微重力及模拟微重力对植物生长的影响

重力对地球上生物的生长、发育、代谢及繁殖等具有重要影响.植物细胞的重力敏感性已被众多研究所证明,在空间微重力环境或地面模拟微重力环境下,植物表现特殊的微重力反应.微重力或模拟微重力会对植物体生长产生一系列的影响.综述微重力及模拟微重力对植物生长的影响,并对近期这一领域的研究进行了概括.     

生命中不能承受之轻——微重力条件下生物昼夜节律的变化研究

生物钟是地球上绝大多数生物经过长期演化形成的一种内在机制,可以调控生物的生理、代谢和行为的节律,以适应地球因自转而产生的近24小时的昼夜周期。人类在空间探索过程中由于环境因素与地表环境的巨大差异,生理和健康面临很大的压力。在诸多环境因子中,重力变化对生物钟具有重要的影响。迄今人们已对人及多种生物在微重力环境中的变化规律进行了研究,但微重力调控生物钟的分子机制仍很不清楚。现将对此方面的研究概况和进展进行综述。     

植物细胞电融合技术在空间实验中的应用

细胞电融合是实用性很强的生物技术,然而在地面上由于重力沉降和热对流的影响,杂种细胞融合得率较低,使得这项技术在生产上的应用潜力难以发挥。大量的实验表明,空间微重力环境是实现细胞电融合的重要途径。今后有望利用空间微重力条件获得有价值的杂合细胞,培育作物新品种,为开展空间生物加工和空间制药提供良好基础。     

在地面进行微重力生物学实验模拟用的回转器

生物的生长、发育都处于重力作用之下。解除重力的作用,以研究重力对生物的效应,有助于阐明生命科学中的许多基本问题。到了空间时代,人们才可能使生物较长时间处于微重力条件之下进行此类研究。     

微重力条件下细胞培养和组织工程研究进展

随着空间生命科学研究的发展,人们将细胞、组织培养技术与微重力环境相结合产生了组织工程研究的一个新领域——微重力组织工程。模拟微重力条件下细胞培养和组织构建研究表明,微重力环境有利于细胞的三维生长,形成具有功能的组织样结构,培养后的三维组织无论从形态上还是基因表达上都更接近于正常的机体组织。这种微重力对细胞的作用效应,将可能为未来组织工程和再生医学研究提供一条新途径。该文概述了近十年来国内外微重力组织工程相关研究的最新进展。     

空间植物学研究现状及趋势

空间植物学研究是人类涉足太空,开发太空产业的关键学科之一,因为,植物在太空中生长、繁殖是人类永久进入太空的必须条件。空间物理环境与地面有很大差异,其主要特点是:长期微重力状态(10~_-3)—10~(-6)g),没有昼夜节律变化,含有宇宙辐射,特别是地球上难于获得的高能重粒子(HZE)辐射,超真空和超洁净;地球表面的物理环境的显著特点     

微重力环境影响植物生长发育的研究进展

微重力是最独特的空间环境条件之一,研究微重力对不同植物种类以及不同植物部位的影响是空间生物学的重要内容之一,对于建立生物再生式生命保障系统意义重大。生物再生式生命保障系统是未来开展长期载人空间活动的核心技术,其优势在于能在一个密闭的系统内持续再生氧气,水和食物等高等动物生活必需品,植物部件是生物再生式生命保障系统的重要组成部分。了解和掌握微重力对植物生长发育的影响,有助于采取有效的作业制度确保其正常生长发育和繁殖,是成功建立生物再生式生命保障系统的首要关键。该文就植物在空间探索中的地位和作用,地面模拟微重力的装置以及国内外有关微重力对植物的影响做一综述。现有的研究结果包括,未来长期的载人航天任务需要植物通过光合作用为生物再生式生命保障系统提供部分动物营养、洁净水以及清除系统中的固体废物和二氧化碳;三维随机回旋装置是目前地面上模拟微重力效应的主要装置之一,尤其适用于植物材料的长期模拟微重力处理;国内外有关微重力对植物影响的报道生理生化水平多集中在植物的生长发育和生理反应,比如表型变化或者与重力相关的激素或者钙离子的再分配,细胞或亚细胞水平主要有细胞壁、线粒体、叶绿体以及细胞骨架等,基因和蛋白质表达水平的研究对象主要为拟南芥。由于实验方法和材料之间的差异,微重力对不同植物或者植物不同部位在各个水平的影响效果并不一致,未来需要开展更多的相关研究工作。     

重力与脊椎动物形态结构的进化

脊椎动物从鱼类开始,经过两栖类、爬行类、鸟类直到哺乳类,在进化过程中要经过一个生活环境的大改变,从水生环境到陆生环境;因而其自身也就出现一个形态结构的变化,从不具备承受重力的形态结构到具备承受重力的形态结构。地球对于地球表面的任何物体都有一个引力,这个引力就是重力。生物就是在重力的持续作用下进化的,因此,脊椎动物形态结构的进化是抗拒和适应重力的结果。     

蝮蛇毒酸性磷脂酶A_2的空间晶体生长

对血小板聚集抑制剂—蝮蛇毒酸性磷脂酶A_2结晶研究的基础上,进行了空间结晶买验,与地面对照实验结果比较,空间的微重力环境对该酶的晶体生长有明显的改进作用.     

蝮蛇毒酸性磷脂酶A_2的空间晶体生长

对血小板聚集抑制剂—蝮蛇毒酸性磷脂酶A_2结晶研究的基础上,进行了空间结晶买验,与地面对照实验结果比较,空间的微重力环境对该酶的晶体生长有明显的改进作用.     

微重力与生物学

阐述了重力、微重力和微重力生物学的概念,微重力对人体、植物、动物和微生物的影响。介绍了我国在研究空间生物学方面的进展和前景。     

模拟微重力下秀丽隐杆线虫的力学感知和肌萎缩的发生机制——太空飞行线虫试验地面平行对照研究部分

目前,微重力导致肌萎缩的分子机制尚不清楚,重力感知是该事件发生的关键环节．为了回答这一问题,在此之前首先实施了太空线虫试验,这部分结果已经在本刊报道过．而本次研究主要是在地面上建立了模拟微重力环境,观察处理后秀丽隐杆线虫（C.elegans）体壁肌细胞结构和功能的变化,一方面用于验证太空试验,同时比较两种处理结果的异同,以便于评价地面模拟微重力的有效性．经过14天19．5h旋转模拟微重力处理后,对线虫生存率和运动能力进行了观察,并检测了几个重要的肌相关基因表达和蛋白质水平．模拟微重力下线虫生存率没有明显变化,但运动频率显著下降,爬行轨迹也发生了轻微改变,运动幅度降低,提示线虫运动功能出现障碍．从形态学上观察发现：肌球蛋白A（myosin A）免疫荧光染色显示模拟微重力组肌纤维面积缩小,而肌细胞致密体（dense-body）染色可见荧光亮度下降．这些结果直接提示模拟微重力使线虫出现了肌萎缩．随后Western blotting试验结果揭示,模拟微重力组线虫体壁肌的主要结构蛋白——myosin A含量减少,进一步确证了微重力性肌萎缩发生．在基因水平,旋转后抗肌萎缩蛋白基因（dys-1）表达明显上升,而hlh-1,unc-54,myo-3和egl-19的mRNA水平均下调,提示dys-1在骨骼肌感知和传导力学信息方面有重要作用,而hlh-1,unc-54,myo-3和egl-19则分别从结构和功能两个途径促进了微重力性肌萎缩的发生和发展．本次试验所得到的结果同太空飞行试验结果十分相似,一方面强化了太空试验结论,另一方面说明在地面上模拟微重力对生物体进行研究是有效可行的,将有助于提高太空试验的质量．     

机体对重力的感应及机制

重力在地球进化的过程中是恒定的,但是重力对地球上许多物理、化学、生物及生态变化过程发挥的重要作用表明,重力从本质上来说必定是一个能改变地球生命的重要的物理作用力。从重力在生物进化中的作用、失重状态下机体的生理变化及相应的细胞学改变来分析重力对机体的影响以及机体对重力的感应机制。     

地球外空间环境引起植物变异的研究进展

空间诱变育种是近年来迅速发展起来的空间生命科学研究领域,由于空间环境具有超真空、微重力、宇宙射线、宇宙磁场以及超洁净的特殊条件,使植物在空间环境中发生了目前地面尚不能模拟的变化。本将近年来在返回式地面卫星、神舟飞船和俄罗斯和平号空间站搭载的种子进行的细胞学、生理学以及RAPD分子检测等方面的研究工作进行了初步总结,目前该领域中还有许多问题有待进一步深入探讨。     

重力钝感的水稻突变体在重力和微重力条件下淀粉体的观察分析

植物向重性的研究一直受到关注,主要的研究集中在双子叶模式生物拟南芥中,而对单子叶植物的研究却很少。植物对重力感受的方式存在多种解释,但目前大量证据表明淀粉体—平衡石理论较为合理,它认为淀粉体作为平衡石在植物向重性反应中发挥了重要的作用。经过100多年的研究,现已从生理学与遗传学的角度证实了含有淀粉体的根冠中柱细胞和茎的内皮层细胞是植物重力感受的部位,淀粉体作为重力感受器被越来越多的实验证据证明。地球上重力无处不在,要研究微重力对植物体极性生长的影响只能借助于能模拟失重环境的回转器。近年来,人们对植物向重性机制的了解主要来自缺失或缺少     

空间密闭生态系统中高等植物生长发育实验取得成功

中科院上海生命科学研究院植物生理生态所承担的“空间密闭生态系统中高等植物生长发育研究”在实践八号卫星上的实验获得成功。该项研究的目的在于利用育种卫星留轨舱的空间环境资源,通过对空间密闭培养系统中高等绿色开花植物青菜Brassica parachinensis Bailey从种子萌发、幼苗生长到开花授粉各个阶段的实时图像观察,了解空间微重力对高等植物从营养生长到生殖生长的过渡规律,以及对开花、授粉等重要生理过程的影响,揭示空间微重力对高等植物的营养生长、花芽分化、生殖器官形成的作用。     

空间环境对石刁柏幼苗向性生长及代谢过程的影响

以石刁柏（ＡｓｐａｒａｇｕｓｏｆｆｉｃｉｎａｌｉｓＬ．）作为实验材料,在我国空间生物学研究中,首次在空间完成了高等植物种子萌发至幼苗的生长过程。研究了空间飞行后,幼苗的光合及某些代谢过程的变化。主要结果如下：空间飞行幼苗根的生长走向明显不同于地面对照,表现出对微重力的反应。幼苗返回地面后继续培养,其生长速度快于地面对照。空间飞行样品耗氧量高于地面对照,而乙烯释放量低于地面对照。空间飞行返回地面后的植株,其光能吸收和转能效率与地面对照相比无明显变化;过氧化物酶同工酶活性有所下降,并出现一条新酶带（Ｒｆ＝０．４５）;ＡＴＰ含量低于地面对照。     

太空环境对甘草DNA诱变作用和次生代谢产物的影响

甘草（Glycyrrhiza uralensis）种子搭载于一返回式卫星上,18天后返回地球（飞行回收舱平均辐射剂量为0.102mGy／d,飞行远地点距地球350km,重力为10^-6×g）,种子萌发并发育成熟。地面对照种子在相同环境下种植。甘草叶子用作ISSR分析,甘草一年生根的两种主要次生代谢产物采用高效液相色谱HPLC进行分析。在此实验中,使用22条引物,其中6条产生了不同基因条带。HPLC分析结果表明,搭载种子发育成熟的根的甘草酸（GA）和甘草苷（LQ）的含量分别比对照组高2.19倍和1.18倍。实验表明空间环境对甘草产生诱变作用并且影响其次生代谢产物。这些变化表明空间育种是一种新的有效方法并且能对濒危药用植物甘草资源的保护做出贡献。     

微重力下天花粉蛋白晶体生长初探

报导了国内首次在微重力下进行蛋白质晶体生长的试验.与地面对照实验所生长的晶体相比较,在空间生长的多数天花粉蛋白晶体具有较完整的外形,初步展示了微重力条件对蛋白质晶体生长所具有的优越性.     

空间电融合的烟草原生质体再生植株分析

报告了在"神舟四号"飞船中通过电融合获得的烟草融合细胞,经地面培养获得再生植株。空间飞行样品再生愈伤组织的频率为地面对照的3倍多,而植株再生频率却比地面对照约低20%,约有32%的再生植株可能具有杂种性状。选取叶形状变化最为明显的H23号植株与黄花品种进行回交,回交一代的叶比原始材料宽,花的颜色与亲本黄花品种相同,表明空间微重力环境中融合的烟草原生质体能够再生植株,获得有繁殖能力的杂种。