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太空“微”世界:中国空间站微生物生态研究首度全景揭秘

距离地球约400公里高度运行的空间站,不仅是人类在地外空间的大型科学实验平台,更是人类迈向深空探索的前哨站。空间站内微重力、辐射、密闭、寡营养等复杂条件相互交织,与人类共生的微生物对舱内生态系统和材料设备的影响作用不可忽视。空间站微生物群落的形成、分布、生态维持机制,以及微生物与空间环境、航天员之间的物质与能量的传递和交换,都已成为前沿科学问题。同时,空间微生物的研究对于保障载人航天任务、开展地外生命探索以及开发和利用微生物资源,均具有极其重要的意义。


Science China Life Sciences(《中国科学:生命科学》英文版)在线发表由航天神舟生物科技集团有限公司北京空间飞行器总体设计部中国农业大学等合作的题为“An early microbial landscape: inspiring endeavor from the China Space Station Habitation Area Microbiome Program (CHAMP)”的研究论文。

该研究首次全景式解读了我国空间站运营早期的环境微生物群落特征和时序性变化,不仅为我国空间站微生物生态研究提供了重要的基础数据,还为未来长期载人航天任务中的微生物管理提供了科学依据。


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研究团队精心设计并开展了多批次、全舱段、全景式的居留舱微生物监测任务(CHAMP),综合运用宏基因组学、比较基因组学和微生物培养法等技术手段,深入解析了我国空间站内微生物群落的结构、功能、动态变化及适应机制(见图1)。通过与国际空间站(International Space Station, ISS)的对比分析,该研究建立了我国空间站运营早期环境微生物水平的研究基线,并探讨了微生物在地外空间长期驻留形成的共同特征与模式。
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图1 中国空间站居留舱微生物监测计划的采样设计与环境微生物整体调查结果。

(A)中国空间站与地面AIT(航天器总装、集成、测试)中心环境样本采集位点信息;(B)中国空间站环境微生物采集模块与实施;(C)对中国空间站与地面AIT环境样本培养得到的微生物分类;(D)中国空间站与ISS不同批次在多采样位点上的相对丰度展示;(E)中国空间站环境样本与ISS环境样本物种组成在不同分类水平上相对丰度差异。

研究系统性解析了中国空间站早期两个批次数据与国际空间站样本的对比结果,揭示了微生物群落组成格局的共性与差异性、微生物物种共生格局以及位点驻留情况。同时,基于空间站和地面AIT(航天器总装、集成、测试)中心的关键分离物种的种内变异模式,初步探讨了微生物的空间适应性及其可能的遗传层面驱动力。得到了以下结论:

(1)我国空间站处于运营早期,环境微生物群落主要由人类相关微生物主导。与国际空间站相比,无论是物种组成还是功能组成上,差异十分显著。

(2)共现性网络分析显示我国空间站内微生物互作以细菌-细菌为主,且同属细菌之间的共现性最为显著;而在国际空间站内,存在细菌与真菌高度的共现性关系(见图2)。

(3)不同航天员乘组轮值的时间因素对空间站内微生物群落的组成和功能存在显著的时序性影响,而微生物的空间分布特征则相对稳定。对一些高丰度物种的种下变异分析揭示了微生物在空间站内的传播和定殖效应。

(4)比较基因组分析表明,分离自空间站环境的尼尔属(Niallia)微生物与来自地面AIT中心的近源菌株在生物膜形成和抗逆性方面存在遗传差异,有很强的空间环境选择效应。

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图2 中国空间站和国际空间站微生物种水平共现性网络。

该研究是首次以微生物组学视角全景展现我国空间站运营早期环境微生物变化,标志着我国空间微生物研究领域向前迈出了重要一步。

航天神舟生物科技集团有限公司袁俊霞研究员为第一作者,航天神舟生物科技集团有限公司印红研究员、中国农业大学生物学院史文聿副教授为论文的共同通讯作者。北京空间飞行器总体设计部同仁给予了该研究大力支持。研究得到空间站工程航天技术试验项目、国家自然科学基金面上项目的资助。



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