолжаются усилия по повышению эффективности фотосинтеза за счет улучшения способности фермента Rubisco карбоксилировать, повышения регенеративной способности цикла восстановления углерода, оптимизации цепи переноса электронов и минимизации оксигенации и фотодыхания.12. Большинство из вышеупомянутых стратегий генной инженерии для повышения эффективности фотосинтеза были успешно применены к рису или табаку и, надеюсь, могут быть использованы для повышения урожайности картофеля. Например, искусственно созданный обходной режим фотодыхания посредством экспрессии рекомбинантного полипротеина гликолатдегидрогеназы может значительно повысить эффективность фотосинтеза и урожай клубней за счет снижения фотодыхания и улучшения CO.2 поглощение. В последнее время модулирующая растительная РНК m6Метилирование стало эффективным способом улучшения роста растений и урожайности. Трансгенная экспрессия человеческой РНК-деметилазы FTO для уменьшения m6Уровни А в картофеле привели к увеличению урожайности клубней и надземной биомассы примерно на 50%.
Повышение эффективности использования минеральных питательных веществ для картофеля WBEEP
Для роста и развития сельскохозяйственных культур требуется много минеральных элементов, включая азот, фосфор и калий. Стоимость перевозки удобрений с Земли очень высока. Следовательно, необходимо повысить эффективность использования питательных веществ растениями, чтобы снизить потребление удобрений. Генетическая модификация может быть проведена для улучшения усвоения, распределения и метаболизма питательных веществ растениями или для оптимизации корневой архитектуры. Азот - один из важнейших элементов, необходимых растениям. Глутаматдегидрогеназы (ГДГ) низших организмов демонстрируют более высокое сродство к NH4+ и более сильная способность усваивать аммиак. Гетерологичная экспрессия GDH, которые имеют более высокое сродство к NH4+ чем GDH растений могут повысить эффективность использования азота многими культурами, включая картофель, и гарантировать, что культуры могут получать высокие урожаи в условиях низкого содержания азота. Фосфор - еще один важный элемент для роста растений, а фосфитные удобрения могут способствовать увеличению урожайности и качества клубней картофеля. Экспрессия фосфитдегидрогеназы (ptxD) из Pseudomonas виды позволяет рису и хлопку метаболизировать фосфит в дополнение к фосфату, и его роль в картофеле заслуживает изучения. Картофелю нужно больше калийных удобрений, чем азотных или фосфорных удобрений для роста и качества. Гетерологичное выражение Arabidopsis K+ канал AKT1 и его активаторы CBL1, CBL9и СИПК23 может повысить эффективность поглощения калия из почвы некоторыми культурами, а также сверхэкспрессировать калий+ транспортер HAK5 может повысить эффективность поглощения калия многими культурами в условиях ограниченного содержания калия. В последнее время генетическое манипулирование архитектурой корневой системы стало новой стратегией для увеличения усвоения питательных веществ и урожайности клубневых культур, но гены, которые можно использовать в картофеле, должны быть добыты.
Будущие перспективы WBEEP
Были проведены эксперименты, чтобы показать, как растения растут и развиваются в космосе, но чистое космическое земледелие остается в зачаточном состоянии. В настоящее время на Международной космической станции в пищу выращивают только зеленые листовые овощи, такие как салат и горчица. Таким образом, чтобы принести больше растений на космические фермы, мы предлагаем подход WBEEP для улучшения урожая. Комплексно применяемый WBEEP может обеспечить людей в космосе достаточным количеством питательной пищи с минимальным потреблением удобрений. По мере раскрытия большего числа механизмов биосинтеза антипитательных факторов и разработки стратегий улучшения питания, урожайности и эффективности использования удобрений подход WBEEP может быть применен к большему количеству сельскохозяйственных культур. Хотя практическое выращивание WBEEP в космосе для производства продовольствия может оказаться недостижимым в ближайшее время, мы предполагаем, что рассмотрение дополнительных достижений, необходимых для достижения такой цели, может быть полезным не только для космического сельского хозяйства, но и для обычного сельского хозяйства.