中科院分子植物卓越中心在中国空间站开展LAZY家族蛋白响应微重力调控植物株型研究

以下文章来源于中科院分子植物卓越中心 ，作者CEMPS

北京时间6月4日6时33分，神舟十五号飞船返回舱在酒泉东风着陆场成功着陆（图1）。当即，随舱下行的载人空间站第四批空间科学实验样品在着陆场交付空间应用总体，并于当天中午返回北京，顺利运抵中科院空间应用工程与技术中心，空间应用系统总体的相关人员进行了实验样品基本状态检查，确认返回样品完好后，随即交接给相关实验项目责任科学家（图2）。

返回的空间科学实验样品中包含了中国科学院分子植物科学卓越创新中心的拟南芥野生型、突变体和转基因材料。相关的植物材料经过4-6周的空间培育生长，获得了完整的从幼苗期到抽薹期株型发育相关图像 (图3)。这些返回拟南芥样品是在实验结束时在微重力环境中实时-80℃冷冻固定的, 它们将带回中科院分子植物卓越中心实验室继续进行研究分析。

研究背景

植物茎的负向地性生长是一个非常复杂的过程，它在保持植株的株型，减轻倒伏和提高产量等方面具有重要意义。尽管人们对植物向重性生长的研究取得了一些进展，但该过程的具体机制还不明了。植物特有的经典LAZY蛋白保守地在重力信号转导途径中发挥重要的作用。lazy1和lazy12346突变体负地性生长能力(部分)缺失，lazy1植株表现为侧枝倒垂生长，lazy12346显示匍匐生长表型，失去负向重性生长能力。研究团队还发现一类非经典LAZY蛋白，它在调控株型功能上与LAZY1完全相反，作用机理也完全不同，该基因的过表达植株在地面1g重力条件下，也表现为侧枝分枝角度显著增大或地上部分负向地性完全丧失的表型 (图4)。

项目介绍

在我国空间站生命科学项目中，中国科学院分子植物科学卓越创新中心蔡伟明研究团队承担了“空间微重力环境调控植物细胞结构和功能的分子网络研究”，首次在空间开展了拟南芥和水稻LAZY家族突变体和转基因植物的研究。通过利用中国空间站问天舱生命生态柜大通培植物生长单元，培育了经典LAZY蛋白对应的lazy1和lazy12346突变体，以及过表达水稻非经典LAZY蛋白转基因植株。着重分析空间飞行条件下，微重力对植物株型的影响以及探讨LAZY家族蛋白介导植物微重力感受和调控株型的重要功能。从2022年11月29日发射神舟十五号载人飞船入轨后，安装设备、通电运行至2023年1月10日结束实验，本项目在轨开展了41天实验，覆盖了拟南芥从幼苗期到抽薹期的生长周期。期间航天员在轨进行了两次样品采集，采集到的植物样品保存于- 80 ℃低温存储柜中。2023年6月4日，样品随神舟十五号返回舱返回地面。在北京完成交接样品后，将转运至上海实验室中做进一步检测分析。

初步完成的实验内容

01

在轨观察从幼苗到抽薹期的株型和对获取图像的初步分析；

02

获得返回地面的完整植株样品，用以后续分析。通过将空间获取的图像和地面对照比较，发现空间微重力环境能恢复lazy1单突和lazy12346多突的侧枝角度大和匍匐生长的表型；同时，过表达非经典LAZY蛋白的地上部分向重性缺失植株的表型在微重力条件下也基本恢复。

后续将着重关注的研究方向

01

经典lazy1突变体的株型在地面表现为更为松散，侧枝夹角变大；空间微重力条件下，lazy1株型恢复到野生型对照水平，研究团队推测可能是由于微重力条件下lazy1突变体茎的向光性增强的原因。lazy1突变体为研究植物茎向光性和负向重性协调提供了很好遗传材料。

02

非经典LAZY蛋白过表达转基因植株在地面1g重力条件下茎负向重性丧失，可能是由于转基因植株茎的周边组织细胞胞间连丝通透性失衡以及由此导致的生长素梯度分布无法建立有关。由于植物细胞质外体是通过胞间连丝彼此联通, 非经典LAZY蛋白通过调控胞间连丝的通透性来影响生长素的梯度分布，从而决定植物茎负向重性和株型。该基因功能的进一步揭示为空间作物的株型调控提供了新的思路。

03

今后利用改造LAZY家族基因来促进不同重力条件下植物株型设计为适应空间微重力等环境提供了新方向。后续研究团队将进一步利用返回材料对拟南芥适应空间环境的分子基础进行深入研究。

为确保项目高质量的实施，在中国科学院空间应用工程与技术中心总体的统一指挥、调度、安排下，团队科研人员蔡伟明、徐佩佩、胡金波和许大钊（中国科学院上海技术物理研究所）（图5）等先后赶赴酒泉卫星发射中心和北京的中科院空间应用中心，从实验室搭建、样品准备、实验装置状态确认和操作细则编制等方面开展了周密的工作。

未来可期

此外，在今年5月30日刚刚发射的神舟十六号载人飞船（图6）上搭载的五项空间生命科学实验中也包含了中科院分子植物卓越中心蔡伟明研究团队承担的小离心机实验单元的研究任务 (图7)。这次任务主要针对从种子萌发到生长十天的幼苗阶段开展实验。研究团队在前期工作的基础上，加入了一个微重力条件下的1g离心对照，以更好鉴别空间微重力的生物学效应。最终，研究团队会综合神舟十五号和神舟十六号的研究结果，获取新的科学认识，并与实际应用联系起来，改造作物品种，提高农作物产量。

本文转载自中科院分子植物卓越中心

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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