太空微重力环境中断转录组动态并抑制海枣（Phoenix dactylifera）种子萌发的机制研究

为解决太空农业中种子萌发障碍问题，研究人员开展海枣种子空间暴露实验，发现微重力导致种子萌发完全抑制、蛋白含量和α-淀粉酶活性显著降低，ABA信号上调而ROS清除能力受损。该研究首次揭示多年生果树的太空适应性机制，为地外农业提供关键理论依据。

　　

随着人类太空探索活动的深入，构建地外生命支持系统成为迫切需求，而植物作为氧气和食物来源的核心组成部分，其太空适应性研究至关重要。然而，微重力环境对植物生理的干扰机制尚未完全阐明，尤其是多年生木本作物的太空响应研究几乎空白。海枣（Phoenix dactylifera）作为中东地区的重要经济作物，其种子具有极强的抗逆性，是研究太空生物学效应的理想模型。

在这项发表于《Plant Stress》的研究中，阿联酋大学的科研团队首次将六个品种的海枣种子送往国际空间站（ISS）暴露六个月，通过多组学分析系统揭示了太空环境对种子萌发和转录组的深远影响。研究发现：尽管空间暴露后的种子仍保持生理活性（Tetrazolium染色验证），但其萌发能力完全丧失，甚至外源施加赤霉素（GA₃）和细胞分裂素（Kinetin）也无法挽救。生化检测显示空间种子蛋白质含量、α-淀粉酶活性和脯氨酸水平显著下降，超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）活性未被检出，表明抗氧化能力和储备动员严重受损。

研究采用的关键技术包括：国际空间站样本暴露实验（种子来源为阿联酋大学实验农场）、转录组测序（Illumina NovaSeq 6000平台）、qRT-PCR验证（QuantStudio? 3系统）、生化活性检测（商业试剂盒测定CAT/SOD/POD活性）以及基因功能富集分析（GO、KEGG数据库）。

研究结果

1. 1.

   种子萌发与存活率分析

   地面对照组种子萌发率达100%，而空间暴露种子全部萌发失败，但Tetrazolium染色证实其细胞代谢活性未丧失，说明种子进入生理停滞状态。

2. 2.

   生化指标变化

   空间种子的蛋白质含量、过氧化氢酶（CAT）活性、α-淀粉酶活性和脯氨酸含量均显著降低，表明能量代谢和渗透调节功能受损。

3. 3.

   转录组差异表达分析

   三个代表性品种（Lulu, Majdool, Meselli）均出现大量差异表达基因（DEGs），其中Majdool反应最强烈（500个基因下调）。共有基因富集分析显示膜结构、离子结合和核酸相关功能普遍受影响。

4. 4.

   功能富集与通路解析

   • •

     能量代谢：线粒体呼吸链基因（NADH dehydrogenase、cytochrome c oxidase）和ATP合成酶基因显著下调，导致能量供应不足。

   • •

     应激响应：热休克蛋白（HSP）基因上调，但抗氧化基因（SOD、APX）下调，表明氧化应激防御失衡。

   • •

     激素调控：脱落酸（ABA）信号通路基因（PYL受体、bZIP转录因子）上调，而生长素（auxin）和乙烯（ethylene）信号基因（GH3、ACO1）下调，形成ABA主导的休眠状态。

   • •

     基因组与细胞结构：DNA修复基因和细胞骨架相关基因（如微管马达蛋白）表达受抑，负向重力反应调节因子LAZY1显著下调，影响空间定向能力。

5. 5.

   qRT-PCR验证

   选定基因（ACO1、GH3、HSP、LAZY1、SOD、WRKY）的表达趋势与转录组数据一致，其中ABA通路基因上调2-4倍，而萌发促进基因下调2-18倍。

结论与意义

本研究首次证实太空微环境会导致多年生果树种子进入“ABA主导的生理停滞状态”：通过抑制能量代谢、削弱抗氧化防御、破坏激素平衡（ABA/auxin/ethylene失衡）以及扰乱基因组稳定性和重力感知机制，共同阻遏萌发进程。这一发现不仅揭示了微重力对植物细胞的跨层级干扰效应，还为未来地外农业中作物适应性改良提供了关键靶点（如LAZY1重力响应通路和ABA信号调控）。此外，海枣种子作为极端环境耐受模型，其研究结果对地球农业中的种子抗逆性育种也具有借鉴价值。