Lunarer Ackerbau
Wie gut wachsen Pflanzen auf Mondregolith?
Könnten Pflanzen auf dem Mond gedeihen? Experimente auf Mondregolith geben erste Hinweise. (Bildquelle: © Peter Dargatz / Pixabay)
Eine künftige Mondbasis soll ihre Bewohner möglichst autonom mit Nahrung versorgen können. Ideal wäre es, wenn Nutzpflanzen auf dem Substrat gedeihen könnten, das der Mond bietet: Mondregolith. Eine Studie zeigt nun, dass Pflanzenwachstum darin nur mit Einschränkungen möglich ist.
Es war ein großer Sprung für die Menschheit, als Apollo 11 im Juli 1969 auf dem Mond landete. Es war aber nicht nur der Tag, an dem der erste Mensch einen Fuß auf den Erdtrabanten setzte. Es war auch das erste Mal, dass eine Probe vom Mondgestein gesammelt und zurück zur Erde gebracht wurde.
Jetzt haben zwei Pflanzenforscher und eine Pflanzenforscherin diese und weitere Proben von Apollo 12 und 17 genutzt, um zu untersuchen, ob Mondregolith als Nährboden für pflanzliches Wachstum geeignet ist. Denn wenn einmal menschliche Basen dauerhaft auf dem Mond unterhalten werden sollen, wäre ein Anbau auf „Mondsubstrat“ einfacher umzusetzen als hydroponische Systeme.
Anna-Lisa Paul versucht hier, die Mondböden mit einer Pipette zu befeuchten. Das Team fanden heraus, dass die Böden Wasser abwiesen, was dazu führte, dass das Wasser an der Oberfläche abperlte. Aktives Rühren der Bodenproben mit Wasser war erforderlich, um den Boden gleichmäßig zu benetzen.
Bildquelle: © UF/IFAS photo by Tyler Jones
Erfolgreiche Keimung
In kleine Lochplatten hat das Forschungsteam dazu Mondbodenproben gefüllt und darauf die Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana ausgesät, oberflächlich bewässert und unter Wachstumsleuchten in einer Wachstumskammer platziert. Es wurden so Umweltbedingungen geschaffen, wie sie in einem Mondhabitat herrschen könnten.
Und tatsächlich: Innerhalb von 48 bis 60 Stunden keimten alle Samen und bildeten zunächst normale Sprossachsen und Keimblätter. Doch dann zeigten sich Auffälligkeiten im Vergleich zu Pflanzen, die als Kontrolle auf den aus irdischem Material aufgebauten synthetischen Mondboden JSC-1A gesät worden waren.
Die Wurzeln waren verkrüppelt und auch das oberirdische Wachstum verlangsamte sich ab Tag 8. Bis auf wenige Ausnahmen waren die Pflanzen letztlich langsamer darin, entfaltete Blätter zu bilden und besaßen geringere Rosettendurchmesser. Einige Pflanzen waren zudem stark verkrüppelt und pigmentiert – typische Indikatoren für Stress.
Hunderte abweichend aktive Gene
Untersuchungen der Transkriptome von 20 Tage alten Pflanzen bestätigten diesen Eindruck. Je nach Standort, von dem die Mondprobe ursprünglich stammte, waren durchschnittlich zwischen 113 und 465 Gene unterschiedlich aktiv im Vergleich zur Kontrolle auf JSC-1A. 71 Prozent dieser Gene sind bekanntermaßen mit Stress durch Salz, Metalle oder reaktive Sauerstoffspezies assoziiert. 29 Prozent aller Gene, die unabhängig vom Probenstandort abweichend exprimiert wurden, stehen in Zusammenhang mit dem Nährstoffmetabolismus. Weiterhin fand das Forschungsteam abweichende Aktivitäten für Gene im Zusammenhang mit Phosphatmangel, Abwehr, Aluminiumvergiftung und dem Jasmonsäure-Signalweg.
Robert Ferl (links) und Anna-Lisa Paul betrachten die Platten, die teils mit Monderde und teils mit Kontrollerden gefüllt sind, unter LED-Zuchtlampen. Ob die Samen im Mondboden überhaupt keimen würden, wussten sie hier noch nicht.
Bildquelle: © UF/IFAS photo by Tyler Jones
Noch klarer wurde das Bild, als die Forscher ihre Auswertung nicht nach Probenherkunft, sondern nach der Morphologie der Pflanzen gruppierten. Selbst die Pflanzen mit dem kräftigsten Wachstum und normalsten Erscheinungsbild zeigten im Transkriptom Spuren starker Stressreaktionen. Im Schnitt waren hier 150 Gene abweichend aktiv, während Pflanzen mit stark beeinträchtigtem Phänotyp auf mehr als 1 000 abweichend regulierte Gene kamen.
Potenziale und Herausforderungen
Die Studie hat somit gezeigt, dass pflanzliches Wachstum prinzipiell auch auf Mondregolith möglich ist. Der von kosmischer Strahlung und Sonnenwind geprägte stark ionische Boden mit Eisenoxid-Ablagerungen und ungewöhnlichen Körnergrößen und -formen stellt für Pflanzen aber offenbar eine stressige Umwelt dar.
Je stärker der Regolith bereits gealtert ist (es enthält dann mehr nanophasiges Eisen und kleinere Körner), desto ungünstiger erwies er sich als Wachstumsgrundlage. Optimistisch stimmt hingegen die Beobachtung, dass Pflanzen, denen es erst einmal gelungen ist, erfolgreich zu wurzeln, besser mit den „lunaren“ Bedingungen zurechtgekommen sind. Wenn es nun noch gelingt zu bestimmen, welche Gene in diesen Pflanzen stressbedingt unterschiedlich reguliert werden, könnten Forscher:innen die Hauptprobleme der Pflanzen erkennen – und dann mittels Züchtung Mond-optimierte Pflanzen erzeugen.
Eines hat diese Studie auch gezeigt: Nirgendwo gedeihen irdische Pflanzen so gut wie auf der Erde, an die die Evolution sie über Jahrmillionen angepasst hat.
Quelle:
Paul, A.-L., Elardo, S.M. & Ferl, R. (2022): Plants grown in Apollo lunar regolith present stress-associated transcriptomes that inform prospects for lunar exploration. In: Communications Biology, (12. Mai 2022), doi: 10.1038/s42003-022-03334-8.
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Titelbild: Könnten Pflanzen auf dem Mond gedeihen? Experimente auf Mondregolith geben erste Hinweise. (Bildquelle: © Peter Dargatz / Pixabay)
