Исследователи из Университета Делавэра изучают, почему растения, выращенные в космосе, более склонны к заражению сальмонеллой по сравнению с растениями, не выращенными в космосе или выращенными в условиях гравитационного моделирования. Фото: Эван Крэйп / Университет штата Делавэр.
Салат и другие листовые зеленые овощи являются частью здорового и сбалансированного рациона даже для космонавтов, выполняющих миссию.
Прошло более трех лет с тех пор, как Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства включило выращенный в космосе салат в меню астронавтов на борту Международной космической станции. Помимо основных продуктов космической диеты, состоящих из мучных лепешек и порошкообразного кофе, астронавты могут жевать салат, выращенный в контрольных камерах на борту МКС, которые обеспечивают идеальную температуру, количество воды и света, необходимые растениям для созревания.
Но есть проблема. На Международной космической станции обитает множество болезнетворных бактерий и грибков. Многие из этих болезнетворных микробов на МКС очень агрессивны и могут легко колонизировать ткани салата и других растений. Когда люди едят салат, зараженный кишечной палочкой или сальмонеллой, они могут заболеть.
Поскольку НАСА и частные компании, такие как SpaceX, ежегодно вкладывают миллиарды долларов в освоение космоса, некоторые исследователи обеспокоены тем, что вспышка болезней пищевого происхождения на борту Международной космической станции может сорвать миссию.
В новом исследовании, опубликованном в журналах Scientific Reports и npj Microgravity, исследователи из Университета Делавэра выращивали салат в условиях, имитирующих невесомость на борту Международной космической станции. Растения — мастера чувствовать гравитацию, и для ее обнаружения они используют корни. Растения, выращенные в UD, подвергались воздействию моделируемой микрогравитации путем вращения. Исследователи обнаружили, что растения в условиях искусственной микрогравитации на самом деле были более склонны к инфекциям, вызванным человеческим патогеном, сальмонеллой.
Устьица, крошечные поры в листьях и стеблях, которые растения используют для дыхания, обычно закрываются, чтобы защитить растение, когда оно чувствует стрессор, например бактерии, поблизости, говорит Ной Тотслайн, выпускник факультета растениеводства и почвоведения Университетского университета. Когда исследователи добавили бактерии в салат в условиях микрогравитации, они обнаружили, что листовая зелень широко открывает устьица, а не закрывает их.
«Тот факт, что они оставались открытыми, когда мы подвергали их, казалось бы, стрессу, был действительно неожиданным», — сказал Тотслайн.
Тотслайн, ведущий автор обеих статей, работал с профессором биологии растений Харшем Бэйсом, а также профессором микробной безопасности пищевых продуктов Кали Книл и Чандраном Сабанаягамом из Делавэрского биотехнологического института. Исследовательская группа использовала устройство под названием клиностат, чтобы вращать растения со скоростью цыпленка-гриль на вращателе.
«По сути, завод не будет знать, где вверх, а где вниз», — сказал Тотслайн. «Мы как бы запутали их реакцию на гравитацию».
По словам Тотслайна, это не была настоящая микрогравитация, но она помогла растениям потерять чувство направленности. В конечном итоге исследователи обнаружили, что, похоже, сальмонелла может легче проникать в ткани листьев в условиях смоделированной микрогравитации, чем в типичных условиях на Земле.
Кроме того, Байс и другие исследователи UD продемонстрировали использование бактерий-помощников под названием B. subtilis UD1022 для стимулирования роста растений и их адаптации к патогенам или другим стрессовым факторам, таким как засуха.
Они добавили UD1022 к моделированию микрогравитации, которая на Земле может защитить растения от сальмонеллы, думая, что это может помочь растениям бороться с сальмонеллой в условиях микрогравитации.
Вместо этого они обнаружили, что бактерия на самом деле не смогла защитить растения в космических условиях, что может быть связано с неспособностью бактерий вызвать биохимическую реакцию, которая заставила бы растение закрыть устьица.
«Неспособность UD1022 закрыть устьица в условиях искусственной микрогравитации одновременно удивительна и интересна и открывает еще одну банку с червями», — сказал Байс. «Я подозреваю, что способность UD1022 блокировать закрытие устьиц при моделировании микрогравитации может привести к поражению растения и сделать растение и UD1022 неспособными взаимодействовать друг с другом, что поможет сальмонелле проникнуть в растение».
Пищевые патогены на борту Международной космической станции
Микробы повсюду. Эти микробы находятся на нас, на животных, в пище, которую мы едим, и в окружающей среде. Поэтому, естественно, профессор кафедры микробной безопасности пищевых продуктов Университетского университета Кали Нил сказала, что где бы ни находились люди, существует вероятность сосуществования бактериальных патогенов.
По данным НАСА, на Международной космической станции одновременно живут и работают около семи человек.
Это не самая тесная среда — размером с дом с шестью спальнями, — но это все равно место, где микробы могут сеять хаос.
«Нам необходимо быть готовыми к снижению рисков в космосе для тех, кто сейчас живет на Международной космической станции, и для тех, кто может жить там в будущем», — сказал Книл. «Важно лучше понять, как бактериальные патогены реагируют на микрогравитацию, чтобы разработать соответствующие стратегии смягчения последствий».
Книл и Байс имеют долгую историю объединения своих предметных областей, таких как микробная безопасность пищевых продуктов и биология растений, для изучения патогенов человека на растениях.
«Чтобы наилучшим образом разработать способы снижения рисков, связанных с загрязнением листовой зелени и других сельскохозяйственных товаров, нам необходимо лучше понять взаимодействие между человеческими патогенами и растениями, выращенными в космосе», — сказал Книл. «И лучший способ сделать это — использовать междисциплинарный подход».
Растущее население Земли и большая потребность в безопасной пище в космосе
Возможно, пройдет некоторое время, прежде чем люди смогут жить на Луне или Марсе, но исследования UD имеют большое потенциальное влияние на совместное проживание в космическом пространстве.
Согласно докладу ООН, на Земле может проживать 9,7 миллиарда человек в 2050 году и 10,4 миллиарда человек в 2100 году.
Вдобавок ко всему, Байс, профессор биологии растений Университетского университета, сказал, что меры по обеспечению безопасности пищевых продуктов и продовольственной безопасности уже находятся на пике во всем мире. Поскольку со временем сельскохозяйственные земли теряются для выращивания продуктов питания, «люди скоро серьезно задумаются об альтернативных местах проживания», сказал он. «Это уже не фантастика».
И, по-видимому, чаще всего Центры по контролю и профилактике заболеваний или Управление по контролю за продуктами и лекарствами США отзывают определенные виды салата на Земле, призывая людей не есть их из-за риска заражения кишечной палочкой или сальмонеллой.
Поскольку листовая зелень является предпочтительной пищей для многих астронавтов и ее легко выращивать в закрытых помещениях, например, в гидропонной среде на Международной космической станции, Бэйс сказал, что важно убедиться, что эта зелень всегда безопасна для употребления в пищу.
«Вы не хотите, чтобы вся миссия провалилась только из-за угрозы безопасности пищевых продуктов», — сказал Байс.
Решения: стерилизованные семена и улучшенная генетика
Итак, если растения в условиях микрогравитации открывают свои устьица шире и позволяют бактериям легко проникать внутрь, что можно сделать?
Оказывается, ответ не так прост.
«Начать со стерилизованных семян — это способ снизить риск попадания микробов на растения», — сказал Книл. «Но тогда микробы могут оказаться в космической среде и таким образом попасть на растения».
Байс сказал, что ученым, возможно, придется изменить генетику растений, чтобы они не могли более широко раскрывать устьица в космосе. Его лаборатория уже берет различные сорта салата с разной генетикой и оценивает их в условиях искусственной микрогравитации.
«Если, например, мы найдем один сорт, который закрывает устьица, по сравнению с другим, который мы уже тестировали, который открывает устьица, тогда мы сможем попытаться сравнить генетику этих двух разных сортов», — сказал Байс. «Это вызовет у нас много вопросов относительно того, что меняется».
Любые ответы, которые они найдут, могут помочь предотвратить будущие проблемы с салатом из рукколы (рукколы).
Информация от: Университетом Делавэра
