Les astronautes de la Station spatiale internationale passent plus de temps loin de la Terre, mais ils ont toujours besoin de leur portion quotidienne de légumes. Dans la quête d'un moyen viable pour l'équipage de faire pousser ses propres légumes en orbite – et peut-être un jour sur la Lune ou sur Mars – des étudiants chercheurs envoient des graines de brocoli enrobées d'une bonne dose de probiotiques dans l'espace.

Six graines de brocoli se trouvaient à bord du vaisseau spatial Orbital ATK Cygnus qui a été lancé cette semaine depuis l'île de Wallops, Virginie, dans le cadre d'une mission de ravitaillement en cargaison de la station spatiale. Trois des graines voyagent dans l'espace telles quelles, tandis que les trois autres étaient recouverts de deux espèces différentes de bactéries, développé à l'Université de Washington, qui peuvent vivre à l'intérieur des plantes cultivées et améliorer leur croissance. Ces microbes "bénéfiques", aussi appelés endophytes, peut également aider les plantes à mieux pousser dans des environnements à gravité extrêmement faible, et où les nutriments ou l'eau pourraient manquer.

Le but de l'expérience, menée par des élèves de la Valley Christian High School de San José, Californie, est d'apprendre à cultiver des légumes dans le défi, conditions de microgravité de la station spatiale - et éventuellement sur la Lune et Mars - à mesure que l'exploration spatiale humaine se développe. Développé par une équipe de 11 étudiants, les premières expériences au sol se sont avérées fructueuses, car le brocoli poussait plus vite et était significativement plus gros que l'étude témoin.

"Ce serait idéal si nous pouvions faire pousser des cultures pour les astronautes de la station spatiale ou qui sont basés sur la Lune ou sur Mars sans avoir besoin d'expédier du terreau ou de l'engrais, " dit Sharon Doty, un professeur de l'UW à l'École des sciences de l'environnement et des forêts et un microbiologiste végétal qui a isolé et caractérisé les microbes utilisés dans cette expérience. "Nous aimerions pouvoir faire pousser des plantes dans ce qui est disponible avec un minimum d'intrants."

Les étudiants participent au programme "Quest for Space" du Quest Institute for Quality Education et sont encadrés par David Bubenheim de la branche des sciences biosphériques du NASA-Ames Research Center et John Freeman d'Intrinsyx Technologies. L'expérience a été préparée dans un laboratoire de vol situé au NASA-Ames Research Center en Californie.

Freeman a testé de nombreuses plantes à bord de la Station spatiale internationale, et a également utilisé ces mêmes microbes pour améliorer la croissance des plantes cultivées telles que les tomates, salade, soja, blé, maïs et brocoli. Freeman a découvert que les plantes prospèrent, même lorsqu'on leur donne moins d'eau et de nutriments essentiels comme l'azote et le phosphore.

Son travail confirme également une étude de 2016 dans laquelle Doty et ses co-auteurs ont découvert que les plantes peuvent mieux tolérer la sécheresse et d'autres facteurs de stress environnementaux avec l'aide de microbes naturels qui fournissent des nutriments à leurs partenaires végétaux.

Ces endophytes et brocolis spécifiques ont été choisis pour l'expérience de vol spatial car ils ont bien fonctionné ensemble dans des tests en serre dans des conditions de croissance similaires à celles de Mars, où l'azote et le phosphore sont limités, dit Freeman.

Alors qu'un certain nombre d'expériences de culture de légumes ont été menées à bord de la Station spatiale internationale, c'est le premier qui étudie les microbes naturels pour éventuellement aider les plantes à pousser sous des limitations nutritionnelles et en microgravité, il a dit.

"Dans l'espace, les plantes sont très stressées et ne poussent pas ou ne se reproduisent pas bien, " expliqua Freeman. " Nous voulons que les plantes poussent mieux. Nous essayons le brocoli parce qu'il est considéré comme une source alimentaire anti-cancérigène qui est un bon candidat diététique pour les explorateurs de l'espace lointain."

Les microbes sont d'abord encapsulés à l'intérieur d'un enrobage qui recouvre les graines de brocoli, qui protège les graines de la déshydratation et permet un stockage à sec en toute sécurité avant que les graines ne soient hydratées et cultivées en orbite. Lorsque les graines de brocoli enrobées d'endophytes atteignent la station spatiale, ils seront hydratés dans une petite chambre de croissance des plantes qui fournit une lumière constante pour favoriser la photosynthèse. Les caméras prendront des images des semis à intervalles réguliers, qui aidera les chercheurs du secondaire et leurs mentors à suivre la croissance globale des semis.

Après le retour des plantes de l'espace, les élèves mesureront leur croissance et leur teneur en chlorophylle et compareront les brocolis inoculés à ceux qui ont été cultivés sans microbes.

Séparément, Doty et son équipe recevront des échantillons de plantes pour étudier dans quelle mesure les deux espèces de microbes ont colonisé le brocoli dans l'espace, et s'ils étaient aussi efficaces que lorsqu'ils étaient cultivés sur Terre.

"Nous voulons savoir si les microbes trouvent encore leur chemin à l'intérieur de la plante même en microgravité, et si l'un des signaux d'installation requis est terrestre, " a déclaré Doty. "Nous devons tester s'ils fonctionnent toujours de la manière à laquelle nous nous attendons lorsqu'ils poussent dans un environnement différent comme la microgravité."

Doty et son équipe UW ont isolé les microbes utilisés dans cette expérience il y a plus de dix ans à partir de saules sauvages poussant sur des terres pauvres en nutriments parmi les rochers et le sable le long de la rivière Snoqualmie. Les plantes avaient déjà sélectionné les meilleurs microbes pour les aider à pousser dans des conditions difficiles, les chercheurs ont donc puisé dans ces souches microbiennes clés et les ont utilisées pour aider à cultiver des plantes, les herbes et les arbres poussent dans des environnements difficiles.

Ces microbes peuvent profiter aux plantes de toutes sortes, en les aidant à convertir l'azote de l'air en nutriments essentiels pour la plante et à réduire le besoin d'engrais de synthèse, dans le cas de plantes cultivées comme le brocoli.

Dans des projets séparés, Doty et son labo, avec Bubenheim et Freeman, commencent à tester si les plantes ayant reçu des microbes naturels de saule et de peuplier peuvent pousser dans des conditions qui existent sur la Lune et sur Mars. Ils utilisent un simulant de régolithe - un matériau rocheux broyé sans matière organique - qui imite les conditions extraterrestres dans les deux endroits pour voir si les microbes peuvent aider les plantes à pousser dans des conditions autrement difficiles. Le travail fait également partie du programme d'astrobiologie de l'UW, qui était le premier programme universitaire de ce genre lorsqu'il a été lancé il y a 20 ans.

"C'est la première étape de ce que j'espère devenir un programme de recherche à très long terme pour développer l'habitation sur Mars et sur la Lune d'une manière très efficace en utilisant la symbiose naturelle au lieu d'essayer d'apporter des engrais chimiques à ces environnements, " dit Doty.