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空间不同LET粒子对水稻miRNAs及其靶基因表达的影响研究

一、引言

1.1研究背景与意义

1.1.1空间辐射环境概述

空间辐射环境主要由银河宇宙射线（GCR）、太阳宇宙射线（SCR）和地球辐射带组成。银河宇宙射线源自太阳系外，包含电子及元素周期表中各类原子核，前28种核离子是主要成分，其中质子约占88%，α粒子约占10%，其余为重核子，能量范围在40MeV-10TeV，平均能量约3500MeV，其能谱变化与太阳活动期相关，太阳活动低年时，银河宇宙射线积分注量较高，高能粒子（＞10GeV）基本不变，低能部分粒子变化明显。太阳宇宙射线由太阳粒子事件（如太阳耀斑和日冕质量喷射）产生，能量范围一般为1MeV-10GeV，多数在1MeV-几百MeV，主要是质子流（占90%以上），每次爆发强度和能谱不同，持续时间从几小时（太阳耀斑）到几天（日冕质量喷射）不等。地球辐射带通常分为内辐射带和外辐射带，内辐射带距地面较近，中心位置高度为3000km-1r?（r?为地球半径）左右。

这些辐射粒子具有不同的线性能量转移（LET）特性。LET指带电粒子在单位长度径迹上传递给介质的平均能量，低LET辐射如X射线、γ射线，其能量在介质中分散分布，对生物分子的损伤相对随机；高LET辐射像重离子（如铁离子），能量在小范围内高度集中沉积，能产生更密集和严重的生物分子损伤，一个高LET粒子的径迹就能对细胞内关键分子如DNA造成难以修复的复杂损伤。不同LET粒子会引发不同程度和类型的生物效应，低LET辐射可能导致DNA单链断裂等相对较轻损伤，细胞有一定修复能力；高LET辐射易造成DNA双链断裂、染色体畸变等严重损伤，且修复困难，可能引发细胞死亡、基因突变或致癌等严重后果，对生物遗传物质稳定性和细胞正常功能影响巨大。

1.1.2植物在空间环境中的研究进展

从20世纪50年代起，随着人类航天活动开展，植物空间实验不断推进。早期主要探索植物在空间环境下的基本生存能力，如能否萌发、生长、开花和产生种子。随着技术发展，研究拓展到植物对空间环境响应机制。在各种空间飞行器中已进行20多种植物的培养实验，在空间完成了拟南芥、油菜、豌豆和小麦“从种子到种子”的培养。2022年中国空间站完成水稻从种子到种子全生命周期培养实验，发现水稻株型在空间更为松散，矮秆水稻更矮，高秆水稻高度无明显影响，生物钟控制的叶片生长螺旋上升运动更凸显，开花时间提前，灌浆时间延长，大部分颖壳不能关闭，还成功开展再生稻实验，剪株后20天再生出2个稻穗。

水稻作为全球重要粮食作物，是未来载人深空探测生命支持系统主要候选粮食作物之一。利用空间微重力进行水稻育种是空间植物学重要方向，研究空间环境对水稻生长发育影响，对未来太空粮食生产意义重大。其生长发育、生理生化过程和基因表达等方面受空间环境因素（如微重力、辐射等）显著影响。解析这些影响的分子机制，有助于培育适应太空环境的水稻品种，保障未来长期太空探索粮食供应。

1.1.3miRNA及靶基因研究现状

miRNA是一类长度约21-24个核苷酸的内源性非编码小分子RNA，在植物生长发育和响应环境应答过程中发挥关键作用。通过与靶基因mRNA互补配对，以mRNA切割和蛋白翻译抑制两种方式调控靶基因表达。如miR156通过调控靶基因SPL家族转录因子，参与植物生长发育多个过程，包括营养生长向生殖生长转变、叶片形态建成、侧枝发育等；miR393通过调控生长素受体基因TIR1/AFBs，影响植物生长素信号传导，参与植物对逆境胁迫响应和生长发育调控。

在植物响应空间环境方面，虽然已有研究表明空间环境会影响植物生长发育和基因表达，但对miRNA及其靶基因在其中的调控机制研究仍较少。目前对空间不同LET粒子如何影响水稻miRNA及其靶基因表达，以及这些变化如何影响水稻生长发育和适应空间环境，尚缺乏系统深入研究。深入开展该研究，有助于揭示植物响应空间辐射环境的分子机制，为空间植物栽培和育种提供理论依据。

1.2研究目的和内容

1.2.1研究目的

本研究旨在深入探究空间不同LET粒子对水稻miRNAs及其靶基因表达的影响，解析其调控网络和分子机制，为揭示植物响应空间辐射环境的分子机理提供理论依据，同时为未来空间植物栽培和育种提供新思路，助力解决长期太空探索中的粮食保障问题。

1.2.2研究内容

分析空间不同LET粒子辐射下水稻的表型变化：对经历空间不同LET粒子辐射的水稻进行表型观察与分析，涵盖株高、分蘖数、生长速率、开花时间、结实率等生长发育指标，明确不同LET粒子辐射对水稻外