水稻(Oryza sativa L.)在月球轨道飞行后不同发育阶段的转录组变化及其空间生物学意义

为探究深空环境对植物的分子调控机制，中国研究人员利用嫦娥五号搭载粳稻干种子完成23天月球轨道飞行，通过比较转录组分析发现：分蘖期相比抽穗期出现更多差异表达基因(DEGs)，涉及淀粉/蔗糖代谢、植物激素信号转导等通路紊乱，而抽穗期以谷胱甘肽代谢和光合作用通路为主。该研究首次揭示水稻发育阶段特异性转录响应模式，为深空生命支持系统构建提供关键数据。

　　

在人类迈向深空探索的征程中，植物作为生命支持系统的核心组件，其太空适应性研究至关重要。然而，与近地轨道任务相比，月球及以远深空环境中的高能宇宙射线(GCRs)和太阳高能粒子(SEPs)辐射强度显著提升，对植物造成的分子损伤机制尚不明确。尤其令人困惑的是，此前研究发现拟南芥在太空微重力环境下第6天的基因响应数量远超第4天，而水稻在不同发育阶段也呈现代谢通路的差异性变化——这些现象暗示植物对太空环境的响应可能存在发育阶段特异性。但迄今为止，关于水稻在营养生长(分蘖期)和生殖生长(抽穗期)关键阶段对深空飞行的转录调控差异，仍是未解之谜。

为解决这一科学问题，中国载人航天工程空间应用系统的研究人员设计了一项开创性实验：将粳稻(Oryza sativa L.)干种子搭载嫦娥五号探测器完成23天月球轨道飞行，返回地球后分别在分蘖期和抽穗期采集样本，通过Illumina高通量测序技术进行转录组分析，并与地面对照组比较。研究采用热释光剂量计(TLD)测定辐射累积剂量，利用GO和KEGG数据库进行功能富集分析，并通过加权基因共表达网络分析(WGCNA)解析基因模块与表型的关联。

DEGs in rice during the tillering stage following lunar orbital flight
在分蘖期共鉴定到1337个DEGs（596个上调，741个下调），显著变化的Tify、CYSTM等22个基因家族主要参与应激响应和细胞壁重构。特别值得注意的是，82个转录因子发生差异表达，其中ERF、bHLH和MYB家族成员占比最高，这些因子已知调控非生物胁迫响应。代谢通路分析显示，淀粉和蔗糖代谢途径中关键酶基因如蔗糖合成酶(SUS)和β-淀粉酶(BAM)显著下调，而糖酵解限速酶己糖激酶(HXK)基因表达升高，暗示能量代谢重编程。

Discussion
研究发现分蘖期DEGs数量是抽穗期的2.3倍，这种发育阶段差异可能源于：1）分蘖期活跃的细胞分裂对辐射更敏感；2）抽穗期光保护机制增强。空间飞行组水稻株高、分蘖数等农艺性状显著降低，与细胞壁生物合成通路紊乱相印证。值得注意的是，谷胱甘肽代谢通路在抽穗期特异性激活，其抗氧化功能可能缓解了辐射损伤；而分蘖期特有的植物激素信号异常（如ABA信号增强）可能通过SnRK2激酶调控发育停滞。

Summary
该研究首次系统阐明：1）月球轨道飞行诱导水稻产生发育阶段依赖的转录响应，分蘖期以代谢通路紊乱为主，抽穗期侧重氧化防御；2）鉴定出CYSTM等新型空间响应基因家族；3）为空间作物育种提供分子靶标（如HXK基因）。这些发现发表于《Life Sciences in Space Research》，不仅深化了对植物空间适应机制的认识，更为未来月球基地的作物栽培策略提供了理论依据——建议在营养生长阶段加强辐射防护，而在生殖生长阶段需优化光环境调控。

（注：全文数据已保存于基因组序列归档库CRA018677，作者贡献声明显示Xiaohui Du和Yan Zhang共同完成主要实验与论文撰写，Meng Zhang指导农艺性状分析，Yan Song负责研究设计与统筹。）