在没有阳光的情况下种植的作物可以帮助养活前往火星的宇航员，有朝一日可以补充地球上的餐盘。

在醋酸纤维上种植的生菜可能是朝着植物迈出的一步，这些植物可以通过化学而不是太阳能在黑暗中生长。 

这个故事出现在《科学》杂志，第380卷，第6649期。

Crops grown without sunlight could help feed astronauts bound for Mars | Science | AAAS

加利福尼亚州里弗赛德—对于第一批访问火星的宇航员来说，在他们的3年任务中吃什么将是最关键的问题之一。这不仅仅是品味问题。根据最近的一项估计，6名船员估计需要10吨的食物。美国宇航局计划在2年内将人送上火星，它可以在航天器上塞满预先包装好的饭菜，并提前向红色星球发射额外的补给品，以便回家。但即使这样也不能完全解决问题。

微量营养素，包括许多维生素，会在几个月内分解，需要在途中合成。食物不仅仅是卡路里的来源，贝勒医学院空间健康转化研究所首席科学官詹妮弗福格蒂说。味道、质地、新鲜度和其他因素都在维持我们的健康方面起着重要作用。简单的生存“不是目标，”福格蒂说。她总结说，今天保存的食物系统“完全不足以执行火星任务”。

加州大学河滨分校（UC）的化学工程师罗伯特·金克森（Robert Jinkerson）认为，答案是宇航员在黑暗中种植自己的机上花园，植物生长由人工营养物质而不是阳光推动。这并不容易;毕竟，植物进化了数亿年，就是为了从阳光中提取能量。但金克森认为，这可以通过重新唤醒植物已经拥有的代谢途径来实现 - 这些途径为埋在地下的种子发芽提供动力，然后在幼苗的叶子开始伸向太阳时关闭。在他展望未来时，太阳能电池板的电力可以转化水和二氧化碳（CO2）由航天器的机组人员呼出，变成简单、富含能量的碳氢化合物，转基因植物可以利用这些碳氢化合物生长——即使在太空的黑暗或火星上昏暗的光线下，火星接收的阳光不到地球的一半。

他的团队已经证明，改良植物可以在无光方案下生存，如果还没有茁壮成长的话。如果加州大学河滨分校的研究人员能够让它们蓬勃发展，金克森相信他们不仅会为宇航员提供食物，还会在没有土地和充足阳光的情况下在地球上种植各种各样的作物。“它可以在南极这样的地方实施，在农业不可能的地方，”金克森说，他的团队已经赢得了两轮NASA比赛。

其他人试图让植物远离光照，这是几十年的尝试没有奏效的原因。“他们一切都需要光，”卡内基科学的植物生物学家Sue Rhee说。光不仅在光合作用中起作用，而且在发芽、生长、开花和果实成熟中也起作用。但她认为金克森的愿景是“大胆的”，值得一试，因为它涉及基因调整和以前从未尝试过的添加营养素的组合。加州大学伯克利分校的植物分子生物学家Patrick Shih对此表示赞同。“他们正试图重新思考我们如何做农业，”Shih说。“这是一种非常开箱即用的看待方式，令人耳目一新。

在国际空间站上种植的辣椒需要光照，但由宇航员呼出的二氧化碳制成的化学物质可能会维持未来的太空花园。

 金克森最初的梦想是重新设计燃料生产，而不是食品。作为2014-17年的博士后研究员，他帮助重写了光合藻类中的基因，以促进可以捕获并转化为生物燃料的油的生产。当时，世界各地的化学家都有类似的雄心壮志，得到了壳牌和埃克森美孚等公司的数亿美元支持。最终，与石油相比，藻类生物燃料的高成本以及其他问题注定了Jinkerson的项目以及其他大多数项目。但一路上他了解到，当喂食一种叫做醋酸盐的简单液态碳氢化合物时，某些类型的藻类可以在黑暗中生长。

2017年，在加入加州大学河滨分校几个月后，Jinkerson发现自己参加了特拉华大学化学家Feng Jiao的研讨会。焦正在描述他的团队用电解槽进行的实验，电解槽是一种平装书大小的设备，可以去除一氧化碳。以及用电浇水以产生醋酸酯和乙烯，这是塑料的基石。由于乙烯市场巨大，最新统计每年1760亿美元，围绕焦氏电解槽的大部分讨论都集中在这种化合物上。但金克森想到，如果焦能从一氧化碳中制造乙酸盐。他自己的团队可以把它喂给藻类，也许有一天可以喂粮食作物。“我认为这是一场完美的比赛，”金克森说。“我在停车场向他推销，2个月后在一次会议上再次推销他。

焦和他的学生两人联手改造了他们的电解槽，以降低乙烯产量并打开醋酸盐。去年，他们在Nature Catalysis上报道说，他们已经将产量从30%的醋酸盐转移到99%，这个纯度足以直接喂给植物。此后，特拉华州团队对其工艺进行了技术经济分析，表明在具有常规电网电力的电解槽中生产醋酸盐可能比生产用于纺织品的醋酸酯的传统工艺更便宜。

在加州大学河滨分校罗伯特·金克森（Robert Jinkerson）实验室的黑暗中生长的蘑菇是宇航员在没有光照的情况下种植食物的研究计划的一部分。

加州大学河滨分校植物转化研究中心的不锈钢冰箱内生长的乳白色珍珠牡蛎蘑菇说明了用醋酸酯还可以做什么。每个蘑菇都生长在一个超大的试管中，试管里装满了浸泡在液体生长培养基中的沙状蛭石，醋酸盐和无机营养物质（包括磷和氮）的混合物。在去年发表在Nature Food上的工作中，Jinkerson，Jiao及其同事将电解槽中产生的醋酸盐喂入黑暗中生长的蘑菇，酵母和藻类。这些生物将化学能转化为新的生物质的效率比通过光合作用生长的植物高出18倍。

蘑菇种植策略是该团队参加深空食物挑战赛的一部分，该挑战赛由美国宇航局和加拿大航天局于 2021 年发起，旨在提出创新方法来为延长深空任务的宇航员提供食物。加州大学河滨分校和特拉华州的合作者称自己为 Nolux（拉丁语为“无光”），并于 2021 年 10 月从 300 多名申请者中脱颖而出，成为18名美国决赛选手之一。其他决赛入围者包括一个将干燥的昆虫细胞喂入生物反应器以“模仿传统肉制品”的装备，以及一个从多能干细胞中制造“肉”的项目。

在下一阶段的比赛中，团队将原型食品生产系统组合在一起。根据其结果，Nolux计算出在2立方米反应堆中生长的醋酸酯喂养的蘑菇每天可以提供约8.5公斤的食物，超过深空任务六人机组人员所需食物的三分之一以上。上个月，它被评为获得15万美元奖金的五名美国获奖者之一。

然而，即使是蘑菇爱好者也可能不愿意每天吃1公斤或更多的真菌。大多数植物在黑暗中将更难生长。蘑菇、酵母和一些藻类是异养生物，这些生物以其他植物或动物为食，自然能够在黑暗中生长。但几乎所有的植物都是自养生物，从阳光中产生自己的食物。

在同一项Nature Food研究中，Jinkerson，Jiao和他们的同事将醋酸盐喂给九种在黑暗中饲养的作物，包括生菜，西红柿和辣椒。虽然植物幸存下来，但它们并没有长得更大。使用碳-13标记的乙酸盐（碳的重同位素）进行的其他测试表明，植物可以将乙酸盐掺入它们的组织中 - 这是一个令人鼓舞的迹象 - 但显然不足以支持新组织的生长。

进一步调查揭示了原因。事实证明，醋酸盐是通过称为克雷布斯循环的代谢循环加工的。植物通常使用这种途径来分解光合作用过程中建立和储存的糖分子。他们一点一点地这样做，在每一步中提取能量，可用于合成蛋白质和其他必需的细胞构建块。然后，剩余的糖可用于构建植物组织。但与有五个或六个碳原子的糖分子不同，醋酸分子只有两个。随着克雷布斯循环的每一次完整转动，植物都会释放出两个二氧化碳分子，不留碳原子供植物构建叶子、根或茎。它保持健康，但其增长停滞不前。

在黑暗中种植植物

植物通常依靠光合作用来制造糖作为燃料并构建新的组织。调整植物新陈代谢，让它们在黑暗中生长，可以帮助宇航员执行深空任务，并在地球上全年种植农作物。

阳光下的成熟植物乙酰辅酶A植物糖地下幼苗美国职业棒球大联盟国际隐形眼镜乙酰辅酶A种子养分黑暗中的成熟植物美国职业棒球大联盟国际隐形眼镜乙酰辅酶A醋酸盐ACS中间步骤能源生产二氧化碳克雷伯氏循环植物利用这种代谢周期从糖中提取能量通过光合作用制造，产生两种二氧化碳过程中的分子。乙醛酸循环 发芽植物使用两种酶，ICL和MLS，绕过克雷布斯循环并收获储存在种子中的化学能。当光合作用接管时，这个循环就会关闭。改良乙醛酸循环 调整关键酶（蓝色和绿色）的基因可以重新启动成熟植物的乙醛酸循环，并使它们在没有光照的情况下在乙酸盐上生长。

为了创造可以在醋酸盐上生长并最终产生可食用叶子和果实的植物，Jinkerson和他的同事们现在正在使用CRISPR和其他基因编辑工具来重新启动种子发芽时短暂活跃的基因。一种称为乙醛酸循环的代谢途径允许幼苗以储存在种子中的淀粉、蛋白质和油为食。乙醛酸循环绕过克雷布斯循环中碳作为二氧化碳损失的步骤，因此它应该保存可用于增长的碳。“他们已经有了途径，并且已经在使用它，”Jinkerson说。但随着植物的生长，它会关闭。

他指出，人类有一个类似的基因开关，允许婴儿处理乳糖，牛奶中的糖，但随后在许多成年人中关闭，导致他们变得乳糖不耐症。在人类进化的过程中，这个开关对许多人来说又被打开了，允许他们喝牛奶。“现在，我们正试图在植物中做同样的事情，”他说。

初步结果是有希望的。首先，Jinkerson和他的同事设计了拟南芥，这是一种通常用于遗传研究的芥菜植物，以发现一种称为乙酰辅酶A合成酶（ACS）的酶的基因，该酶会化学改变他们消耗的乙酸盐。这一变化使植物在高浓度喂食醋酸盐时能够正常生长，否则会阻碍生长。他们现在还在提高另外两个基因的活性 - 异柠檬酸裂解酶（ICL）和苹果酸合酶（MLS） - 使发芽植物能够绕过克雷布斯循环并通过乙醛酸途径代谢乙酸盐。如果可行，加州大学河滨分校的团队将测试工程植物是否可以在黑暗中茁壮成长。

Rhee说，总体策略是一个很好的策略，并指出改良的拟南芥对醋酸盐的耐受性增加是一个充满希望的迹象。但她指出，植物依靠光来触发许多其他过程，包括启动触发开花和成熟的信号级联，这可能使得哄骗它们在黑暗中完全生长变得极其困难。加州大学戴维斯分校的植物生物化学家J. Clark Lagarias对此表示同意，并指出了其他挑战。这些风险包括真菌和藻类可能侵入生长培养基并在植物食用之前吞噬所有乙酸盐的风险。仅这种担忧就可能让NASA无法忍受，加州大学伯克利分校的生物工程师亚当·阿金（Adam Arkin）说，他也致力于为深空任务的宇航员提供食物。“我们在太空中非常非常厌恶风险，”阿金说。

然而，醋酸酯并不是深色植物的唯一潜在食物来源。糖是另一个有吸引力的选择，如果它们可以以某种方式在太空中供应。植物已经通过光合作用制造糖，并在整个组织中循环，以便在克雷布斯循环中代谢。使植物适应使用人工提供的糖可能不需要对乙酸盐所需的植物代谢进行广泛的重新路由。

如今，垂直农业用于某些特色作物，但所需的照明使其成为一个能源密集型过程。

在Jinkerson加入加州大学河滨分校后不久，他看到了一个国际研究小组的一篇论文，显示棉花植物在喂食糖水时在黑暗中生长，并想知道粮食作物是否可以做同样的事情。他与加州大学河滨分校植物转化研究中心负责人Martha Orozco-Cárdenas合作进行调查。他们从生菜的组织培养物开始，并表明这些植物在喂食蔗糖时可以在黑暗中生长。初步结果显示只有适度的增长，但味道很好。“它尝起来就像生菜一样，很脆，”金克森说。该团队还在生菜中添加了制造维生素B12的基因，并表明黑暗饲养的植物会产生维生素 - 这是太空的优势，提供这种典型的动物来源维生素将是一个挑战。

该团队还试图用糖水种植樱桃番茄，试验他们转基因的矮小植物，几乎没有叶子或茎，以便他们将大部分能量用于制作水果。它们被称为太空探索小植物，或太空西红柿，现在计划在国际空间站上进行测试，以了解微重力如何影响它们的生长以及它们是否可以生产可以重新种植的种子。如果是这样，他们可能会为宇航员提供一种生产新鲜西红柿的有效方法，同时最大限度地减少不可食用的植物浪费。

拉加里亚斯认为，糖饲的矮西红柿可能会在黑暗中茁壮成长，特别是如果植物在特定时间被给予光照。他说，他的团队和其他人以前的研究表明，“植物可以在黑暗中经历一个完整的生命周期。但是它们长得不好。“要使它真正有效，你需要光来打开开发中的某些方面。

Jinkerson的团队正在努力梳理触发信号和其他关键过程所需的光的数量和时间。“可能只在特定时候给它们发光很重要，”Jinkerson说。他指出，只有少量的光 - 比植物生长通常需要的光少1000倍 - 可能足以触发关键的发育步骤。

这种在罗伯特·金克森实验室种植的番茄植物经过精心设计，可以将其大部分能量用于制造水果，而不是不可食用的茎叶。

即使是那些昏暗的闪烁也可能不是必需的。在 2021年10 月的《植物直接》杂志上，Lagarias 和他的同事报告说，他们在水稻植物中发现的一种特殊突变改变了一种称为光敏色素 B 的光敏蛋白，使其能够在没有光照的情况下触发生长和发育。“植物在黑暗中生长，就像在光明中一样，”他说。

将成吨的糖作为植物性食物拖入太空可能没有多大意义，但在电解槽中合成糖的最新进展可能使这变得没有必要。与醋酸盐相比，糖的分子结构更复杂，使其更难合成。但在2022 年10月的《焦耳》杂志上，由加州大学伯克利分校化学家杨培东领导的研究人员报告说，使用电解槽转化二氧化碳和水到称为乙醇醛和甲醛的化合物。然后金属催化剂使分子反应并形成糖，包括葡萄糖。在 2022 年 5月的《自然催化》杂志上，由中国电子科技大学的郑婷婷领导的研究人员报告说，他们设计了酵母，以高产量将电解槽生产的乙酸盐转化为葡萄糖。虽然这两种方法都无法与焦的醋酸酯电解槽的产量相提并论，但它们带来了希望，即未来的宇航员可能能够将他们的呼吸回收成植物性食物，并最终转化为新鲜蔬菜。

在微重力下茁壮成长的能力将是对未来任何太空作物的重要考验。图中一株百日菊植物漂浮在国际空间站，作为2016年实验的一部分。

在地球上，光是自由而丰富的，所以在大多数农业中不需要金克森的新陈代谢魔法。但对于一些高价蔬菜来说，这可能是有道理的。黑暗饲养将允许种植者将糖转化为具有更高价值的产品，目前在商品市场上每公斤的成本仅为45美分。它还可以使这些作物在世界任何地方全年种植，而不必担心干旱，风暴，深度冻结和长途运输。

“它使我们能够重新想象农业可以是什么，”Jinkerson说。它还可以节省垂直农业的成本，这种方法已经用于为餐馆和其他高端消费者生产昂贵的水果和蔬菜（想想手工蔬菜）。在当今的垂直农场中，植物在室内从地板到天花板堆叠的架子上种植，并用一组高效LED灯照亮。但是，为这些灯供电所需的电力，以及其他能源需求，意味着垂直农场的平均能耗是普通温室的七倍。增加的成本限制了垂直农业的范围。“我们的方法将消除灯光，并在黑暗中生长成堆的植物，”Jinkerson说。

“现在还为时尚早，”瓦赫宁根大学的植物生物学家卢卡斯·范德齐（Lucas van der Zee）说，他也一直试图在黑暗中种植植物，但到目前为止还没有成功。“自农业开始以来，粮食生产一直依赖于太阳，”他说。“但是，如果你能找到一种方法将增长与光分开，那将是巨大的，并改变世界各地的粮食生产。也许也超越了我们的世界。