随着人类准备进行长期太空任务，开发能够整合食物、氧气和药物生产的可持续生命支持系统变得至关重要。高等植物是此类生物再生式生命支持系统的核心组成部分。然而，太空环境中的微重力条件会对植物进化过程中所依赖的重力感应、发育和生理过程产生深远影响，例如干扰生长素介导的向性反应和气体/液体运输。目前，关于在微重力下药用植物能否维持其具有治疗价值的植物特异性代谢物的生物合成，尚未明晰。

近日，来自上海辰山植物园的杨俊/王红霞团队联合美国肯塔基大学的袁凌教授团队在Engineering期刊（IF=11.1）上发表了题为Sustained Growth and Terpenoid Indole Alkaloid Biosynthesis in the Medicinal Plant Catharanthus roseus under Simulated Microgravity的研究论文，研究综合利用表型分析、转录组、代谢组和单细胞分析技术，系统地评估了模拟微重力对长春花生长和代谢的全面影响，为太空农业和生物制造提供了重要见解。

贝纳基因参与了该项目二代转录组测序工作。

研究结果

1. 模拟微重力改变长春花的生长发育形态

研究通过三维回转器模拟微重力条件，探究其对药用植物长春花的生长发育表型的影响（图1a），结果显示，与静态对照（CK）相比，微重力处理（MG）的16天幼苗和12周成熟植株均表现出高度降低但更为粗壮的形态（图1b-c）。生物量测量证实，微重力条件下，幼苗的全株、根和茎生物量均显著增加（图1d），表明资源分配发生了改变。进一步的器官测量显示，微重力导致下胚轴长度显著缩短，而根长则显著增加，且根系呈现卷曲增厚的形态（图1e），同时幼苗的真叶面积也显著大于对照（图1f-g）。这些结果表明，模拟微重力虽然抑制了垂直生长，但可能通过促进侧向生长和生物量积累，触发了植物的发育适应性。

图1：模拟微重力改变长春花的生长发育形态

2. 转录组与共表达网络分析揭示微重力诱导的分子重编程

为探究微重力影响调控的分子机制，研究验证了已知的微重力maker基因（如PIN4, SAUR36）在长春花中的表达，发现其变化趋势与文献报道一致（图2a）。转录组分析显示，在幼叶和成熟叶中，微重力分别引起了551和646个基因的表达上调（图2b）。GO富集分析表明，上调基因与生长素稳态、氧化应激响应相关，而下调基因则富集于防御反应和特化代谢过程（图2c）。通过整合已发表的长春花叶片单细胞转录组数据，研究发现微重力响应基因主要富集在叶肉、表皮和异细胞中（图2d）。进一步的加权基因共表达网络分析（WGCNA）鉴定出两个与微重力处理显著正相关的基因模块（图2e），其功能涉及生长素信号传导和类异戊二烯生物合成，并筛选出PIN4、ARF3等枢纽基因，揭示了微重力扰动激素信号和代谢调控的转录网络。

图2：转录组与共表达网络分析揭示微重力诱导的分子重编程

3. 微重力对TIA生物合成途径的影响有限

通过对萜类吲哚生物碱TIA生物合成通路的基因表达分析发现（图3a），尽管提供前体的MEP途径部分基因（如DXS）表达下调，但下游大多数核心生物合成基因（如STR, TDC）的表达在微重力下保持稳定（图3a）。单细胞转录组数据清晰地展示了TIA合成路径在不同细胞类型（如IPAP细胞、表皮细胞、异细胞）中的精细区室化分布（图3b），对其中关键转录调控因子（如ORCA家族、BIS1, MYC2）的分析显示，其中多数表达未受微重力显著影响（图3c）。这表明，在无菌无生物胁迫的条件下，模拟微重力并未强烈抑制TIA的生物合成机制。

图3：微重力对TIA生物合成途径的影响有限

4. 微重力改变TIA积累并揭示基因-代谢物关联

靶向代谢检测显示，在幼叶中，文多灵和长春质碱等关键萜类吲哚生物碱TIA中间体含量稳定，而在成熟叶中，终产物长春碱和脱水长春碱含量有轻微但不显著的下降（图4a）。主成分分析（PCA）表明微重力处理样本和对照样本能清晰分离，表明微重力引起了广泛的代谢重编程（图4b）。幼叶和成熟叶中差异积累的萜类化合物数量进一步证实了代谢变化的阶段特异性（图4c）。基因-代谢物相关性分析发现（图4d），部分转录因子和细胞周期相关调控因子（EDE1, MAD2）在幼叶中被微重力特异性诱导上调，并与文多灵和长春质碱含量呈正相关，推测微重力可能通过影响发育和细胞分裂等过程间接调控TIA生物合成的新机制。

图4：微重力改变TIA积累并揭示基因-代谢物关联

研究结论

本研究首次系统地证实了药用植物长春花能够在模拟微重力环境下完成其生命周期（包括成功开花），并基本维持其合成极高药理价值的萜类吲哚生物碱（特别是长春碱和长春新碱）的能力。虽然微重力作为一种环境胁迫因子，引发了植物形态、发育和转录组的显著重编程，但长春花的特化代谢系统表现出较强的韧性。该研究不仅深化了我们对植物适应空间环境机制的理解，更重要的是，它将长春花确立为一种极具潜力的“双用途”作物，为未来基于太空的生命支持系统提供了新的可能性，并为长期深空探索任务中实现生物制造和医疗自足奠定了坚实的科学基础。

参考文献：

Lyu R, Meng Y, Jiang Z, et al. Sustained Growth and Terpenoid Indole Alkaloid Biosynthesis in the Medicinal Plant Catharanthus roseus under Simulated Microgravity[J]. Engineering, 2025.

Direct RNA测序

——RNA Modified Bank

Direct RNA Sequencing（DRS）是指基于 Nanopore 测序平台，不经反转、无需扩增，直接读取含有Poly(A)尾的全长RNA（而不是cDNA），可以检测 RNA 分子上的 m6A、m5C、假尿苷、肌苷和2-O-甲基化等修饰位点，准确分析可变剪接、融合基因和鉴定新异构体；此外，还可对 Poly(A) 尾长进行相对准确的估算，还原真实 RNA 特征，并且实现转录本的表达水平准确定量。

技术优势

1.单碱基水平RNA 修饰（m6A、m5C、假尿苷、肌苷和2-O-甲基化等）

2.单分子read 的poly(A)长度

3.准确率大幅提升（reads质量中位值达Q20，m6A的识别准确率98.7%，假尿苷Ψ (97.6%)，m5C (97.9%)，肌苷 (inosine, 98.8%) ，2-O-甲基化（96%以上））

贝纳基因现已完成5000+样本的Direct RNA测序服务，覆盖人细胞和肿瘤，动植物组织和细胞、真菌、病毒等各种类型的样品，并发表多篇高水平文章。