空间生命科学与生物技术研究进展、应用及前景分析

利用生物技术实验柜开展了空间微重力下的人胚 胎干细胞的早期造血分化实验，首次 在轨实现人多能干细胞分化出造血干细胞 / 前体 细胞。

1.微重力下利用开花基因调控植物开花时间的分子途径

研究进展

利用生命生态实验柜开展了三种不同开花时间 （正常开花、晚花和早花）的拟南芥在空间微 重力条件下的开花调控机理研究。 利用返回的拟南芥实验材料，获得了不同开花 时间的拟南芥响应微重力的天地比对转录组和 生长发育表型数据，首次发现了微重力条件下 拟南芥开花时间调控的关键分子模块 GI-CO-FT 的特异性转录因子（包括四类 bZIP、 bHLH、 BES 和 SBP 家族转录因子），通过 GCC- 和 CAGTG- 两类转录调控元件来调控拟南芥开花 途径中的关键基因。该项研究不仅深 入解析了植物通过调整开花时间适应空间微重 力的分子机理，也为利用相关转录调控元件作 为分子开关控制空间植物的开花时间，构建具 有较强空间环境适应能力的植物，提高其产量 和品质提供了新的途径。 国际上首次在空间完成水稻“从种子到种 子”的全生命周期培育，成功获得空间发育的 水稻和再生稻新的种质资源，并在返回地面后 实现了大田种植，证明在空间站发育的水稻种 子具有活力和繁殖能力，相关研究获得了 2023 年度上海市科技进步奖二等奖。

应用及前景

本研究解析的微重力调控开花分子开关（转录 调控元件）及其调控开花机理的研究结果，可 为创制适应于长期空间微重力的植物新品种提 供候选基因，对于指导空间和地面植物育种实 践，推动水稻新品种改良和培育具有重要意义。 在地面植物工厂化生产方面具有潜在应用前景， 也为未来载人深空探测中粮食的原位生产提供 了直接实验证据和理论基础。

2.空间站水生生态系统在轨稳定运行及斑马鱼培养

研究进展

本研究利用斑马鱼和金鱼藻组成密闭水生生态 系统，安装在生命生态柜进行空间实 验，实现了水生生态系统气体平衡和长期稳定 运行。通过天地比对发现，空间水生 生态系统溶解氧等参数在运行初期振荡较大， 而在后期逐渐变小，反映了空间水生生态系统 的高鲁棒性；斑马鱼在轨出现背腹面颠倒游泳、 旋转运动、转圈等空间运动行为异常现象；金 鱼藻在轨则一直保持较高光合作用活性。空间 站水生生态系统正常运行 43 天，获得了空间水 生生态系统在轨运行的最长国际纪录，实现了 我国在空间站培养斑马鱼及在轨产卵的突破， 同时在利用光照调节金鱼藻光合作用和系统内 溶解氧方面也取得很好的调控效果。相关研究 结果发表在《The Innovation》等期刊，并被新 华社和中央电视台多次报道。

应用及前景

本研究为后续利用斑马鱼作为动物模型进行航 天员空间健康研究建立了实验平台，为未来构 建空间生态系统提供了良好的生物元件。

3.空间微重力下人胚胎干细胞早期造血分化

研究进展

利用生物技术实验柜开展了空间微重力下的人胚 胎干细胞的早期造血分化实验，首次 在轨实现人多能干细胞分化出造血干细胞 / 前体 细胞。获取了在轨干细胞连续生长和分化的高 清细胞影像，各单元细胞均完成造血分化，分 化出鹅卵石样的造血细胞。通过天地比对实验， 验证了在轨分化出的细胞为造血干 / 前体细胞 ，发现空间微重力环境效应有望促进 人胚胎干细胞向造血干 / 前体细胞的分化效率。 研究成果不仅为进一步开展太空早期造血研究 提供理论和技术依据。

应用及前景

本研究有望利用微重力环境效应改进干细胞培 养体系，提高多能干细胞到造血干 / 前体细胞 的分化效率，为解决地面干细胞早期造血分化 效率低的问题提供了新思路，为血液疾病患者 提供更有效的治疗方法，从而有望推动生物制 造业的发展。

4.空间微重力影响干细胞成骨分化的作用机理

研究进展

利用生物技术实验柜开展了人骨髓间充质干细 胞成骨诱导分化实验，在国际上首次解析了微 重力抑制骨髓间充质干细胞成骨分化的表观调 控机制。通过天地比对实验，发现 了微重力环境通过调控 DNA 甲基化修饰，诱 导细胞代谢重编程，导致干细胞成骨分化能力 显著下降，并促使其转变为脂肪样细胞的作用 机制，诠释了航天员在长期失重状 态下出现骨量流失的重要成因，筛选并验证了 10 余个潜在分子靶点。开发了基于长链非编码 RNA AC 的基因治疗方法，为骨折修复和骨流 失防护提供了新的技术手段。研究成果发表于 《Cellular and Molecular of Life Sciences》等国 际主流期刊。

应用及前景

针对微重力导致骨流失的分子靶点，可靶向性 地开发干预空间骨流失和地面骨质疏松的小分 子和干细胞药物，为航天员健康提供新的保障 策略。

5.微重力通过影响细胞自噬导致肌萎缩的作用机制

研究 进展

利用生物技术实验柜成功实现了小鼠骨骼肌细 胞的在轨培养和分化 ( 图 2-9)，观察到了细胞 融合和肌管形成等现象。在国际上首次利用骨 骼肌细胞自噬荧光报告系统 ( 图 2-10)，通过天 地比对分析发现了空间微重力环境影响骨骼肌 细胞自噬的规律。利用高通量测序获得了空间 骨骼肌细胞基因表达图谱，发现了空间微重力 环境通过影响自噬导致肌萎缩的可能机制及潜 在分子靶标。

应用 及 前景

本研究未来有望通过特定药物、调整饮食结构 或运动方式等手段来调控自噬流，从而改善航 天员的健康状况。研究成果可推广应用于地面 的肌少症患者及长期卧床病人，为对抗肌肉萎 缩问题提供新的解决方案。