2021年7月2日，国际学术期刊Communications Biology在线发表了中科院分子植物科学卓越创新中心光合作用与环境生物学实验室蔡伟明研究组题为 “potential evidence for transgenerational epigenetic memory in Arabidopsis thaliana following spaceflight” 的研究论文。这是在前期利用“实践十号”返回式卫星发现空间飞行微重力对植物DNA甲基化水平影响 (Xu. et al, npj Microgravity, 2018) 的基础上开展的后续研究。进一步揭示了空间微重力对DNA甲基化影响在子代的遗存并影响子代基因的表达情况，随着后代繁育次数的增加这种影响会逐渐减弱。

“实践十号”返回式科学实验卫星是我国首颗微重力科学实验卫星，在酒泉卫星发射中心由长征二号丁运载火箭发射升空。“实践十号”在太空中完成19项微重力科学和空间生命科学实验，是单次开展科学实验项目最多的科学卫星。其科学目标是研究、揭示微重力条件和空间辐射条件下物质运动及生命活动的规律。“实践十号”总设计寿命15天，回收舱在内蒙古四子王旗着陆。“实践十号”卫星的成功发射为促进我国空间科学创新发展具有重大意义。下一步，随着中国空间站的建成，我国的空间植物生物学将会迎来新的发展机遇，将促进人类探索利用外太空以及未来太空受控生态生保系统的构建。

重力作为一个地球上存在的恒定矢量，它对植物的生长非常重要。微重力环境是研究重力作用的独到场景。之前我们的研究发现了在空间飞行60 h的拟南芥基因组DNA甲基化水平显著降低 (npj Microgravity, 2018)。为了研究空间飞行引发的DNA甲基化的变化是否会传递给后代从而形成植物胁迫记忆，我们利用“实践十号”返回式科学研究卫星在微重力环境下生长11 d的拟南芥幼苗返回地球后得到的子代，研究了空间飞行对子代DNA甲基化、转录组及表型的影响。

我们对当代和F1代进行了全基因组甲基化分析和转录组分析，结果显示尽管F1代的基因组DNA甲基化水平未有类似于在其亲本植物中观察到的显著差异，但也检测到一些DNA甲基化差异残留的印迹，说明空间飞行引起的DNA甲基化差异有些可以遗传给子代；通过对DNA甲基化差异和基因表达差异的联合分析及GO和KEGG的富集分析，我们发现F1代中共同变化的81个基因集中在诸如ABA信号途径、蛋白磷酸化和硝酸盐信号途径等方面。在F1代中我们仍能观察到空间飞行引起的植物根长增加、早花等表型差异，其中根长增加这一表型在F2代中仍有保留，说明这些表观遗传的DNA甲基化修饰可能被部分保留并导致后代出现表型差异。我们在81个基因中选择了一些在F2代中通过重亚硫酸盐测序和实时荧光定量pCR的方法对其甲基化水平差异区域的DNA甲基化水平和基因表达量进行验证，发现光合相关基因LHCA1、硝酸盐信号参与基因TGA4和TGA1在F2代中基因表达量和DNA甲基化水平呈负相关。其中TGA4和TGA1的表达量显著增加，推测这两个硝酸盐信号基因可能参与了促进空间飞行组后代氮吸收和主根的生长。作为空间飞行实验的地面后续研究，我们发现空间飞行引起的表观遗传修饰的变化影响了后代植物的生长，这项研究将有助于更好地理解植物对空间飞行环境的适应机制。

光合作用与环境生物学实验室徐佩佩副研究员和陈海莹助理研究员(已离职)为共同第一作者，蔡伟明研究员为通讯作者，博士生胡金波参与了该工作。该研究得到了国家自然科学基金委和中国科学院等项目的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s42003-021-02342-4

空间飞行微重力对植物DNA甲基化的影响及其传代效应研究