在國際上首次完成水稻“從種子到種子”全生命周期培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)造國際空間水生生態(tài)系統(tǒng)在軌運(yùn)行最長紀(jì)錄，在國際上首次檢測到空間微重力環(huán)境下骨骼肌細(xì)胞的自噬現(xiàn)象……中國空間站自2022年12月31日全面建成以來，憑借長期微重力、宇宙輻射等獨(dú)特環(huán)境條件，交出亮眼成績單，實(shí)現(xiàn)多個國際“首次”。
1月13日，中國空間站空間應(yīng)用系統(tǒng)科學(xué)與應(yīng)用進(jìn)展情況介紹會在上海舉辦。會上，空間應(yīng)用系統(tǒng)總體單位中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心高級工程師、應(yīng)用發(fā)展室副主任巴金介紹，中國空間站已在軌實(shí)施180余項(xiàng)科學(xué)與應(yīng)用項(xiàng)目，上行實(shí)驗(yàn)?zāi)K、單元及樣品等近2噸科學(xué)物資，下行空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)樣品近百種，產(chǎn)出了一系列原創(chuàng)性科學(xué)成果。
實(shí)現(xiàn)中國在太空培養(yǎng)脊椎動物的突破
作為四大模式生物之一，斑馬魚因基因與人類基因相似度高且體形小、繁殖快、發(fā)育周期短，成為生命科學(xué)領(lǐng)域模式生物的后起之秀，被稱為“水中小白鼠”。
2024年4月25日，一批特殊“乘客”——4條斑馬魚隨神舟十八號進(jìn)入空間站。它們與4克金魚藻一起組成了一個小型水生生態(tài)系統(tǒng)，被安裝在問天艙生命生態(tài)柜開展空間實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)期間，水生支持裝置為金魚藻提供了LED(發(fā)光二極管)光源，保證金魚藻正常進(jìn)行光合作用，確保這個生態(tài)系統(tǒng)的氧含量能滿足斑馬魚的生存需求。
“這一水生生態(tài)系統(tǒng)在空間站實(shí)際運(yùn)行43天。其間，斑馬魚成功繁殖產(chǎn)卵，航天員進(jìn)行了3次水樣樣品采集、1次魚食更換以及1次魚卵收集等操作，并在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對斑馬魚進(jìn)行了無害的固定和處理。”中國科學(xué)院水生生物研究所研究員王高鴻介紹，“我們通過天地對比發(fā)現(xiàn)，斑馬魚在軌出現(xiàn)背腹面顛倒游泳、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、轉(zhuǎn)圈等空間運(yùn)動行為異常現(xiàn)象。”
王高鴻說，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了中國在太空培養(yǎng)脊椎動物的突破，創(chuàng)造了國際上空間水生生態(tài)系統(tǒng)在軌運(yùn)行最長紀(jì)錄，為空間密閉生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)研究提供理論支撐。
“這項(xiàng)研究為后續(xù)利用斑馬魚作為脊椎動物模式生物，開展全面系統(tǒng)的空間生物學(xué)理論研究和空間水產(chǎn)開發(fā)提供了重要研究平臺。”王高鴻表示，“未來我們將開展從魚卵到魚卵的太空斑馬魚實(shí)驗(yàn)。”
獲得空間發(fā)育水稻和再生稻新種質(zhì)資源
微重力如何影響開花？微重力影響植物開花的分子機(jī)理是什么？能否在微重力環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對植物開花過程的調(diào)控？
開花是植物結(jié)出新一代種子的前提。農(nóng)作物的種子既是糧食，也是繁殖下一代的載體。想要真正解決人類長期空間探索的糧食保障問題，關(guān)于植物開花的基礎(chǔ)探索必不可少。
實(shí)際上，從20世紀(jì)50年代發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星以來，如何利用植物保障人類在地外環(huán)境中生存所需要的食物、氧氣和純凈水，就成為空間生命科學(xué)最為關(guān)注的問題。
在微重力條件下高等植物開花調(diào)控的分子機(jī)理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，科研人員利用在軌實(shí)時圖像和返回的擬南芥實(shí)驗(yàn)材料，獲得了不同開花時間擬南芥響應(yīng)微重力的生長發(fā)育表型數(shù)據(jù)和天地比對轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。
“這些數(shù)據(jù)不僅為深入解析植物通過調(diào)整開花時間適應(yīng)空間微重力的分子機(jī)理提供了全新的視角，也為利用相關(guān)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件人為控制空間植物的開花時間、培育具有較強(qiáng)空間環(huán)境適應(yīng)能力的植物提供了新的途徑。”中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心實(shí)驗(yàn)師王麗華介紹。
同時，科研人員還完成了水稻“從種子到種子”的全生命周期空間培育，在國際上首次獲得空間發(fā)育的水稻和再生稻新的種質(zhì)資源，并在樣品返回地面后實(shí)現(xiàn)了大田種植。
發(fā)現(xiàn)空間微重力導(dǎo)致肌萎縮的可能機(jī)制
人體有600多塊骨骼肌，占體重的40%。這些骨骼肌對維持人體正常生理功能至關(guān)重要。代謝性疾病、肌少癥等與骨骼肌功能和穩(wěn)態(tài)異常密切相關(guān)。航天員在太空執(zhí)行任務(wù)時會產(chǎn)生一些生理適應(yīng)，比如肌萎縮。這與衰老、長期臥床等產(chǎn)生的生理或病理改變有相似之處。
因此，發(fā)現(xiàn)骨骼肌細(xì)胞對微重力環(huán)境的感知和響應(yīng)規(guī)律，揭示空間肌萎縮發(fā)生的機(jī)制，尋找相應(yīng)的對抗措施，將為保障長期在軌航天員的運(yùn)動能力和健康水平、提高在軌工作效能以及防治地面人群骨骼肌萎縮等提供理論基礎(chǔ)、實(shí)驗(yàn)證據(jù)和新的思路。
在空間微重力環(huán)境對骨骼肌影響的生物學(xué)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目中，科研人員利用載人空間站提供的長期微重力條件，研究了空間微重力對骨骼肌細(xì)胞的影響，重點(diǎn)關(guān)注了細(xì)胞的生長、分化等情況。
2023年6月15日，該研究項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)樣品通過神舟十五號返回地球。科研人員成功實(shí)現(xiàn)骨骼肌細(xì)胞的在軌培養(yǎng)和分化，觀察到了細(xì)胞融合和肌纖維形成等現(xiàn)象。同時，通過天地比對分析，科研人員還發(fā)現(xiàn)了空間微重力環(huán)境影響骨骼肌細(xì)胞自噬的規(guī)律。
“更重要的是，我們利用高通量測序獲得了空間骨骼肌細(xì)胞基因表達(dá)圖譜，發(fā)現(xiàn)了空間微重力環(huán)境通過影響自噬導(dǎo)致肌萎縮的可能機(jī)制及潛在分子靶標(biāo)。”中國科學(xué)院上海營養(yǎng)與健康研究所副研究員李俞瑩說。
(科技日報上海1月13日電)