全 文 ：·研究报告·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2013年第5期
近年来，随着国际空间站的建成和载人航天技
术的进步，空间生命科学和空间生物技术领域的研
究发展迅猛。有关微重力，最早是指空间飞行器在
轨飞行时，离心力与地球引力相平衡，飞行器舱内
物体处于接近零重力的状态，即微重力状态［1］。对
于微重力下的生物学研究可采用空间搭载和地面模
拟方式进行。地面模拟微重力通常采用回转器，主
要是当样品在回转器上时，生物体处于重力场中，
受到恒定的重力矢量作用。但是，由于回转器的转
动，作用于物体上的重力，方向不断改变，由于重
力方向改变，使生物体来不及感受重力的作用（每
种生物都有一个最低感受时间或响应时间阈值），而
产生类似于微重力环境的现象［2］。通过空间飞行及
收稿日期 ：2012-12-21
作者简介 ：吴承菲，女，硕士研究生，研究方向 ：生物化学与分子生物学 ；E-mail ：chengfeiwu511@163.com
通讯作者 ：赵琦，女，教授，研究方向 ：光合作用机理及航天植物学领域的分子生物学 ；E-mail ：qinita49@yahoo.cn
模拟微重力对拟南芥幼苗的生物学效应
吴承菲1  郭双生2  赵琦1  孙建锋1
（1. 首都师范大学生命科学学院，北京 100048 ；2. 中国航天员科研训练中心，北京 100094）
摘 要 : 对正常条件和模拟微重力条件下生长的拟南芥幼苗进行比较试验，结果表明模拟微重力会产生如下影响 ：（1）影响
拟南芥幼苗的生长发育 ；（2）影响拟南芥光合特性 ；（3）影响拟南芥的生理特性 ；（4）影响拟南芥植株的钙离子分布。此外，运
用基因芯片技术探讨模拟微重力对拟南芥基因表达的影响。
关键词 : 模拟微重力 基因芯片 基因表达
Biological Effects of Simulated Microgravity on
Arabidopsis Seedlings
Wu Chengfei1 Guo Shuangsheng2 Zhao Qi1 Sun Jianfeng1
（1. College of Life Science, Capital Normal University, Beijing 100048 ；2. China Astronaut Research and Training Center, Beijing 100094）
Abstract:  Under normal conditions and simulated microgravity on the growth of Arabidopsis seedlings, the experimental results show
that simulated microgravity can develop the following results ：（1） affects the growth and development of Arabidopsis seedlings ；（2） simulated
microgravity influences Arabidopsis, s photosynthetic characteristics ；（3） simulated microgravity affect physiological and biochemical indices of
Arabidopsis ；（4） simulated microgravity affects the calcium distribution of Arabidopsis. In addition, we use gene chip technology to investigate
the influence of simulated microgravity on the Arabidopsis gene expression.
Key words:  Simulated microgravity Gene chip Gene expression
回转器研究表明，微重力会影响植物体的生长和发
育，并会引起植物体生理特性的变化，同时相关基
因的差异表达也会发生改变。20 世纪 90 年代开始，
随着空间搭载机会的增加，空间实验站的不断建立，
地面模拟实验的不断丰富和细胞分子生物学研究技
术的创新，空间细胞生物学研究成果层出不穷。
1 材料与方法
1.1 材料
拟南芥是野生的双子叶草本植物，喜湿润，不
耐旱，生长周期短。将少量拟南芥 Columbia 种子在
培养间（22℃，空气相对湿度≥ 65%，16 h 光照 /8
h 黑暗）进行扩繁，待成熟饱满后获取种子并密封，
4℃保存。
2013年第5期 59吴承菲等 ：模拟微重力对拟南芥幼苗的生物学效应
1.2 方法
1.2.1 拟南芥幼苗培养 将拟南芥 Columbia 种子
灭菌 15 min 后春化 2 d，播种于 1/2MS 培养基上，
22℃，在光照培养箱中培养，16 h 光照 /8 h 黑暗，
处理样品放置水平回转仪（中科院生物物理所提供）
上，2 r/min ；对照组（CK） 在实验台上培养。培养
8 d 后采收。
1.2.2 幼苗株高、鲜重的测定 从生长第 3 天开始，
测量处理和对照的拟南芥幼苗的株高、根长、下胚
轴长度，直到第 8 天。在第 8 天测定幼苗的鲜重。
1.2.3 叶绿素含量测定 参照 Arnon （1949） 的方法。
待第 8 天采收后，用 80% 丙酮室温、黑暗条件下提
取叶绿素，分别于 646 nm 和 663 nm 处测定吸光度，
根据 Lichtenehaler 和 Wallbum 的修正公式计算叶绿
素 a、b、叶绿素（a+b） 的含量及叶绿素 a/b 的值。
1.2.4 活性物质含量测定 待第 8 天拟南芥幼苗采
收后，充分研磨，分别测定维生素 C（Vc） 、超氧
化物歧化酶（SOD） 、过氧化物酶（POD） 、过氧化
氢酶（CAT） 的含量（南京建成公司提供的试剂盒）。
丙二醛（MDA） 含量的测定采用硫代巴比妥酸（TAB）
法、脯氨酸（pro） 含量的测定采用酸性茚三酮法。
1.2.5 叶片钙离子分布的检测 钙荧光探针指示剂
法是利用与钙离子结合探针并发出荧光的方法来检
测钙离子的浓度，这种钙离子指示剂有很高的钙离
子亲和能力，能检测出低浓度的钙离子。按照文献［3］
采用 Fluo-3/AM 作为检测细胞钙离子浓度的荧光探
针。利用激光共聚焦荧光显微镜观察试验材料。（1）
取培养 8 d 的拟南芥根尖置于 100 μL MS 液体培养基
中 ；（2）加入 1 μL 1 mmol/L Fluo-3/AM，混匀 ；（3）
4℃避光处理 2 h，取出后用 MS 洗 2 次 ；（4）室温
下避光放置 2 h ；（5）激光共聚焦显微镜观察，波长
为 488 nm，记录并照相。
1.2.6 拟南芥幼苗 RNA 的吸光值的测定
1.2.6.1 总 RNA 的提取 拟南芥幼苗 RNA 的提取
采用 Trizol 法（Invitrogen 公司提供）。试验步骤：（1）
称取 100 mg 新鲜拟南芥组织加液氮速冻后充分研磨
成干粉，转入 1.5 mL 离心管中，加入 1 mL Trizol，
混匀，室温下静置 3-5 min ；（2）每 1 mL Trizol 加
200 mL 氯 仿， 盖 紧 管 盖， 剧 烈 振 摇 15 s， 放 置 5
min ；（3）4℃，12 000 r/min 离心 15 min ；（4）RNA
存在于上层水相，将上层水相转移至新离心管，做
好标记；（5）加 500 μL 异丙醇，-20℃沉淀 30 min 以上，
4℃，12 000 r/min 离心 10 min ；（6）弃去上清，加
入 1 mL 75% 乙醇（用 DEPC 水配制），洗涤沉淀物，
4℃，12 000 r/min 离心 10 min ；（7）吸弃乙醇，空气
中干燥 5-10 min ；（8）RNA 略显透明，加入 30-50
μL RNase-free Water，充分溶解。
1.2.6.2 总 RNA 的 定 量 与 RNA 纯 度 检 测 （l） 紫
外分光光度计测定 RNA 的产量 ：测定 RNA 溶液的
OD260，按照 1 个 OD260=40 μg/mL 计算 ；（2）RNA 纯
度检测 ：测定样品在 260 nm 和 280 nm 下的吸光值，
OD260/OD280 的比值在 2.0 附近为佳。
2 结果
2.1 模拟微重力对拟南芥幼苗生长发育的影响
2.1.1 对幼苗向性的影响 观察生长 8 d 的拟南芥
幼苗，可以明显看出，正常重力条件下的拟南芥幼
苗茎向上生长，根直立向下生长 ；而模拟微重力条
件下的幼苗生长没有方向性，茎和根都呈现不定向
生长，根呈弯曲状（图 1），说明模拟微重力影响植
物的生长方向。

A1 A2
B1 B2
A1，A2 ：SM 条件下拟南芥幼苗 ；B1，B2 ：CK 条件下拟南芥幼苗
图 1 SM 条件下（A）和 CK 条件下（B）拟南芥幼苗图
2.1.2 对幼苗株高的影响 分别对幼苗的株高、根
长、下胚轴长度进行了测定，模拟微重力下生长 8 d
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2013年第5期60
的幼苗株高比对照低，在 3-5 d 时，处理的幼苗的
株高、根长比对照长，而 5 d 之后，处理的株高和
根长都比对照短；而且，下胚轴长度比对照长约 0.804
mm（表 1），说明模拟微重力影响植物的生长。
2.2 模拟微重力对拟南芥幼苗生理特性的影响
2.2.1 对幼苗光合特性的影响 光合作用中叶绿体
对光能的捕获、传递和转化主要是通过叶绿素 a 和
叶绿素 b 完成的。分别测定了生长 8 d 的处理和对
照的幼苗的叶绿素含量，处理的幼苗的叶绿素 a 和
叶绿素 b 的含量均高于对照组，但叶绿素 a/b 的比
值有所下降。光合速率测定结果表明，对照与处理
的光合速率无显著差异，说明微重力环境会提高拟
南芥的叶绿素含量，而对光合作用效率无显著影响。
2.2.2 模拟微重力对幼苗活性物质含量的影响 用
试剂盒和紫外分光光度计分别测定维生素 C（Vc） 、
超氧化物歧化酶（SOD） 、过氧化物酶（POD） 、过
氧化氢酶（CAT） 的含量。处理的 Vc 含量减少，而
POD、SOD 和 CAT 含量却高于对照。而且，通过对
丙二醛（MDA）和脯氨酸（pro）含量的测定发现，
处理的丙二醛与脯氨酸含量明显高于对照。
表 1 模拟微重力（SM）与正常重力（CK）条件下拟南芥生理生化指标测定数据
项目 CK SM n P
株高（mm） 33.486±0.5720 28.123±0.4382 50 <0.05
根长（mm） 25.958±0.5327 18.776±0.3918 50 <0.05
下胚轴长（mm） 7.528±0.0985 8.332±0.1174 50 <0.05
植株鲜重（g） 0.0286±0.0041 0.0380±0.0048 30 <0.05
Vc（mg/g） 0.0379±0.0026 0.0310±0.0026 30 <0.05
POD（U/g FW） 114.9018±3.9320 131.3708±3.7461 30 <0.05
SOD（U/g FW） 4.9472±0.4686 6.3043±0.5479 30 <0.05
CAT（U/g FW） 41.8613±3.7096 60.8082±3.3729 30 <0.05
MDA（μmol/g FW） 10.5275±1.6480 14.5825±0.9836 30 <0.05
pro（μg/g FW） 20.4286±2.0255 24.0816±1.0087 30 <0.05
叶绿素 a（mg/mg FW） 0.6108±0.0423 0.7519±0.0498 30 <0.05
叶绿素 b（mg/mg FW） 0.2328±0.0441 0.2741±0.0270 30 <0.05
2.3 模拟微重力影响幼苗叶片的钙离子分布
Fluo-3 荧光染料与游离钙离子结合可发出绿色
荧光，在激光共聚焦显微镜下观察发现，处理的拟
南芥叶片细胞壁的绿色荧光十分明显，如图 2 所示。
A：↓ᑨ䟽࣋ᶑԦлᤏই㣕ਦ㚹㓶㜎ⲴⲴ㦗ݹമ
A B
B：⁑ᤏᗞ䟽࣋ᶑԦлᤏই㣕ਦ㚹㓶㜎Ⲵ㦗ݹമ
图 2 正常重力条件下（A）与模拟微重力条件下（B）拟南芥叶肉细胞钙离子分布
2.4 模拟微重力对基因表达的影响
生物体在重力改变的情况下，生长代谢、遗传
发育、生理特性及显微结构的变化都是由基因调控
的。本实验室在 R 平台上用 ANOVA 的方法挑选出
模拟微重力处理 6 d 的差异基因和模拟微重力处理
1 d 的差异基因。基因芯片结果表明，模拟微重力
2013年第5期 61吴承菲等 ：模拟微重力对拟南芥幼苗的生物学效应
处理 6 d 后的拟南芥差异表达的基因有 450 个，上
调表达 201 个，下调表达 249 个，上调倍数最大为
4.25，下调倍数最小为 0.37 ；在模拟微重力处理 1 d
后拟南芥差异表达的基因有 365 个，上调表达 136 个，
下调表达 229 个，上调倍数最大为 2.19，下调倍数
最小为 0.43。
3 讨论
室外培养的拟南芥种子一般春季萌发，到夏季
即种子成熟，因此，生殖生长延缓，生活周期过长，
不利于加快实验进程。而室内培养是将种子播撒于
营养土、蛭石、素沙按体积比 1∶1∶1 均匀混合的
培养介质中，该方法使用的培养介质既有拟南芥苗
期根系生长所需的透水和透气性，又能为拟南芥后
期生长提供养分，且水、肥和气均供应均衡一致，
且室内培养的成活率较高，生长健壮，生长发育进
程快且整齐，因此能最好的发挥拟南芥个体小和生
育期短的优势，降低生物实验系统误差。
许多文献提出，微重力环境对于正常生长的植
物来说是一个逆境条件，改变重力的大小和方向都
会影响植物的代谢、生长、发育、繁殖及应激反应
等［5，6］。植物在正常的重力下，根向下生长，茎向
上生长。在微重力环境下，根的生长方向依种胚所
处的方位而定。地上部生长取决于光源的位置，在
微重力场中向光性弯曲更加明显，因此，茎和根都
呈现不定向生长，根呈弯曲状。目前，已有多项研
究表明模拟微重力会影响植物的细胞形态和植物细
胞的亚显微结构［7］。有人报道，太空飞行的豌豆幼
苗根细胞变长，表面积变大，而细胞核变小。有研
究者［8］采用马铃薯、香石竹、草莓及人参果的试管
幼苗作为试验材料，分别置于正常重力环境中和模
拟微重力环境中，待生长 8 d 后，对 4 种植物的电
镜切片观察发现，模拟微重力对植物细胞亚显微结
构产生了影响 ：细胞壁收缩呈不规则多角形，细胞
之间联结松散，而且叶绿体片层结构明显弯曲、疏
松和膨化，并且变得模糊。线粒体表面的膜粗糙、
嵴不明显、结构松散。Popova 等［9］观察了飞行 10.5
d 和 18 d 的小球藻细胞发现细胞分裂受到干扰，类
囊体腔膨胀，叶绿体出现电子半透明区。同时，类
囊体相对体积减小。黄伟等［8］观察玉米在微重力下
会导致细胞出现畸形核，这可能与细胞骨架遭到破
坏有关。POD、SOD 和 CAT 是植物体内活性氧清除
系统中的 3 种重要保护酶，它们能够有效阻止活性
氧在植物体内的积累。因此，POD、SOD 和 CAT 活
性的升高反映出植物在逆境下，能通过自身防御机
制对有害物质做出保护性应激反应［10-12］。我们的试
验结果表明，模拟微重力处理后 3 种抗氧化酶活性
均有不同程度的提高，表明拟南芥幼苗对微重力刺
激作出了保护性应激反应。而 Vc 是植物体内抗氧化
的成分，体内活性氧的增加会导致 Vc 的含量发生变
化，Vc 的抗氧化功能同样可以防止活性氧对植物组
织的破坏。在防御应激过程中，植物体消耗了大量
的 Vc，因此，Vc 含量的下降同样也说明拟南芥幼
苗对微重力刺激作出了保护性应激反应。MDA 是膜
脂过氧化的主要产物之一，具有细胞毒性，能引起
细胞膜功能紊乱［13］。模拟微重力处理后，拟南芥体
内活性氧含量增加，导致 MDA 的升高，说明模拟微
重力类似于逆境刺激。因此，造成 MDA 升高。钙离
子是真核生物中调节细胞信号转导的第二信使，钙
离子参与植物应激、抗逆、抗病等一系列刺激反应
的调节［14，15］。有人研究了模拟微重力条件下的草
莓和香石竹的株高、叶片数、叶绿素含量及光合速
率发现，微重力对叶绿体的正常光合功能没有显著
影响。此外，有研究者发现，重力改变时，拟南芥
的钙离子分布和浓度也发生改变，进而引起一系列
的生物效应［15］。徐伟等［16］对微重力条件下芦笋根
尖钙离子的分布的研究发现，微重力条件下根尖细
胞钙离子浓度比对照的钙离子浓度低。本试验结果
显示，模拟微重力环境下，拟南芥叶片的钙离子浓
度比对照的钙离子浓度高，说明模拟微重力影响钙
离子的分布。这些结果表明钙离子在植物的微重力
效应过程中起到很大的作用。但是，根和叶片在模
拟微重力条件下的钙离子分布状况有所不同，很可
能是由于重力方向发生改变，钙离子在植物组织细
胞中进行移动，如果集中移动到根部，叶片中就减
少了钙离子，如果集中移动到根部，叶片就减少了
钙离子。结果显示，模拟微重力，促使钙离子移动
到了叶片细胞中，徐伟等仅对玉米根尖钙离子分布
进行了观察，未对叶片钙离子分布进行检测，所以，
本试验的结果和前人并不矛盾。Mari 等［17］以水蕨
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2013年第5期62
属作为试验材料，对其孢子进行了不同时间（包括 1、
8 和 20 h）的模拟微重力处理，提取 RNA 并进行实
时定量 RT-PCR，然后比较分析芯片结果，通过基因
表达分析发现，1 h 处理的孢子的 2 110 个基因中有
3.46% 基因位点发生改变，其中 37 个基因明显上调，
25 个基因下调表达 ；8 h 处理的孢子的 2 486 个基因
中有 5.91% 发生改变，其中 70 个明显上调表达，42
个下调表达 ；经 20 h 处理的孢子的 2 797 个基因中
有 5.20% 发生改变，其中有 53 个上调表达，48 个
下调表达［18］。对人肾细胞进行空间搭载后发现，有
1 632 个基因表达发生了明显改变［19］。Barjaktarović
等［20］对 7 g 处理 1 h 的拟南芥愈伤组织进行了基因
芯片分析发现，200 多个基因表达明显上调，他们
还通过蛋白质组学的方法发现，超重 1 h 处理的愈
伤组织中有 28 个蛋白发生了明显改变。
4 结论
本研究有关基因芯片分析结果或许可以说明，
上述这些生理指标差异，很可能与模拟微重力处理
的差异表达有关，处理 6 d 上调表达 201 个，下调表
达 249 个 ；处理 1 d 差异表达的基因，上调表达 136
个，下调表达 229 个，或许这些差异表达的基因是
由微重力处理引起的，研究结果尚需进一步验证。
参 考 文 献
［1］ 王浩 , 牛颜冰 . 航天育种机理的研究进展［J］. 山西农业大学
学报 ：自然科学版 , 2009, 29（2）：120-121.
［2］ Albrecht-Buehler G. The simulation of microgravity conditions on the
ground［J］. ASGSB Bulletin, 1992, 5（2）：3-10.
［3］ Sobol M, Kordyum E. Distribution of calcium ions in cells of the root
distal elongation zone under clinorotation［J］. Microgravity Sci
Technol, 2009, 21（1-2）：179-185.
［4］ Zhao Q, Li J, Liu M. Effects of simulated microgravity on characteris-
tics of photosynthesis in plant seedling［J］. Space Medicine & Me-
dical Engineering, 2002, 15（2）：79-83.
［5］ 郑景生 . 微重力下的植物生物学效应与空间诱变育种研究［J］.
江西农业大学学报 ：自然科学版 , 2003, 25（5） ：671-675.
［6］ 费翅鲲 , 胡向阳 , 崔大勇 , 等 . 模拟微重力的植物生物学效
应［J］. 自然科学进展 , 2002, 12（2） ：135-139.
［7］ 刘敏 , 王亚林 , 薛淮 , 等 . 模拟微重力条件下植物细胞亚显微结
构的研究［J］. 航天医学与医学工程 , 1999, 12（5）：360-363.
［8］ 黄伟 , 黄晓兵 , 郭梅 , 等 . 模拟微重力对玉米根尖细胞核的影
响［J］. 内江师范学院学报 , 2008, 23（4）：57-59.
［9］ Hilaire E, Guikema JA, Brown J, Gravit CS. Clinorotation affects
soybean seedling morphology［J］. Physiology, 1995, 2 ：149-150.
［10］ Kochba J, Lvee S. Differences is peroxidase activity and isoenzymes
in embryogenic and non-embryogenic shamouti orange ovular callus
lines［J］. Plant Cell Physiology, 1977, 18 ：463-467.
［11］ Cai WM. Isozyme analysis of SOD of several plants species in simu-
late microgravity condition［J］. Acta Phytophysiologica Sinica,
2000, 26 ：137-142.
［12］ Hepler PK, Wayne RO. Calcium and plant development［J］. Annu
Rev Plant Physiol, 1985, 36 ：397-439.
［13］ Zhao HC, Zhu T, Wu J, Xi BS. Effect of simulated microgravity on
aged pea seed vigour and related physiological properties［J］.
Colloids and Surfaces B ：Biointerfaces, 2003, 27 ：311-314.
［14］ Gilroy S, Jones RL. Gibberellic acid and abscisic acid coordinately
regulate cytoplasmic calcium and secretory activity in barley aleu-
rone protoplasts［J］. Proc Natl Acad Sci USA, 1992, 89（8）：
3591-3995.
［15］ Hilaire E, Paulsen AO, Brown CS, et al. Microgravity and
clinorotation cause redistribution of free calcium in sweet clover
columella cells［J］. Plant Cell Physiol, 1995, 36 ：831-837.
［16］ 徐继 , 赵琦 . 微重力对石刁柏根尖组织和细胞中钙水平及分布
的影响［J］. 生物物理学报 , 1999, 15（2）：381-386.
［17］ Salmi ML, Roux SJ. Gene expression changes induced by space
flight in single-cells of the fern Ceratopteris richardii［J］. Planta,
2008, 229 ：151-159.
［18］ Centis-Aubay S, Gasset G, Mazars C, et al. Changes in gravitational
forces induce modifications of gene expression in A. thaliana
seedlings［J］. Planta, 2003, 218 ：179-185.
［19］ Commission on Physical Sciences Mathematics and Applications
National Research Council. Biological sciences and biotechnology
microgravity research opportunities for the 1990s［R］. Conmittee
on Microgravity Research Space Studies Board, 1999 ：62-75.
［20］ Barjaktarović Ž, Babbick M, Nordheim A, et al. Alterations in
protein expression of Arabidopsis thaliana cell cultures during
hyper- and simulated micro-gravity［J］. Microgravity Sci Technol,
2009, 21 ：191-196.
（责任编辑 狄艳红）