Se han realizado numerosos experimentos sobre el crecimiento de las plantas en el espacio. Es importante para los científicos en el terreno porque puede ayudarnos a comprender mejor cómo funcionan las plantas, lo que nos puede ayudar a cultivar alimentos de manera más eficaz. También es importante para la NASA, porque cuando finalmente comenzamos a enviar astronautas lejos de la órbita terrestre baja, es posible que necesiten cultivar sus propios alimentos y mantener su propia atmósfera regenerable.
La gravedad no es la única diferencia entre el entorno de la Tierra y el entorno de la EEI. En la atmósfera cerrada de una nave espacial, se pueden acumular compuestos orgánicos volátiles (COV). Los COV deben ser eliminados del aire o la producción de semillas sufrirá. Hay niveles elevados de radiación que pueden causar mutaciones y afectar el crecimiento. Un experimento en Mir, que implicó almacenar semillas de tomate en el espacio durante seis años, encontró tasas de mutación hasta 20 veces más altas en las semillas espaciales que en las semillas de control almacenadas en el suelo. Y existen los efectos espectrales de usar solo iluminación eléctrica.
Debido a que las plantas también respiran, tenemos que tener ventiladores para hacer circular el aire alrededor de las plantas para que no se asfixien en sus propias exhalaciones. Incluso los experimentos fallidos pueden proporcionarnos una mejor comprensión. Un experimento para estudiar la lignina vegetal no pudo producir materiales vegetales saludables, pero nos enseñó más sobre cómo proporcionar un movimiento de aire efectivo.
En ausencia de peso, hay poca circulación de agua y aire a través de los medios de enraizamiento. Una complicación que hemos descubierto es que en microgravedad, el agua se distribuye uniformemente por todo el suelo. En realidad, esto puede evitar que el aire llegue a las raíces. Es por eso que ‘Veggie’ usa mechas, para que el agua solo se distribuya a las áreas seleccionadas. También es la razón por la cual se han realizado muchos estudios para seleccionar los mejores suelos. Los suelos de grano fino retienen demasiada agua y los suelos gruesos retienen demasiado aire.
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El tropismo es una respuesta de crecimiento entre una planta y un estímulo externo. Existen numerosas formas de tropismo y comprender cada una de ellas afecta en gran medida nuestra capacidad para cultivar plantas sanas. Una de las cosas interesantes de experimentar en la EEI es que podemos estudiar cada forma de tropismo de forma aislada. En la Tierra, la gravedad tiende a abrumar a las otras influencias.
El gravitropismo es cuando el estímulo externo es la gravedad. Las plantas tienen una hormona llamada auxina. En un entorno de gravedad, si una planta está orientada hacia un lado, la auxina se acumulará en el tallo y estimulará la expansión celular que hará que el tallo se doble hacia arriba para que el tallo crezca hacia la luz (el sol). Del mismo modo, la auxina previene el alargamiento celular en las raíces y eso alienta a las raíces a crecer hacia abajo.
Cuando las plantas crecen, lo hacen de una manera oscilatoria o helicoidal llamada circunferenciación. Podemos ver esto fácilmente en vides que crecen alrededor de un objeto. Se realizó un experimento interesante a bordo de la ISS para estudiar esto en ausencia y presencia de gravedad en el entorno espacial. Las plantas de Arabidopsis se cultivaron a partir de semillas en el espacio y se observaron tanto en el entorno normal de microgravedad como en una centrífuga que simuló 0,8 g. Mientras estaban por debajo de los 0.8 g, las plantas experimentaron amplitudes de circunferencia 5-10 veces más altas que en microgravedad. Dentro de la endodermis del planeta hay células gravisensores. A mayor escala, esto puede significar que las vides no pueden enredarse en el espacio.
Algo interesante aprendido al estudiar el crecimiento del pepino en el espacio involucra una estructura llamada clavija que se desarrolla inmediatamente después de la germinación, entre la raíz y el tallo. Esta clavija se ha observado durante mucho tiempo y los científicos estaban interesados en ver si dependía de la gravedad. Lo que aprendieron fue que cada semilla está estructurada para crecer dos clavijas, una en cada lado, pero en presencia de gravedad, solo se desarrolla una clavija, mientras que ambas se activan en microgravedad.
Los estudios indican que la percepción de la gravedad de una planta está relacionada con la presencia de almidón en los orgánulos dentro de la estructura celular de las raíces. Las raíces con almidón parecen ser más sensibles a la gravedad que las raíces a las que les falta el almidón.
El hidrotropismo es cuando el estímulo externo es el agua. Las plantas de pepino dependen particularmente de la gravedad para iniciar el crecimiento. Un experimento llamado Hyrop Tropi se realizó en el laboratorio japonés a bordo de la ISS, en 2010. El experimento fue diseñado para investigar dos objetivos principales; uno era ver si las raíces de las plántulas de pepino se doblaban hacia el agua cuando crecían en microgravedad, y el otro era identificar genes regulados por Auxina. Este fue un buen ejemplo de un experimento que necesitaba microgravedad. Sería difícil estudiar el papel del agua en la Tierra, porque no podemos eliminar fácilmente los efectos de la gravedad, pero en el espacio podríamos asegurarnos de que el agua fuera el único estímulo. Aquí hay un breve resumen de los resultados, del investigador principal:
Los resultados mostraron que las raíces se doblaron hidrotrópicamente hacia la espuma de plástico humedecida en condiciones de microgravedad, mientras que crecieron en línea recta en la dirección de la fuerza gravitacional en condiciones de 1G. La respuesta hidrotrópica en microgravedad pareció ser mayor en la cámara de NaCl en comparación con la de la cámara de H2O, pero no difirieron estadísticamente. Además, el gen CsIAA1 se expresa diferencialmente en las raíces de flexión hidrotrópica; la expresión era mucho mayor en el lado cóncavo que en el lado convexo. Por otro lado, no se detectó expresión asimétrica de CsIAA1 en las raíces cultivadas en condiciones 1G. Estos resultados revelaron que las raíces se vuelven muy sensibles a los gradientes de humedad en la microgravedad y que la redistribución de la auxina y la respuesta diferencial de la auxina tienen lugar durante la respuesta hidrotrópica. Además, los resultados implican que la respuesta hidrotrópica puede usarse como un medio de regulación del crecimiento de la raíz para la producción de plantas en el espacio. (Hidrotropismo y expresión de genes inducibles por auxina en raíces cultivadas en condiciones de microgravedad)
El fototropismo es cuando el estímulo externo es la luz. En algunas de las imágenes del espacio notará que la iluminación es rojo-azul en el hábitat de la planta. Luz rojo-azul que se ha considerado más eficaz para la fotosíntesis.
Otros tropismos que pueden estudiarse son el quimiotropismo (productos químicos), el tigmotropismo (tacto) y el electrotropismo (campos eléctricos).
En abril, un vehículo de carga SpaceX entregó una cámara de crecimiento de la planta que los investigadores de la carga útil llaman ‘ Veggie ‘. Los astronautas lo usarán para cultivar alimentos. ‘Veggie’ utiliza pequeñas bolsas de tierra con mechas insertadas para proporcionar agua. Aquí hay un video que explica el experimento:
Un área que aún no conocemos es cuánto influirá el entorno de los vuelos espaciales en la producción de metabolitos. Los metabolitos afectan el sabor y la calidad nutricional. El plan es devolver los primeros cultivos ‘Veggie’ a la Tierra para estudiar los metabolitos.
Aquí hay otro video sobre experimentos con plantas a bordo de ISS: