Research press release

宇宙生物学:月での植物栽培に向けた小さな一歩

Communications Biology

Space Biology: One small step towards plants on the Moon

月で植物を育てる計画の実行可能性を調べるためにシロイヌナズナを栽培する実験が行われ、アポロ計画のミッションで採取された月の土壌試料で栽培したものの方が、地球上で採取された火山灰で栽培したものよりも成長が遅く、ストレスの兆候が多く見られることが示された。この知見について報告する論文が、Communications Biology に掲載される。今回の知見は、月の土壌で植物を効率的に育てるためには、植物と月の土壌の相互作用についてさらに研究を進める必要のあることを強調している。

今回、Robert Ferlたちは、アポロ11号、12号、17号の月探査ミッションで採取された12点の土壌試料を使って、ユーラシアやアフリカが原産の被子植物であるシロイヌナズナ(Arabidopsis thaliana)を栽培し、月の土壌で植物の生存が維持されるかを検証した。これらの土壌試料は、それぞれのミッションで、異なる土壌層から採取されたもので、アポロ11号の試料は、アポロ12号やアポロ17号の試料よりも長い期間にわたって月の表面に曝露されていた。Ferlたちは、これらのシロイズナズナを、月の土壌と粒径や鉱物組成が類似している地球の火山灰の試料16点を使って栽培したシロイヌナズナと比較して、成長と遺伝子発現に違いがあるかを調べた。

その結果、実生のシロイヌナズナは全ての土壌条件で成長したが、月の土壌で栽培したシロイヌナズナは、火山灰で栽培したシロイヌナズナより成長が遅く、葉が伸びるまでに時間がかかり、根が発育不良になることが多いことが分かった。月の土壌で栽培したシロイヌナズナの中には、火山灰で栽培したシロイヌナズナと形と色が似たものと、発育不良で鉄色(赤みがかった黒色)の色素を含むものがあった。後者の特徴は、一般的に植物のストレスを示している。成長が遅く、色が濃いシロイヌナズナ3点の遺伝的解析から、1000以上の遺伝子(そのほとんどがストレスに関連した遺伝子)の発現量が、火山灰で栽培したシロイヌナズナと異なっていることが判明した。また、アポロ11号の試料で栽培したシロイヌナズナは、アポロ12号や17号の試料で栽培したものほど成長しなかった。火山灰試料で栽培したものと発現量の異なる遺伝子の数についても、アポロ11号の試料で栽培したシロイヌナズナの方が多く、それぞれ465遺伝子(アポロ11号の試料)、265遺伝子(アポロ12号の試料)、113遺伝子(アポロ17号の試料)だった。これらの遺伝子の71%は、塩、金属、活性酸素含有分子によって引き起こされるストレスと関連していた。

今回の知見は、月の土壌(特に月の表面に曝露されていた期間の長い土壌)は植物の栽培に使用できるが、火山灰ほど植物の生育を維持しないことを示している。Ferlたちは、月の土壌が宇宙線や太陽風によって損傷したことに加え、土壌中に小さな鉄粒子が含まれていることが、植物にストレス応答を引き起こし、その成長を損なっているのかもしれないと推測している。

Experiments to investigate the viability of growing plants on the Moon have unearthed that thale cress plants grow more slowly and show more signs of stress when grown in lunar soil samples collected during the Apollo missions than in volcanic ash from Earth. The findings, published in Communications Biology, highlight the need for further research into the interactions between plants and lunar soil in order for plants to be efficiently grown in lunar soil on the Moon, according to the authors.

Robert Ferl and colleagues tested whether lunar soil could support plant life by growing the thale cress (Arabidopsis thaliana) – a small flowering plant native to Eurasia and Africa - in 12 soil samples collected during the Apollo 11, 12, and 17 lunar missions. As samples were collected from different soil layers during each mission, the Apollo 11 samples had been exposed to the lunar surface for longer than the Apollo 12 and Apollo 17 samples. The researchers examined whether growth and gene expression differed between these plants and thale cress plants grown in 16 samples of volcanic ash from Earth, which had a similar particle size and mineral composition to lunar soil.

The researchers found that, while seedlings could grow in all soil conditions, plants in lunar soil grew more slowly, took longer to develop expanded leaves, and had more stunted roots than those grown in volcanic ash. While some plants grown in lunar soil had a similar shape and colour to those grown in volcanic ash, others were stunted and contained reddish black pigments – characteristics that typically indicate plant stress. Genetic analysis of three smaller, darker plants revealed that they expressed over 1,000 genes, mostly stress-related, at different levels to those grown in ash. Additionally, the researchers found that plants grown in Apollo 11 samples did not grow as well as those grown in Apollo 12 and 17 samples and expressed a greater number of genes at different levels to those grown in volcanic ash. Plants grown in Apollo 11, 12 and 17 samples expressed 465, 265 and 113 genes at different levels, respectively. 71% of these genes were associated with stress caused by salts, metals and reactive oxygen-containing molecules.

The findings indicate that while lunar soil can be used to grow plants, it does not support plant growth as well as volcanic ash – particularly if it has been more exposed to the Moon’s surface. The researchers speculate that cosmic ray and solar wind damage of lunar soil, as well as the presence of small iron particles in the soil, could induce stress responses in plants and impair their development.

doi: 10.1038/s42003-022-03334-8

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