A codel for clinostat-induced functional microgravity on Arabidopsis Thaliana seedlings

The increased space access capability leads to the need for mankind to withstand longer and longer periods in orbit: efficient and reliable Environmental Control and Life Support Systems (ECLSS) have been studied for many years. Being able to recycle wastes and produce fresh food and oxygen plants play a central role in such projects; the study of their growth, development and adaptability to space conditions is an important requirement. Due to the costs and limited handiness of the experiments in space, different ways to reproduce the effects of spaceflight on ground were developed. Clinorotation appears to be one of the most successful ones for plants, combining the relatively simple hardware with the possibility of performing long-lasting experiments. Despite the wide use of clinostats, the documented bibliographical review points out their inhomogeneous and unmotivated operational settings -mainly rotation velocity and subject positioning. It is therefore highlighted the importance of adopting the so-called `Bonn criteria' to standardize nomenclatures and references in clinostats use, to produce comparable and unambiguous results. On the basis of available physical and mathematical descriptions of plants behaviour under clinorotation, this work presents a model aimed at suggesting the best suited range of clinorotation velocities, according to the experiment's duration and dimension. A campaign of experiments has been investigated, adopting two of the most used rotational velocities (1 rpm and 60 rpm) and the outcomes were studied to verify the reliability of the model's predictions. The results, obtained through different techniques (optical investigation of Lugol staining for wild types, optical fluorescence for DR5::GUS mutants and confocal laser fluorescence for DII Venus mutants seedlings), together with the available knowledge of Arabidopsis thaliana root meristem structure, allowed the reconstruction of the biological effects involved, which have been graphically summarized. The importance of the results lies mainly in the development of an easy access tool, able to indicate the most suited clinostat velocity levels, based on the experiment's specific needs, not just following the application of previously adopted settings. Acceptance of this work leads as a consequence to the review of previous experiments, in particular those that don't comply with reasonably acceptable clinorotation velocities. The results of this work will be presented at the 69th International Astronautical Congress in Bremen, during symposium A1.

L'accresciuta capacità di accesso dell'umanità all'ambiente spaziale porta come conseguenza per l'equipaggio dover sostenere lunghi periodi in orbita: da anni si studiano per questo sistemi di supporto vitale a ciclo chiuso (indicati dalla sigla inglese ECLSS) sempre più efficenti e performanti. Per la loro capacità di riciclare scarti e di produzione d'ossigeno e cibo fresco, le piante occupano una posizione di primaria importanza in questi progetti; lo studio del loro sviluppo e adattamento all'ambiente spaziale è un importante requisito. A causa degli alti costi e della scarsa maneggevolezza nell'effettuare esperimenti in ambiente spaziale, sono state sviluppate diverse tecniche per riprodurre gli effetti di questo sulla terra. La clinorotazione sembra quella di maggior successo per le piante, in quanto unisce macchine relativamente semplici e la possibilità di effettuare lunghi esperimenti. Nonostante l'ampio uso dei clinostati, la ricerca bibliografica documentata mostra la disomogeneità e mancanza di riferimenti per quanto riguarda i parametri del loro utilizzo -principalmente velocità di rotazione e posizione dell'esperimento. Viene così evidenziata l'importanza di quello che è chiamato `criterio di Bonn' per standardizzare la semantica ed i riferimenti nell'uso dei clinostati per ottenere risultati confrontabili senza ambiguità. Basandosi su descrizioni fisiche e matematiche del comportamento delle piante soggette a clinorotazione, questo lavoro presenta un modello finalizzato all'individuazione di un intervallo di velocità di rotazione ottimale, secondo la durata e dimensionde dell'esperimento pianificato. È stata quindi effettuata una campagna sperimentale utilizzando le due velocità di rotazione più comuni (1 rpm e 60 rpm), i cui risultati sono stati elaborati per verificare l'affidabilità delle previsioni del modello. Attraverso diverse tecniche di ricerca (miscoscopia ottica per i germogli di tipo wild type sottoposti a tinta Lugol, fluorescenza ottica per quelli di DR5::GUS e microscopia laser confocale per i germogli di mutanti DII Venus), unite all'ampia conoscenza delle radici di Arabidopsis thaliana, viene presentata la ricostruzione degli effetti biologici coinvolti, quindi riassunti graficamente in forma efficace. L'importanza dei risultati ottenuti risiede principlamente nello sviluppo di uno strumento di rapido accesso, capace di indicare i livelli di velocità di clinorotazione più adatti, basandosi sulle esigenze specifiche dell'esperimento, non mantenendo semplicemente le impostazioni precedenti. L'accettazione di questo lavoro porta come conseguenza la revisione degli esperimenti precedenti, in particolare quelli non ragionevolmente conformi a velocità di clinorotazione consigliate. I risultati di questo lavoro saranno presentati al 69th International Astronautical Congress a Brema, 1-5 ottobre 2018.