全 文 ：·研究报告·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2011 年第 10 期
模拟微重力对拟南芥幼苗的影响
宫喜魁1 赵琦1 郭双生2 孙建锋1 吴承菲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 100093)
摘 要: 对正常条件和模拟微重力条件下拟南芥幼苗的生长状况进行了研究，发现拟南芥幼苗的生长发育、生理生化
特性、酶活性等均发生一系列的变化。并利用 qRT-PCR技术深入研究了经模拟微重力处理的幼苗过氧化物酶的基因表达量
的变化。这些结果为植物在受控生态生保系统中的生长提供了试验支持。
关键词: 模拟微重力 拟南芥 受控生态生保系统
The Effect of Simulated Microgravity on Arabidopsis Seedlings
Gong Xikui1 Zhao Qi1 Guo Shuangsheng2 Sun Jianfeng1 Wu Chengfei1
(1College of Life Science，Capital Normal University，Beijing 100048;2China Astronaut Research and Training Center，Beijing 100093)
Abstract: Microgravity in space environment is an important factor that can affect plant growth and development． Based on the
normal conditions and under the conditions of simulated microgravity on growth of Arabidopsis and found that Arabidopsis growth and de-
velopment，physiological and biochemical characteristics，activity and so produce a series of changes． Using qRT-PCR technology in-
depth study of the peroxidase activity with gene expression changes． These results provide experimental support for the growth of the
plants in the controlled ecological life support system．
Key words: Simulated microgravity Arabidopsis thaliana CELSS
收稿日期:2011-04-26
基金项目:国家自然科学基金国防工程“863”专项
作者简介:宫喜魁，男，硕士研究生，研究方向:生物化学与分子生物学;E-mail:gongxikui@ 163． com
通讯作者:赵琦，教授，博士生导师，E-mail:zhaoqi@ mail． cnu． edu． cn
在太空微重力环境中，各种系统的表观重量远小
于其实际环境的重量。对植物而言，微重力环境从个
体、器官、组织、细胞等各个水平对植物的生长代谢、
遗传发育、分裂生殖、衰老死亡等生理生化过程产生
影响［1 － 4］，研究者们通过对这些影响的研究可以为建
立受控生态生保系统(controlled ecological life support
system，CELSS)和长期深空探测提供越来越多的有用
信息。CELSS中的植物能够提供产生航天员所需的
食物、氧气和水等基本的生保物质［5］。
真实的微重力只有在空间飞行器上才能获得，
但搭载空间飞行的机会少、费用昂贵，为此，科学家
们发明了各种回转器来模拟微重力环境。目前常用
的主要有 3 种:二维快旋回转器、二维慢旋回转器、
三维回转器［6］。其工作原理大多类似，由于回转器
按一定速度回转，从而模拟了微重力的效应［7，8］。
从 20 世纪 60 年代开始，国内外在微重力对动植物
的生长发育的影响研究中取得了较大的进展。本研
究以模式植物拟南芥为材料，深入研究了模拟微重
力(simulated microgravity，SM)条件下幼苗的生理生
化的特性，并且用荧光定量 PCR的方法分析了过氧
化物酶基因表达量的变化;研究模拟微重力对植物
生长状态、光合作用及酶活等的影响，从而为太空条
件下的植物生长提供依据。
1 材料与方法
1. 1 拟南芥培养
拟南芥 Ler种子(由白素兰实验室提供) ，灭菌
春化后播种于 1 /2MS培养基上，在 22℃，16 h光照 /
8 h黑暗的光照培养箱中培养，放置在水平回转仪
(中科院生物物理所提供)上，转速 2 r /min［9］，对照
组(CK)于 1 g条件下培养。培养 7 d后采收。
1. 2 拟南芥幼苗长度、鲜重测量
第 3 天开始测量拟南芥幼苗的植株总长、根长、
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2011 年第 10 期
下胚轴长度，直到第 7 天。在第 7 天测定拟南芥幼
苗的鲜重。
1. 3 叶绿素含量测定
采收后，用 80%丙酮在室温、黑暗条件下提取叶
绿素，于 646 nm和 663 nm处测定吸光度，根据 Licht-
enehaler和Wallbum的修正公式计算叶绿素 a、叶绿
素 b、叶绿素(a + b)的含量及叶绿素 a /b值［10］。
1. 4 光合速率测定
利用便携式光合仪 LI-6400(LI-COR 美国) ，于
每日上午 10 点测定拟南芥幼苗光合速率。处理和
对照分别做 3 次重复，连续测定 4 d。
1. 5 主要物质含量测定
第 7 天拟南芥幼苗采收后，研磨，用南京建成试
剂盒测定维生素 C(Vc)、超氧化物歧化酶(superoxi-
dase dismutase，SOD)、过氧化物酶 (peroxidase，
POD)、过氧化氢酶(catalase，CAT)的含量。丙二醛
(malondialdehyde，MDA)含量的测定采用硫代巴比
妥酸(TAB)法、脯氨酸(proline，pro)含量的测定采
用酸性茚三酮法。
1. 6 实时定量 PCR(qRT-PCR)检测基因表达量的
变化
拟南芥幼苗采收后提取 RNA，RNA 的提取采用
Trizol法(Invitrogen公司)。在 NCBI中找出 4种具有
过氧化物酶活性的基因 RHS19、MHJ24、MCK7 和
MQD22，根据它们的序列设计出引物，用反转录试剂
盒(Fermentas公司)进行反转录，再用荧光定量 PCR
试剂盒(Fermentas 公司)在荧光 PCR 仪(Bio-Rad 公
司)中进行 PCR，以检测它们基因表达量的变化。
2 结果
2. 1 模拟微重力对拟南芥幼苗生长发育的影响
通过比较正常重力条件下和模拟微重力条件下
生长 7 d的拟南芥幼苗(图 1)可以看出，正常重力
条件下的拟南芥幼苗茎向上生长，根向下生长。模
拟微重力条件下生长的拟南芥没有方向性，茎和根
向各个方向都有生长，根呈弯曲状，正常重力条件下
拟南芥的根则呈垂直状。
A．正常重力下拟南芥;B．模拟微重力下拟南芥
图 1 正常重力和模拟微重力条件下生长 7 d的拟南芥幼苗
对拟南芥的总长、根长、下胚轴长度进行测定
(图 2)发现，模拟微重力处理条件下生长 7 d 的拟
南芥幼苗长度比正常条件下生长的拟南芥长度要
短，而从时间上(图 3，图 4)来看，3 － 5 d 的这一时
期，模拟微重力下的拟南芥幼苗的长度、根长都要比
正常条件下生长的拟南芥长，而 5 d 之后发生了变
化，模拟微重力条件下生长的拟南芥相对来说，其长
度和根长都比正常条件下生长的拟南芥短。从图 5
可以看出，在根长发生变化的时候，拟南芥的下胚轴
的长度一直是模拟微重力条件下比正常条件下的
长。对生长 7 d 的拟南芥幼苗的鲜重进行测定(图
6)发现，模拟微重力条件下生长的拟南芥幼苗比正
常条件下生长的拟南芥重，说明模拟微重力对生物
量的增加有促进的作用。
图 2 SM与 CK拟南芥幼苗长度的比较
612
2011 年第 10 期 宫喜魁等:模拟微重力对拟南芥幼苗的影响
图 3 SM条件下拟南芥幼苗长度的变化
图 4 SM条件下拟南芥幼苗根长的变化
图 5 SM条件下拟南芥幼苗下胚轴变化
图 6 SM与 CK条件下拟南芥幼苗鲜重的比较
2. 2 模拟微重力对拟南芥幼苗生理生化的影响
2. 2. 1 模拟微重力条件下拟南芥光合特性的变化
光合作用中叶绿体对光子能的捕获、传递和转化
主要是通过叶绿素 a和叶绿素 b完成。在模拟微重
力条件下，对生长 7 d 的拟南芥幼苗进行叶绿素含
量的测定(图 7)发现，模拟微重力处理拟南芥幼苗
叶绿素 a和 b的含量比对照的拟南芥幼苗的叶绿素
a和 b含量高，而叶绿素 a /b 的比值下降。对拟南
芥进行光合速率的测定结果(图 8)发现，对照和处
理条件下拟南芥的光合速率相比没有显著差别，说
明微重力的环境会提高拟南芥的叶绿素含量，对光
合作用效率没有显著影响。赵琦等［1 1］研究了模拟
微重力条件下的芦笋和草莓的光系统Ⅱ的活性、原
初光能转化效率以及低温荧光发射光谱，发现模拟
微重力对叶绿体的正常光化学功能没有显著的影
响，说明在太空条件下植物可正常生长。
图 7 SM与 CK条件下拟南芥
幼苗叶绿素含量的比较
图 8 SM与 CK条件下拟南芥光合速率的变化
2. 2. 2 模拟微重力条件下拟南芥中物质含量的变
化 图 9 显示在模拟微重力处理后拟南芥幼苗 Vc
含量减少，图 10 显示模拟微重力条件下生长的拟南
芥幼苗对 POD、SOD 和 CAT 的含量的变化，结果表
明模拟微重力处理的拟南芥幼苗 POD、SOD 和 CAT
含量高于对照。通过对 MDA和 pro含量的测定(图
11，图 12)发现，模拟微重力条件下生长的拟南芥的
MDA与 pro 含量明显高于对照。qRT-PCR 分析结
果(图 13)显示，SM 条件下拟南芥相对于对照过氧
化物酶基因表达量的变化倍数，结果表明在模拟微
重力条件下 4 种具有 POD 活性的基因的表达量均
不同程度的高于对照的表达量。
712
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2011 年第 10 期
图 9 SM与 CK条件下拟南芥 Vc含量的比较
图 10 SM与 CK条件下拟南芥幼苗 POD、
SOD、CAT活力的比较
图 11 SM与 CK条件下拟南芥
幼苗MDA含量的比较
图 12 SM与 CK条件下拟南芥
脯氨酸含量的变化
图 13 SM条件下拟南芥具有过氧化物酶活性的
基因的表达量相对于 CK的变化
3 讨论
以往研究者们对微重力下植物生长发育影响
的研究大多数集中在对根部的研究上，Perbal［12］对
扁豆的研究提出微重力处理和对照条件下根的长
度未显示有显著的差异。而 Levine等［13］通过回转
仪处理，发现大豆的根长度比对照的大豆根长。
Iversen［1 4］的研究却发现微重力处理条件下根的长
度比对照的根短。为何众说不一，很可能是由于
研究材料的选择、材料发育阶段、具体试验方法的
差异等造成的。为避免植物发育阶段的影响，我
们对拟南芥生长 3 － 7 d 的根长都进行了测定，发
现模拟微重力条件下生长的拟南芥根长比对照条
件下生长的拟南芥根长的长短是一个变化的过
程，前期模拟微重力条件下生长的拟南芥根长较
长，后期则较短。
有研究者发现，植物的重力信号与细胞增殖 /细
胞周期之间有密切的关系［1 5］，当环境重力信号被
细胞膜表面受体分子识别后，可通过调节质膜上
Ca2 +转运系统，或经过磷酸肌醇信使系统把刺激信
号传递给细胞内贮钙体，引起贮钙体内的 Ca2 + 释
放，使细胞质内 Ca2 +浓度发生改变［16］，通过对钙依
赖蛋白如钙调蛋白的激活，改变生长素的再分配，进
而影响细胞增殖 /细胞周期［1 7］。PIN蛋白是生长素
的运输载体，在细胞内极性分布，与生长素的极性运
输与向重性反应有关。GNOM与 ROP2 调控 PIN 在
细胞内膜系统与质膜之间的循环［18 － 20］。研究结果
指出在微重力条件下，GNOM 和 ROP2 的基因表达
量发生波动，PIN 蛋白在细胞内的极性分布有所变
化，导致生长素分布重新分配，进而影响细胞的生长
和发育。根据根的生长特点可以把根的伸长分为两
812
2011 年第 10 期 宫喜魁等:模拟微重力对拟南芥幼苗的影响
个阶段，前期的伸长主要是由于分生区的细胞分裂
导致的，而后期的伸长主要是伸长区的细胞的生长
导致的。Matío［21，22］研究了空间搭载条件下生长的
拟南芥根部细胞核仁，发现微重力可以刺激根部细
胞分裂，而抑制根部细胞的生长。在根部生长的前
期，微重力刺激分生区细胞的分裂，导致前期根的长
度长于对照，后期由于微重力抑制伸长区细胞的伸
长，导致后期根的长度短于对照。Matío的试验还在
继续，这些现象还需要新的试验证据。但比起以往
的研究者来说，他的试验已经取得了令人信服的
结果。
许多试验证实微重力可以促进植物下胚轴的伸
长［23］，然而，以往的理论和试验也证实有多种植物
激素可以促进植物下胚轴的伸长，例如一定浓度范
围的生长素(IAA、NAA 等)［2 4］、赤霉素(GA)［25］、
油菜素内酯(BR)［26］等。不过这几种激素作用的
机理不尽相同。Aux / IAA、SAUR 和 GH3 是生长素
早期诱导表达的基因，生长素能够诱导这 3 类基因
快速、特异地表达并且无需新的蛋白质生物合成，这
些基因也是生长素诱导的原初表达基因。生长素通
过提高 E2FB的含量并增强其稳定性，促进细胞从
G1 期向 S 期、G2 期向 M 期的转变，进而促进细胞
的分裂［27］。但生长素诱导细胞伸长分裂的靶位组
织为表皮，在向重性弯曲的过程中起到关键的作用，
但它在微重力促进下胚轴生长中起到何种作用尚无
定论。许多研究证实，赤霉素和油菜素内酯可以影
响膨胀素［28］和 XET(木葡聚糖转糖苷酶)的表达，
松弛细胞壁，引起细胞体积的扩大。膨胀素可以通
过松弛细胞壁中多糖之间的非共价键引起壁的松
弛，XET则专一的裂解木葡聚糖的主链结构，减弱
细胞壁的强度［29］。Hoson 和 Veronica［30，31］对微重
力下的植物细胞壁强度的研究，发现微重力可以松
弛细胞壁，微重力对细胞壁的作用结果与赤霉素和
油菜素内酯作用的结果类似。这说明微重力可能通
过影响赤霉素或油菜素内酯的浓度，导致细胞壁松
弛，细胞伸长，进而促进下胚轴的生长。不过也有研
究表明，赤霉素处理的植物节间比油菜素内酯处理
的节间要细，我们的试验结果也显示微重力下的拟
南芥幼苗下胚轴比对照长，比对照的粗，这表明油菜
素内酯相对赤霉素来说与微重力条件下植物下胚轴
的伸长的关系更为密切，也就是说微重力促进植物
下胚轴的伸长最有可能是通过调节油菜素内酯的浓
度从而发挥作用。生长素、赤霉素、油菜素内酯对植
物细胞生长发育的作用既相互独立，又相互影响，即
它们各自有相对独立的信号通路和专一作用的基
因，各通路之间又相互交叉，基因相互作用［32］。但
激素调节与微重力下植物下胚轴的伸长之间的关系
还需要进一步证实。
O －2 、H2O2、·OH 等活性氧是植物在正常代谢
中产生的有毒害作用的物质。植物体内的活性氧由
于自身产生和清除处于平衡状态，它的毒害作用不
表现出来，但在逆境胁迫下，植物活性氧产生和清除
系统间的平衡被打破，从而引起对膜的伤害［33］。
POD、SOD和 CAT是植物体内活性氧清除系统中酶
促因子系统的 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
活性的升高反映了植物在逆境因子作用下，通过自
身防御机制对有害物质做出保护性应激反应［34］。
试验结果显示，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
刺激做出了保护性应激反应。薛淮［35］曾对模拟微
重力下马铃薯的组培苗进行了过氧化物酶同工酶谱
的试验，结果表明，微重力条件下马铃薯植株的过氧
化物同工酶谱出现了新的谱带且同工酶活性高于对
照过氧化物酶同工酶。我们从 mRNA 水平检测了
几种过氧化物酶基因表达量的变化，结果显示，过氧
化物酶的表达量都有不同程度的提高，更进一步证
实了模拟微重力条件下过氧化物酶的活性提高，这
也为以后研究模拟微重力条件下其他基因表达量的
变化奠定了基础。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其他
组分的破坏，所以我们认为，Vc 含量的下降同样也
说明拟南芥幼苗对微重力刺激做出了保护性应激反
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。试验结果显示，经模
拟微重力处理，拟南芥体内活性氧含量增加，导致
MDA的升高。MDA的升高表明细胞膜不饱和脂肪
酸被氧化，膜组分发生改变，进而造成膜系统的胁
变，通透性增加［8］。细胞质膜组成与机构的变化引
912
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2011 年第 10 期
起膜上的离子通道或者酶蛋白的变化，将微重力刺
激转化成化学信号或电信号，进入细胞的信号传导
通路影响细胞内的各种生物学过程。
开展微重力对植物生长发育的研究，不仅在植
物生理和生物力学等领域具有十分重要的价值，为
农业生产实践和生物领域发展做出贡献，也可为受
控生态生保系统的建立提供理论支持。总之，微重
力和模拟微重力对植物的影响是多方面的［36］，植
物在微重力条件下的适应和调节的机制还需要更多
的试验来解释，微重力条件下各种植物激素调控的
分子机制，微重力信号的转导机制，膜和细胞亚结构
的变化等还需要更深入的研究［3 7］。
参 考 文 献
［1］ Seibert G． A world without gravity［M］． Noordwijk:The Nether-
lands:ESA Publications Division，2001:121-36．
［2］Ferl R，Wheeler R，Levine HG，Paul AL． Plants in space． Curr Opin
Plant Biol，2002，5:258-63．
［3］邱水莲．微重力与生物学．生物学通报，1994，29(8) :18-20．
［4］West JB． Physiology in microgravity． J Appl Physiol，2000，89:379
［5］Bamsey FM，Graham T，Stasiak M，et al． Canadian advanced life sup-
port capacities and future directions． Advances in Space Research．
2009，44:151-161．
［6］王欣敏，任清荣，傅世密，江丕栋．模拟微重力生物效应回转器的
研制与应用．生物物理学报，1997，13(04) :691-694．
［7］江丕栋，傅世樒，郑克，马顺福．在地面进行微重力生物学实验模
拟用的回转器．生物化学与生物物理进展，1990(2) :141．
［8］李根宝，王高鸿，李敦海，等．微藻对变重力的生物学效应．自然
科学进展，2005，15(2) :134-139．
［9］赵琦，李京淑，徐继，阎田．模拟微重力对芦笋植株 45Ca2 +分布
的影响．航天医学与医学工程，1998，11(1) :30-34．
［10］Arnon DJ． Copper emzymes in isolated chloroplasts，polyphenoloxi-
dase in Beta vulgaris． Plant Physiol，1949，24:1-15．
［11］赵琦，刘敏，蔡伟明．模拟微重力条件对植物幼苗生长的影响．
植物生理学报，2000，26(3) :201-205．
［12］Perbal G，Driss-Ecole D，Rutin J，Salle G． Graviperception of lentil
roots grown in space (Spacelab D1 Mission)． Physiol Plant，1987，
70:119-26．
［13］ Levine HG，Piastuch WC，Growth patterns for etiolated soybeans
germinated under spaceflight conditions． Adv Space Res，2005，36:
1237-43．
［14］ Iversen TH，Odegaard E，Beisvag T，et al． The behaviour of normal
and agravitropic transgenic roots of rapeseed (Brassica napus L．)
under microgravity conditions． J Biotechnol，1996，47:137-54．
［15］Muday GK，Murphy AS． An emerging model of auxin transport regu-
lation． Plant Cell，2002，14:293-299．
［16］ Sobol M，Kordyum E． Distribution of calcium ions in cells of the
root distal elongation zone under clinorotation． Microgravity Sci
Technol，2009，21:179-185．
［17］Boonsirichai K，Guan C，Chen R，et al． Root gravitropism:an ex-
perimental tool to investigate basic cellular and molecular processes
underlying mechanosensing and signal transmission in plants． Annu
Rev Plant Biol，2002，53:421-447．
［18］Geldner N． The Arabidopsis GNOM ARF-GEF mediates endosomol
recycling，auxin，auxin transport，and auxin-dependent plant
growth． Cell，2003，112:219-230．
［19］Steinmann T，Geldner N，Grebe M，et al． Coordinated polar localiza-
tion of auxin efflux carrier PIN1 by GNOM ARF-GEF． Science，
1999，286:316-318．
［20］Li H，Shen JJ，Zheng ZL，et al． The Rop GTPase switch controls
multiple developmental processes in Arabidopsis． Plant Physiol，
2001，126:670-684．
［21］Matía I，Gonzlez-Camacho F，Marco R，et al． Nucleolar structure
and proliferation activity of Arabidopsis root cells from seedlings ger-
minated on the international space station． Advances in Space Re-
search，2005，36:1244-1253．
［22］Matía I，Gonzlez-Camacho F，Herranz R，et al． Plant cell prolifera-
tion and growth are altered by microgravity conditions in space-
flight． Journal of Plant Physiology，2010，167(3) :184-193．
［23］De Micco V，Aronne G． Biometric anatomy of seedlings developed
onboard of Foton-M2 in an automatic system supporting growth． Ac-
ta Astronautica，2008，62:505-513．
［24］ Kutschera U，Niklas KJ． The epidermal-growth-control theory of
stem elongation:an old and a new perspective． J Plant Physiol，
2007，164:1395-1409．
［25］Yin C，Gan L，Ng D，et al． Decreased panicle-derived indole-3-ace-
tic acid reduces gibberellin A1 level in the uppermost internode，
causing panicle enclosure in male sterile rice Zhenshan 97A． J Exp
Bot，2007，58:2441-2449．
［26］Rumi T，Naoki S，Susumu K． Brassinolide-induced elongation of in-
ner tissues of segments of squash hypocotyls． Plant Cell Physiol，
1997，35(7) :1103-1106．
［27］Magyar Z，Veylder LD，Atanassova A，et al． The role of the Arabi-
dopsis E2FB transcription factor in regulating auxin-dependent cell
division． Plant Cell，2005，17:2527-2541．
［28］Daniel JC． Relexation in a high-stress environment:the molecular
bases of extensible cell walls and cell enlargement． The Plant Cell，
1997，9:1031-1041．
［29］Oh MH，William GR，Rachel CS，et al． Soybean BRU1 encode a
functional xyloglucan endotransglycosylase that is highly expressed
in inner epicotyl tissues during brassinosteroid-promoted elonga-
tion． Plant Cell Physiol，1998，39(1) :124-130．
022
2011 年第 10 期 宫喜魁等:模拟微重力对拟南芥幼苗的影响
［30］Hoson T，Soga K，Wakabayashi K，et al． Growth and cell wall changes
in rice roots during spaceflight． Plantand Soil，2003，255:19-26．
［31］ De Micco V，Aronne G，Joseleau JP，Ruel K． xylem development
and cell wall changes of soybean seedlings grown in space． Annals
of Botany，2008，101:661-669．
［32］Gazzarrini S，McCourt P． Cross-talk in plant hormone signalling:what
Arabidopsis mutants are telling us． Ann Bot，2003，91:605-612．
［33］田国忠，李怀方，裘维蕃．植物过氧化物酶研究进展．武汉植物
学研究，2001(4) :332-344．
［34］严重玲，洪业汤，林鹏，等．酸雨胁迫下稀土元素对菠菜膜保护
系统的作用．生态学报，1999，19(4) :543-545．
［35］薛淮，刘敏，王亚林，等．模拟微重力条件下马铃薯的同工酶检
测及 RAPD 产物分析．核农学报，2000，14(4) :218-224．
［36］石轶松，王贵学．微重力和模拟微重力对植物生长发育的影响．
重庆大学学报，2003，26(4) :100-103．
［37］ Ferl R，Wheeler R，Levine HG，et al． Plants in space． Curr Opin
Plant Biol，2002，5:258-263．
(责任编辑 狄艳红)
122