علوم، فناوری و کاربردهای فضایی

علوم، فناوری و کاربردهای فضایی

مروری بر تاثیر کاهش فشار اتمسفری بر کشت گیاهان در فضا: بررسی پاسخ‌های فیزیولوژیکی و مکانیسم‌های سازشی

نوع مقاله : مقاله مروری

نویسنده
دانشیار، پژوهشگاه هوافضا، وزارت علوم، تحقیقات و فناوری، تهران، ایران
چکیده
گیاهان از اجزای اصلی سیستم پشتیبان حیات قابل بازیابی، در سفرهای طولانی مدت فضایی به مریخ هستند. برای کشت گیاه در شرایط محیطی مریخ، نیاز به درک نحوه سازگاری به شرایط کاهش فشار اتمسفری است. فشار اتمسفری مریخ بسیار پائین و در حدود 2/0 تا 9/0 کیلوپاسکال و در سطح زمین خیلی بالاتر وابسته به ارتفاع از سطح دریا (101 کیلوپاسکال در سطح دریا) است. بنابراین مواد ساختاری سازه و همچنین گیاهان کشت شده درون آن بایستی بتوانند شرایط کاهش فشار اتمسفری را تحمل نمایند. تسهیلات و امکانات رشد گیاه در فشار پائین اتمسفری بایستی برای سفرهای طولانی مدت فضایی توسعه یابند. تاکنون مطالعات انجام شده روی کشت گیاه در شرایط کاهش فشار اتمسفری محدود به چند آزمایش بوده که قابلیت رشد و زنده مانی گیاه را بررسی کرده است. برای درک نحوه سازش گیاه به کاهش فشار نیاز به بررسی پاسخ‌های فیزیولوژیکی از طریق مسیرهای سیگنالینگ و مکانیسم‌های تحمل تنش اکسیداتیو است. در مطالعه حاضر، تاثیر کاهش فشار اتمسفری بر طراحی گلخانه‌های فضایی، کاربرد آن در کاهش جرم فضاپیما در سفرهای طولانی مدت، تغییرات فیزیولوژیکی گیاه، مسیرهای ایجاد آسیب اکسیداتیو و مکانیسم‌های مولکولی تحمل تنش کاهش فشار اتمسفری بررسی خواهد شد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

[1] R. J. Ferl, A. C. Schuerger, A. L. Paul, W. B. Gurley, K. Corey, and R. Bucklin, “Plant adaptation to low atmospheric pressures: potential molecular responses,” Life Support & Biosphere Science, vol. 8, no. 2, pp. 93-101, 2002.
[2] J. M. Clawson, “Development of an inflatable greenhouse for a modular crop production system,” NASA Technical Memorandum, vol. 208577, pp. 77-89, 2000.
[3] V. Maiwald et al., “From ice to space: a greenhouse design for Moon or Mars based on a prototype deployed in Antarctica,” CEAS Space Journal, vol. 13, pp.17-37, 2021.
[4] R. Spanarkel and M. C. Drew, “Germination and growth of lettuce (Lactuca sativa) at low atmospheric pressure,” Physiologia Plantarum, vol. 116, no. 4, pp. 468-77, 2002.
[5] S. Lembo, G. Niedrist, B. E. l. Omari, P. Illmer, N. Praeg, and A. Meul, “Dainese M. Short-term impact of low air pressure on plants’ functional traits,” PloS one, vol. 20, no. 1, pp. e0317590, 2025.
[6] Y. Tang, S. Guo, W. Dong, L. Qin, W. Ai, and S. Lin, “Effects of long-term low atmospheric pressure on gas exchange and growth of lettuce,” Advances in Space Research, vol. 46, no. 6, pp. 751-60, 2010.
[7] L. M. Cycil, E. M. Hausrath, D. W. Ming, C. T. Adcock, J. Raymond, D. Remias, and W. P. Ruemmele, “Investigating the growth of algae under low atmospheric pressures for potential food and oxygen production on Mars,” Frontiers in Microbiology, vol. 12, pp. 733244, 2021.
[8] H. Hassanpour, “Effect of low atmospheric pressure on the growth and antioxidant defense response of Dunaliella salina,” Journal of Space Science and Technology, vol. 1, pp. 56-64, 2024.
[9] G. W. Stutte et al., “Effect of reduced atmospheric pressure on growth and quality of two lettuce cultivars,” Life Sciences in Space Research, vol. 34, pp. 37-44, 2022.
[10] S. Guo, Y. Tang, F. Gao, W. Ai, and L. Qin, ”Effects of low pressure and hypoxia on growth and development of wheat,” Acta Astronautica, vol. 63(7-10), pp. 1081-5, 2008.
[11] M. Stasiak, C. A. Wehkamp, J. Lawson, N. Yorio, G. Stutte, J. Richards, R. Wheeler, and M. Dixon, “Radish (Raphanus sativa L. cv. Cherry Bomb II) growth, net carbon exchange rate, and transpiration at decreased atmospheric pressure and/or oxygen,” Gravitational and Space Research, vol. 26, no. 1, 2012.
[12] D. Francioli, G. Cid, S. Kanukollu, A. Ulrich, M. R. Hajirezaei, and S. Kolb, “Flooding causes dramatic compositional shifts and depletion of putative beneficial bacteria on the spring wheat microbiota,” Front Microbiol, vol. 12. pp. 773116, 2021.
[13] A. Bakshi and S. Gilroy, “Calcium signaling in hypoxic response,” Plant Physiology, vol. 197, no. 1, pp. kiae654, 2025.
[14] X. Yang, M. Lu, Y. Wang, Y. Wang, Z. Liu, and S. Chen, “Response mechanism of plants to drought stress,” Horticulturae, vol. 7, no. 3, pp. 50, 2021.
[15] A. G. Vij, R. Dutta, and N. K. Satija, “Acclimatization to oxidative stress at high altitude,” High altitude medicine & biology, vol. 6, no. 4, pp. 301-10, 2005.
[16] R.B. Hamanaka and N.S. Chandel, “Mitochondrial reactive oxygen species regulate hypoxic signaling,” Current opinion in cell biology, vol. 21, no. 6, pp. 894-9, 2009.
[17] N. S. Chandel, D. S. McClintock, C. E. Feliciano, T. M. Wood, J. A. Melendez, A. M. Rodriguez, P. T. Schumacker, “Reactive oxygen species generated at mitochondrial complex III stabilize hypoxia-inducible factor-1α during hypoxia: a mechanism of O2 sensing,” Journal of Biological Chemistry, vol. 275, no. 33, pp. 25130-8, 2000.
[18] C. Pucciariello and P. Perata, “The oxidative paradox in low oxygen stress in plants”, Antioxidants, vol. 10, no. 2, pp. 332, 2021.
[19] Y. Pan, K. D. Mansfield, C. C. Bertozzi, V. Rudenko, D. A. Chan, A. J. Giaccia, and M. C. Simon, “Multiple factors affecting cellular redox status and energy metabolism modulate hypoxia-inducible factor prolyl hydroxylase activity in vivo and in vitro,” Molecular and cellular biology, vol. 27, no. 3, pp. 912-25, 2007.
[20] D. C. Fuhrmann, I. Wittig, and B. Brüne, “TMEM126B deficiency reduces mitochondrial SDH oxidation by LPS, attenuating HIF-1α stabilization and IL-1β expression,” Redox Biology, vol. 20, pp. 204-16, 2019.
[21] L. D. Lukyanova, A. M. Dudchenko, T. A. Tsybina, E. L. Germanova, E. N. Tkachuk, and I. V. Erenburg. “Effect of intermittent normobaric hypoxia on kinetic properties of mitochondrial enzymes,” Bulletin of experimental biology and medicine, vol. 144, no. 6, pp.795-801, 2007.
[22] C. G. Bartoli, F. Gomez, D. E. Martinez, and J. J. Guiamet, “Mitochondria are the main target for oxidative damage in leaves of wheat (Triticum aestivum L.),” Journal of Experimental Botany, vol. 403, pp. 1663-9, 2024.
[23] Z. M. Pei et al., “Calcium channels activated by hydrogen peroxide mediate abscisic acid signaling in guard cells,” Nature, vol. 406, pp. 731-4, 2000.
[24] R. A. Volkov, I. I. Panchuk, P. M. Mullineaux, and F. Schöffl, “Heat stress-induced H2O2 is required for effective expression of heat shock genes in Arabidopsis,” Plant Molecular Biology, vol. 61, pp. 733-746, 2006.
[25] M. Gassmann and M. U. Muckenthaler, “Adaptation of iron requirement to hypoxic conditions at high altitude,” Journal of applied physiology, vol. 119, no. 12, pp. 1432-40, 2015.
[26] R. T. Mallet, J. Burtscher, V. Pialoux, Q. Pasha, Y. Ahmad, G. P. Millet, and M. Burtscher. Molecular mechanisms of high-altitude acclimatization. International journal of molecular sciences, vol. 24, no. 2, pp.1698, 2023.
[27] N. Chanana, T. Palmo, J. H. Newman, and M. Q. Pasha, “Vascular homeostasis at high-altitude: role of genetic variants and transcription factors.” Pulmonary Circulation, vol. 10, no. 4, 2020.

  • تاریخ دریافت 18 اسفند 1403
  • تاریخ بازنگری 26 فروردین 1404
  • تاریخ پذیرش 22 تیر 1404