Ideálna rastlina na pestovanie vo vesmíre by poskytla čo najviac živín z čo najmenšieho počtu vstupov. Tu diskutujeme o tom, ako by bolo možné biotechnológiu použiť na výrobu kultivaru zemiakov vhodného pre ľudí vo vesmíre.
Ak má ľudstvo niekedy vykonávať dlhodobé vesmírne misie a kolonizáciu, zriadenie účinného systému vesmírneho poľnohospodárstva by bolo nevyhnutné pre prežitie človeka vo vesmíre. Existujúce plodiny však nie sú dostatočne nákladovo efektívne a produktívne na použitie vo vesmírnych farmách. Preto navrhujeme stratégiu jedlých a elitných rastlín pre celé telo (WBEEP) na zlepšenie vesmírnych plodín. Stratégia WBEEP, ktorá sa opiera o rastlinnú biotechnológiu, sa zameriava na rozvoj plodín s jedlejšími časťami, bohatším obsahom živín, vyššími výnosmi a vyššou účinnosťou využívania minerálnych živín pre vesmírne farmy.
Zemiak (Solanum tuberosum L.) je považovaný za jedného z najlepších uchádzačov o vesmírne poľnohospodárstvo vďaka nasledujúcim výhodám: (1) vysoký index zberu a výnos hľúz a hľuzy bohaté na uhľohydráty, ktoré môžu ľuďom poskytnúť veľké množstvo energie; (2) jednoduché záhradnícke a potravinárske požiadavky; a (3) vysoká tolerancia voči stresom so schopnosťou normálneho vývoja počas vesmírnych letov. Dôležité je, že zemiaky je možné nepohlavne rozmnožovať prostredníctvom hľúz a sexuálne rozmnožovať prostredníctvom semien. Asexuálna reprodukcia môže zabezpečiť regeneráciu potravinových zdrojov a stabilnú výživovú hodnotu, zatiaľ čo sexuálna reprodukcia môže zaručiť vyšší koeficient šírenia a nižšie náklady na skladovanie a dopravu. Zemiaky však nemožno efektívne kultivovať vo vesmíre, pokiaľ nie sú prekonané inherentné defekty súvisiace s vysokým obsahom solanínu, nízkym výnosom a akumuláciou živín a nízkou účinnosťou používania hnojív. Nasleduje opis stratégie WBEEP na zlepšenie zemiakov, ktorá by mohla vytvoriť zemiaky WBEEP pre vesmírne poľnohospodárstvo (obr. 1).
Vývoj celotelovej jedlej rastliny pre zemiaky WBEEP
Rastliny, ktorých celé telá sú jedlé, by boli žiaduce pre vesmírne farmy, pretože môžu ľuďom prinášať viac jedla a znižovať množstvo odpadu. Zemiakové stonky, listy a bobule sú však nejedlé. Nadzemné časti rastlín zemiakov obsahujú nahromadený solanín (predovšetkým α-solanín a α-chaconín), ktorý chráni pred škodcami a patogénmi, ale je pre človeka toxický. V kozmických poľnohospodárskych systémoch s vysoko kontrolovaným prostredím by odolnosť rastlín sprostredkovaná solanínom nebola potrebná. Ak by sa solanín odstránil, celá rastlina zemiakov by sa potenciálne mohla stať jedlou. Na zablokovanie akumulácie solanínu v rastlinách zemiakov je možné zacieliť na biosyntézu. Napríklad umlčanie alebo mutovanie génov kódujúcich enzým cytochrómu P450 GAME4, dioxygenázovú DPS alebo transkripčný faktor AP2/ERF GAME9 výrazne znížil obsah solanínu. Paradajky môžu tiež produkovať toxický solanín (predovšetkým α-tomatín), ale môžu konvertovať solanín na nehorký a netoxický glykozid esculeosid A v ovocí6. Pretože metabolizmus solanínu zahŕňa niekoľko spoločných enzymatických reakcií medzi zemiakmi a paradajkami, bolo by možné zaviesť gény metabolizmu solanínu z paradajok do zemiakov, aby sa znížila akumulácia solanínu.
Biofortifikácia s prospešnými živinami pre WBEEP-zemiaky
Fytonutrienty (napr. Flavonoidy a antokyany) a vitamíny majú pre ľudské zdravie veľký význam. Telo vo vesmíre sa stáva krehkejším a potrebuje viac živín. Niekoľko mikroživín v balených potravinách sa však pravdepodobne rozpadne pri skladovacích podmienkach vo vesmíre, čo posádkam sťažuje získavanie stabilných živín8. Preto je žiaduce, aby ľudia získavali výživu priamo z čerstvých poľnohospodárskych produktov. Vzhľadom na nedostatočný obsah bielkovín, fytonutrientov, vitamínov a ďalších základných živín v zemiakových hľuzách by bolo potrebné zemiaky biologicky fortifikovať, aby plne zodpovedali výživovým potrebám ľudského tela. Rastliny je možné zlepšiť tak, aby syntetizovali vitamíny a funkčné sekundárne metabolity úpravou endogénnych metabolických ciest vrátane (1) zvýšenia dodávky prekurzora; (2) nadmerná expresia, premiestnenie alebo mutácia zúžených enzýmov; (3) umlčanie nežiaducich dráh; (4) blokovanie konkurenčných ciest; (5) rozšírenie metabolického toku na zníženie inhibície spätnej väzby; a (6) regulácia transkripčných faktorov. Aplikáciou vyššie uvedených stratégií boli vyvinuté zemiaky bohaté na rôzne vitamíny, bielkoviny, flavonoidy, antokyány a ďalšie živiny. Okrem toho je možné odrody zemiakov obsahujúce kantaxantín, astaxantín alebo polynenasýtené mastné kyseliny s veľmi dlhým reťazcom (VLC-PUFA) vyvinúť rekonštrukciou biosyntetických dráh.
Zlepšenie výťažku zemiakov WBEEP
Hľuzy sú primárnymi jedlými časťami rastlín zemiakov. Tuberizácia zemiakov je komplexný biologický proces. Medzi kľúčové regulátory patrí fotoreceptorový fytochróm B (PHYB), transkripčný faktor StCO, mobilné signály (StBEL5 a POTH1 mRNA, proteín StSP6A a miR172) a transportéry sacharózy StSUT4 a StSP5G. Nadmerná expresia StSP6A, STPOTH1, StBEL5a StmiR172 alebo inhibícia StPHYB, StCO, StSUT4a StSP5G je možné vykonať na zlepšenie tuberizácie11. Optimalizácia fotosyntézy je jedným z primárnych spôsobov zvýšenia úrody a zemiaková tuberilizácia si tiež vyžaduje veľké množstvo fotosyntetických produktov (najmä sacharózy) z nadzemných častí. Pokračuje úsilie o zvýšenie účinnosti fotosyntézy zlepšením karboxylačnej kapacity enzýmu Rubisco, zvýšením regeneračnej kapacity cyklu redukcie uhlíka, optimalizáciou reťazca transportu elektrónov a minimalizáciou okysličovania a fotorespirácie.12. Väčšina vyššie uvedených stratégií genetického inžinierstva na zlepšenie účinnosti fotosyntézy bola úspešne použitá v ryži alebo tabaku a dúfajme, že by sa dala použiť na zlepšenie výnosu zemiakov. Napríklad umelo skonštruovaný fotorespiračný bypass prostredníctvom expresie polyproteínu rekombinantnej glykolátdehydrogenázy môže významne zvýšiť fotosyntetickú účinnosť a výťažok hľúz znížením fotorespirácie a zlepšením CO2 príjem. Nedávno modulujúca rastlinná RNA m6Metylácia sa stala účinným spôsobom zlepšenia rastu rastlín a úrody. Transgénna expresia FTO ľudskej demetylázy RNA na zníženie m6Hladiny v zemiakoch viedli k ~ 50% zvýšeniu výnosu hľúz a leteckej biomasy.
Zvýšenie účinnosti využívania minerálnych živín pre zemiaky WBEEP
Rast a vývoj plodín vyžaduje mnoho minerálnych prvkov vrátane dusíka, fosforu a draslíka. Náklady na prepravu hnojív zo Zeme sú veľmi vysoké. Preto je potrebné zlepšiť účinnosť využívania živín v plodinách, aby sa znížila spotreba hnojív. Genetickú modifikáciu je možné vykonať na zvýšenie absorpcie, alokácie a metabolizmu živín rastlín alebo na optimalizáciu architektúry koreňov. Dusík je jedným z najdôležitejších prvkov, ktoré rastliny vyžadujú. Glutamátdehydrogenázy (GDH) z nižších organizmov vykazujú vyššiu afinitu k NH4+ a silnejšou schopnosťou asimilácie amoniaku. Heterologická expresia GDH, ktoré majú vyššiu afinitu k NH4+ než rastlinné GDH môžu zlepšiť účinnosť využívania dusíka v mnohých plodinách vrátane zemiakov a zaistiť, aby plodiny mohli dosahovať vysoké výnosy v podmienkach s nízkym obsahom dusíka. Fosfor je ďalším základným prvkom pre rast rastlín a fosfátové hnojivá môžu podporovať zvýšenie výnosu a kvality hľúz zemiakov. Expresia fosfitdehydrogenázy (ptxD) od Pseudomonas spp. umožňuje ryži a bavlne metabolizovať okrem fosfátu aj fosfit a jeho úloha v zemiakoch stojí za preskúmanie. Zemiaky potrebujú na rast a kvalitu viac draselných hnojív ako dusičnaté alebo fosfátové hnojivá. Heterológny prejav Arabidopsis K+ kanál AKT1 a jeho aktivátory CBL1, CBL9a CIPK23 môže zvýšiť účinnosť príjmu draslíka z pôdy v niekoľkých plodinách a nadmerne exprimovať K.+ transportér HAK5 môže zvýšiť účinnosť príjmu draslíka v mnohých plodinách za podmienok obmedzených draslíkom. V poslednej dobe sa genetická manipulácia architektúry koreňového systému stáva novou stratégiou na zvýšenie získavania živín a výnosu v hľuzových plodinách, ale gény, ktoré je možné využiť v zemiakoch, sa musia ťažiť.
Vyhliadky do budúcnosti pre WBEEPs
Vykonali sa experimenty s cieľom ukázať, ako rastliny rastú a vyvíjajú sa vo vesmíre, ale poľnohospodárstvo v čistom vesmíre je stále v plienkach. Na medzinárodnej vesmírnej stanici sa v súčasnosti na potraviny pestuje iba zelená listová zelenina, ako je šalát a horčica. Aby sme teda do vesmírnych fariem priniesli viac rastlín, navrhujeme prístup WBEEP na zlepšenie plodín. Komplexne aplikovaný WBEEP by mohol poskytnúť dostatočné a výživné jedlo pre ľudí vo vesmíre s minimálnou spotrebou hnojív. Keďže je odhalených viac mechanizmov biosyntézy anti-nutričných faktorov a vyvíjajú sa stratégie na zlepšenie výživy, výnosu a účinnosti použitia hnojív, prístup WBEEP by sa mohol implementovať na viacerých plodinách. Aj keď praktické pestovanie WBEEPs vo vesmíre pre potraviny nemusí byť v blízkej dobe dosiahnuteľné, navrhujeme, aby zváženie postupných pokrokov potrebných na dosiahnutie tohto cieľa mohlo byť prospešné nielen pre vesmírne poľnohospodárstvo, ale aj pre konvenčné poľnohospodárstvo.