北 京 基 爾 比 生物科技公司主營產(chǎn)品：

Kilby 全自動3D細胞培養(yǎng)儀，

Kilby Gravity 微/超重力三維細胞培養(yǎng)系統(tǒng)，

Kilby Bio類器官芯片搖擺灌注儀，

Kirkstall Quasi Vivo 類器官串聯(lián)芯片3D培養(yǎng)儀

請聯(lián)系我們，了解更多產(chǎn)品詳情！

一、微重力環(huán)境的定義與特征

微重力環(huán)境指物體所受加速度小于10?3g的失重狀態(tài)，主要存在于太空軌道飛行器中或北京基爾比生物研制生產(chǎn)的微重力模擬系統(tǒng)。其核心特征包括：

1. 物理特性：無浮力、無沉降、無自然對流、無靜水壓，導致流體動力學行為改變，影響植物體內(nèi)水分/養(yǎng)分運輸。

Meas. Sci. Technol. 16 (2005) 317–326

2.生物效應：直接干擾植物機械應力感知系統(tǒng)，間接改變氣體交換（如局部乙烯積累）和細胞微環(huán)境。

二、生理層面的影響機制

（1）形態(tài)發(fā)育重塑

• 根系結(jié)構(gòu)：主根失去向地性，呈波浪狀隨機生長；側(cè)根密度增加，主根頂端優(yōu)勢減弱。

• 莖葉發(fā)育：短期微重力促進莖加速生長（因能量向地上部分轉(zhuǎn)移），但長期暴露導致矮化、葉片提前衰老。

• 細胞水平：細胞膨壓驅(qū)動生長失控，細胞壁剛性下降，細胞體積異常增大。

（2）代謝與能量調(diào)控

• 光合作用：光合效率（Fv/Fm）下降10-15%，但淀粉向可溶性糖轉(zhuǎn)化加速。

• 氧化應激：短期暴露誘發(fā)活性氧（ROS）爆發(fā)，長期適應需重構(gòu)抗氧化系統(tǒng)。

• 激素失衡：生長素（IAA）極性運輸紊亂，根部IAA含量顯著降低；脫落酸（ABA）信號異常。

（3）細胞分裂與周期

• 根尖分生組織細胞分裂速度下降，染色體畸變率升高（燕麥/向日葵出現(xiàn)斷裂、橋接）。

• 細胞周期進程改變：G1期延長，S期延遲，導致增殖減緩（蠶豆實驗）。

三、遺傳與表觀遺傳調(diào)控機制

（1）基因表達重編程

• 脅迫響應基因：鈣調(diào)蛋白（CaM）、脯氨酸富集蛋白基因短期上調(diào)。

• 細胞骨架相關(guān)基因：α/β-微管蛋白（TUA2, TUB3）表達紊亂，影響細胞極性。

• 自噬通路激活：AtATG8b/f等自噬基因上調(diào)，清除受損細胞器。

• 光信號整合：紅光激活可恢復CK2A（細胞周期）、FIB（核糖體合成）等基因表達。

（2）表觀遺傳記憶

• 全局DNA甲基化：CHG/CHH/CpG位點甲基化水平降低，轉(zhuǎn)座子（TEs）去抑制導致基因組不穩(wěn)定性。

• 跨代表觀遺傳：擬南芥F2代仍保留根長增加等表型，與TGA1/TGA4基因持續(xù)高甲基化相關(guān)。

四、物種特異性適應策略

植物種類適應性特征來源擬南芥?zhèn)雀錾a償主根功能；紅光可修復分生組織活性玉米根部生長素顯著減少，側(cè)根發(fā)生加速水稻（Koshihikari）OsEGL1上調(diào)→細胞壁β-葡聚糖減少，柔韌性增強浮萍（Wolffia）相對生長速率（RGR）在微重力下僅降0.33/天，形態(tài)可塑性高豆科植物Phaseolus lunatus 微重力耐受性優(yōu)于 Phaseolus vulgaris

五、植物在微重力環(huán)境下的生理變化研究

植物在微重力環(huán)境下的生理變化研究顯示，微重力作為主要的非生物性壓力，對植物的生長、發(fā)育和代謝過程產(chǎn)生顯著影響。在短時間（幾秒到幾小時）的微重力暴露下，植物細胞通常表現(xiàn)出非生物性壓力反應，如鈣離子、脂質(zhì)和pH信號的迅速增強，以及反應性氧物種（ROS）和自由基的產(chǎn)生增加。而在長期（幾天到幾個月）的微重力暴露下，植物通過改變代謝和氧化應激反應，以及增強其他向性反應來適應這種壓力。

在微重力環(huán)境下，植物的根系和莖部的生長方向變得不固定，根系的生長方向隨機，且主根對側(cè)根的主導作用減弱，側(cè)根生長加快。此外，微重力還會影響植物的生長速度，某些植物在微重力條件下的生長速度比在1g重力下快，而另一些則較慢。這些變化可能與生長素的分布和運輸有關(guān)，因為生長素在微重力下的分布更加均勻，導致沒有明顯的生長方向。

在細胞水平上，微重力導致淀粉粒分散，細胞增殖增強，細胞壁變薄變軟。此外，微重力還會影響植物的代謝活動，如光合作用效率和生物活性化合物的產(chǎn)生。在分子水平上，微重力改變了植物的基因表達模式，涉及多個信號通路，包括細胞壁、應激反應、活性氧和表觀遺傳調(diào)控。

微重力環(huán)境下的植物表現(xiàn)出一系列生理和形態(tài)上的變化，這些變化可能與重力感知機制的改變、細胞壁結(jié)構(gòu)的變化以及基因表達的調(diào)控有關(guān)。未來的研究需要進一步探索植物在微重力環(huán)境下的適應機制，以支持深空探索中的空間農(nóng)業(yè)和生命支持系統(tǒng)。

六、微重力對植物基因表達的影響機制

1. 基因表達的上調(diào)與下調(diào)：在微重力條件下，植物的某些基因表達會發(fā)生顯著變化。例如，在胡蘿卜幼苗中，鈣調(diào)蛋白（CaM）mRNA的表達在短時間內(nèi)增加，隨后逐漸恢復，5天后再次下降。在人參愈傷組織細胞中，脯氨酸富裕蛋白基因的表達在6小時后增加，并在12和18小時后達到。這些變化表明微重力可以誘導植物基因表達的動態(tài)調(diào)整。

2. 自噬與微管蛋白基因的表達：微重力會誘導植物自噬的發(fā)生，并影響微管蛋白基因的表達。研究表明，微重力條件下，α-和β-微管蛋白基因的表達發(fā)生變化，這可能與自噬過程的調(diào)節(jié)有關(guān)。此外，自噬相關(guān)基因（如AtATG8b、AtATG8f）的表達在微重力暴露下顯著上調(diào)。

3. 激素信號通路的改變：微重力會影響植物激素（如生長素）的運輸和分布，從而影響相關(guān)基因的表達。例如，在國際空間站（ISS）實驗中，紅光光激活能夠恢復在模擬微重力和黑暗條件下受損的分生組織功能。此外，微重力還會影響與生長素極性運輸和感知相關(guān)的基因（如EIR和TIR）的表達。

4. 細胞壁和細胞骨架相關(guān)基因的表達：微重力會改變植物細胞壁的結(jié)構(gòu)和細胞骨架的組織，進而影響相關(guān)基因的表達。例如，微重力條件下，細胞壁修飾基因和細胞骨架蛋白基因的表達發(fā)生變化。

5. 基因甲基化和表觀遺傳調(diào)控：微重力還可能通過影響基因甲基化水平來調(diào)控基因表達。例如，在擬南芥中，微重力環(huán)境下生長的幼苗帶回地球后，參與硝酸鹽信號傳導的基因TGA4和TGA1的甲基化水平升高，導致其表達量顯著增加。

6. 長期適應性反應：在長期微重力暴露下，植物會表現(xiàn)出適應性反應。例如，在實驗的前6-9天，植物主要表現(xiàn)為應激反應，而在12天后，植物開始表現(xiàn)出適應性反應，如自噬囊泡的減少和微管組織的恢復。

微重力對植物基因表達的影響是多方面的，涉及基因表達的動態(tài)變化、自噬過程的調(diào)節(jié)、激素信號通路的改變、細胞壁和細胞骨架相關(guān)基因的表達、基因甲基化和表觀遺傳調(diào)控以及長期適應性反應。這些機制共同作用，使植物能夠在微重力環(huán)境下進行生長和發(fā)育。

六、微重力環(huán)境下植物表觀遺傳學變化

在微重力環(huán)境下，植物的表觀遺傳學變化主要體現(xiàn)在DNA甲基化水平的改變上。研究表明，擬南芥在微重力條件下表現(xiàn)出較低的CHG、CHH和CpG位點的甲基化水平，這種變化與多個基因的甲基化改變有關(guān)，包括DNA甲基化相關(guān)基因、激素信號相關(guān)基因、細胞壁修飾基因和轉(zhuǎn)座子（TEs）。此外，微重力還誘導了轉(zhuǎn)座子的活躍化，這可能進一步影響基因表達和植物的適應性。

這些表觀遺傳變化不僅影響了植物的基因表達，還可能通過改變細胞壁的結(jié)構(gòu)和細胞分裂的調(diào)控，影響植物的生長和發(fā)育。例如，微重力導致細胞壁變薄、細胞增殖增強和細胞壁變軟，這些變化可能與DNA甲基化水平的改變密切相關(guān)。此外，微重力還可能通過影響細胞內(nèi)的鈣信號和光信號通路，進一步調(diào)節(jié)植物的生長和發(fā)育。

微重力環(huán)境下的表觀遺傳變化為植物在太空中的適應性提供了重要的機制基礎，也為未來太空農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了理論支持。

七、不同植物種類在微重力中的適應性差異

不同植物種類在微重力環(huán)境中的適應性存在顯著差異。例如，研究發(fā)現(xiàn)，Phaseolus lunatus、Vigna unguiculata 和 Sorghum bicolor var. Sure?o 在微重力條件下表現(xiàn)出較好的生長適應性，而 Phaseolus vulgaris var. Criolla 和 Amadeus 77 品種則顯示出一定的潛力，但需要進一步研究 。此外，Brachypodium distachyon 的不同來源幼苗在微重力環(huán)境下也表現(xiàn)出不同的生長和轉(zhuǎn)錄組響應，其中 Gaz8 的差異表達基因最多，表明其對微重力的適應策略可能更為復雜 。

在微重力條件下，植物的生長方向和形態(tài)發(fā)生受到顯著影響。例如，Wolffia globosa 在不同重力條件下表現(xiàn)出輕微的生長和形態(tài)變化，其相對生長速率（RGR）在模擬微重力和部分重力下低于其他重力水平，但其在 0.33 a day 的 RGR 仍保持較高水平，表明其具有一定的適應性 。此外，Tubulin 突變體植物在微重力環(huán)境下表現(xiàn)出更好的生長適應性，其莖葉更加茂盛，葉片數(shù)量增多，整體形態(tài)更加緊湊 。

微重力對植物的影響還涉及分子水平的調(diào)控。研究表明，微重力誘導的自噬與 α- 和 β- 微管蛋白基因的表達增加有關(guān)，并且一氧化氮（NO）在其中發(fā)揮著重要作用 。此外，微重力條件下，植物的生長素分布和運輸機制發(fā)生變化，導致根部生長方向的不對稱性，這可能影響植物的整體發(fā)育 。

不同植物種類在微重力環(huán)境中的適應性差異主要體現(xiàn)在生長速度、形態(tài)變化、分子響應和生理機制等方面。這些差異不僅反映了植物對微重力環(huán)境的適應能力，也為未來太空農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了重要的研究基礎。