重力是地球上所有生物体的常态。它影响着我们生理、行为和发展的每一个方面——无论你是谁，你都是在重力将我们牢牢固定在地面的环境中进化而来的。
但是，如果你离开了那个熟悉的环境，置身于一个超出你进化经验的情况，会发生什么呢？这正是我们每天在我们的实验室中种植的植物所面临的问题。它们始于我们这个地球实验室，但它们正前往外太空。还有什么比太空飞行的零重力条件更能为植物提供一个新奇的环境呢？
通过研究植物在太空中的反应，我们可以更深入地了解它们如何适应环境变化。植物不仅对地球上几乎所有生命方面至关重要；植物也将对我们探索宇宙至关重要。当我们展望未来可能的太空殖民时，在我们依赖太空前哨站的植物来回收我们的空气和水、补充我们的食物之前，了解它们在地球之外的生存状况至关重要。
因此，即使我们仍然留在地面上，我们的研究植物也会发射升空，前往国际空间站（ISS）。它们已经为我们在零重力生长方面带来了一些惊喜——并动摇了我们对植物如何在地球上生长的某些想法。
从“压力大”的植物身上学习
如果你对环境压力感兴趣，植物是非常好的研究对象。因为它们被固定在一个地方——我们生物学家称之为固着生物——植物必须巧妙地在原地处理它们的环境向它们抛出的任何东西。迁移到更有利的位置不是一种选择，它们也无法轻易改变周围的环境。
但是它们可以改变其内部的“环境”——植物擅长操纵新陈代谢以应对周围环境的扰动。这一特性是我们使用植物进行研究的原因之一；我们可以依靠它们成为环境变化的敏感报告者，即使是在太空飞行这样的新奇环境中。
从我们能够进入太空的最初阶段，人们就一直对植物如何响应太空飞行感到好奇。我们于1999年在“哥伦比亚”号航天飞机上进行了我们的第一次太空飞行实验，当时的发现至今仍在为我们如何处理植物应对重力缺失的新假设提供依据。
我们在佛罗里达，而我们的研究植物在太空
太空飞行需要专门的生长舱、专门的观测和样本采集工具，当然还有专门的人员在轨道上照料实验。
典型的实验从地球上的实验室开始，我们将休眠的拟南芥种子种植在装有营养凝胶的培养皿中。这种凝胶（与土壤不同）在零重力下能保持固定，并为生长的植物提供所需的水和养分。然后，培养皿被包裹在黑布里，送往肯尼迪航天中心，最终装载到猎鹰9号火箭顶部的龙飞船中，搭乘前往国际空间站的“顺风车”。
对接后，宇航员将培养皿放入植物生长硬件中。里面的光照刺激种子发芽，摄像头记录幼苗的生长情况，实验结束时，宇航员会收获12天的幼苗，并保存在防腐剂试管中。
一旦样本返回地球，我们就可以对保存的样本进行更多测试，以研究植物在轨道上参与的独特代谢过程。
在实验室中解开奥秘
我们发现的第一个重要结果是，一些曾经被认为需要重力才能实现的根系生长策略，实际上根本不需要重力。
为了寻找水和养分，植物需要它们的根向远离种植点的地方生长。在地球上，重力是生长方向最重要的“线索”，但植物也利用触觉（可以把根尖想象成一个灵敏的手指）来帮助它们绕过障碍物。
早在1880年，查尔斯·达尔文就发现，当你在倾斜的表面上种植植物时，根不会直直地从种子长出，而是会转向一侧。这种根系生长策略被称为“倾斜生长”。达尔文曾推测，重力和根系在表面上接触的结合是其背后的原因——130年来，其他所有人都这么认为。
但在2010年，我们发现我们在国际空间站种植的植物的根系在培养皿表面呈现出完美的根系倾斜生长范例——根本不需要重力。这颇令人意外。那么，在轨道上，根系倾斜生长真正的原因是什么呢？显然不是重力。
国际空间站上的植物确实有一个潜在的第二个信息来源，它们可以从中获得方向线索：光。我们推测，在缺乏重力指示根系“远离”叶片生长方向的情况下，光在根系引导中起着更大的作用。
我们发现，光确实很重要，但并非所有光都适用——必须有光强度的梯度才能充当有效的指南。这可以从好的气味来理解：当刚出炉的饼干散发出诱人的香味时，你可以闭着眼睛走向厨房，但如果整个房子都被曲奇的香味均匀地充满了，你就找不到路了。
即时调整其新陈代谢工具箱
在没有重力的情况下，植物无法使用它们习惯的“工具”来进行导航，因此它们必须自己创造另一种解决方案。它们可以通过调节基因表达方式来实现这一点。这样它们就可以根据零重力情况的需要，增加或减少特定蛋白质的生成。植物的不同部位采用了各自的基因调控策略。
我们发现，许多参与细胞壁的制造和重塑的基因在太空生长的植物中表达方式不同。其他与光感应相关的基因——通常在地球上的叶片中表达——在国际空间站的根部表达。在叶片中，许多与植物激素信号传导相关的基因受到抑制，而与昆虫防御相关的基因则更为活跃。这些相同的趋势也体现在参与信号传导、细胞壁代谢和防御的蛋白质相对丰度上。
这些基因和蛋白质的模式讲述了一个故事——在微重力下，植物通过软化细胞壁，以及创造新的感知环境的方式来做出反应。
我们通过用荧光标签标记特定蛋白质来实时追踪这些基因表达的变化。经过荧光蛋白工程改造的植物可以“报告”它们在发生时如何响应环境。这些工程改造的植物充当生物传感器——简称“生物传感器”。专门的相机和显微镜可以让我们追踪植物如何利用这些荧光蛋白。
来自太空的见解
这类研究让我们对植物在基本分子水平上如何感知和响应外部刺激有了新的认识。我们越能了解植物如何应对新奇和极端环境，就越能更好地理解植物如何应对它们在地球上所面临的不断变化的环境。
当然，我们的研究也将为我们集体将生物学推向地球之外的努力提供信息。重力对植物的重要性不如我们曾经认为的那样大的发现，对于在低重力行星甚至在零重力飞船上耕种的前景来说是个好消息。人类是探索者，当我们离开地球轨道时，你大可以确信我们会带上植物一起去！
Anna-Lisa Paul 是佛罗里达大学植物分子与细胞生物学研究生院的研究教授。
Robert Ferl 是佛罗里达大学生物技术研究跨学科中心的总监。
本文最初发布于The Conversation。阅读原文。
