研究简介
随着载人航天活动的增加，微生物在太空环境中的适应性变化成为航天医学与空间生物学的关键议题。蜡样芽孢杆菌（Bacillus cereus）是航天器常见致病菌，可引发食物中毒及严重感染。本研究利用神舟八号飞船将B.cereus送入太空398小时，返回后综合表型、基因组、转录组和蛋白质组学手段，首次系统评估短期太空飞行对该菌的影响，旨在揭示其潜在的毒力与耐药性变化机制，为未来长期载人任务中的生物安全提供依据。菌株搭载于神舟八号，同步地面温控培养作对照。显微镜形态观察、血琼脂溶血实验、17种抗生素纸片扩散药敏试验、Biolog碳源利用谱及Bioscreen C全自动生长曲线测定。Illumina HiSeq 2000完成全基因组测序；RNA-seq获得转录组；iTRAQ-2D-LC-MS/MS进行定量蛋白质组；整合COG、GO、KEGG功能注释与差异表达分析。两株太空株（LCT-BC25、LCT-BC235）较地面株（LCT-BC244）生长速率显著降低；LCT-BC25对阿米卡星抑菌圈缩小50%，提示耐药增强；碳源利用谱出现NaCl、甘露醇等差异。共检出6个SNP（均为同义或基因间），且两太空株均缺失一段约7基因的假定质粒（与Citrobacter/E.coli质粒同源），提示太空环境可诱导质粒丢失。LCT-BC25、LCT-BC235分别差异表达1306/1455个基因、134/81个蛋白；功能集中于能量代谢（质子转运、ATP合成）、脂肪酸及氨基酸代谢、结构蛋白及毒力因子。其中LCT-BC235的非溶血肠毒素nhe显著上调，提示短期飞行即可增强潜在毒力。短期太空飞行即可通过基因组精简（质粒丢失）与转录-翻译层面的代谢重编程，使B.cereus获得生长减缓、耐药提高及毒力因子表达上调等适应性变化。
Bioscreen全自动微生物生长曲线分析仪的应用
使用Bioscreen C生长曲线分析仪及其配套的Bio-link软件监测细菌生长。该程序允许通过记录光密度变化同时测量多达200个测试的生长情况。蜡样芽孢杆菌菌株在37℃的LB液体培养基中过夜培养。取20μl浓度为106CFU/ml的过夜培养物，在Bioscreen C(Lab Systems，Helsinki，Finland)的200孔微孔板(蜂窝培养板)中培养。平板以最大振幅持续振荡，并在37℃下孵育24小时，每孔加入350μl新鲜LB生长培养基。每小时测量600 nm处的光密度(OD)。同时设置一个仅含370μl LB的空白孔。通过对实验数据分析发现两株太空株在5小时后OD显著低于地面株（P<0.05），直观证实了太空飞行导致生长迟缓的表型变化，为后续多组学机制研究提供了定量表型依据。
实验结果
随着人类在空间站更长时间的停留做准备，关键的是更好地理解在太空独特环境中可能诱导的各种微生物关系的变化。研究首次记录了蜡样芽孢杆菌在太空飞行期间发生的表型、基因组、转录组和蛋白质组组合变化的分析。这些结果表明，片段丢失以及代谢、结构和毒力的变化受到空间环境的影响。蜡样芽孢杆菌是否能够在太空飞行后变得更具毒力仍有待观察，这是未来的一个研究领域。研究空间环境对微生物的影响将继续是载人太空探索的重要组成部分，并将有益于空间微生物学。
图1、所研究的三种蜡样芽孢杆菌菌株的生长曲线。通过在Bioscreen C中观察到的生长曲线比较显示，两个飞行株表现出比对照LCT-BC244显著更慢的生长速率，特别是在5小时后。
图2、三种蜡样芽孢杆菌菌株的全基因组同源性分析。
图3、LCT-244支架5中潜在质粒的物理图谱。
图4、LCT-235(A)和LCT-25(B)差异表达基因的COG功能分类。
图5、LCT-235(A)和LCT-25(B)差异表达蛋白质的COG功能分类。
总结
空间环境可通过改变多种特征影响微生物，包括增殖速率、细胞生理学、细胞代谢、生物膜产生、毒力和耐药性。然而，相关机制仍不清楚。为探索空间环境对蜡样芽孢杆菌(Bacillus cereus)的影响，一株蜡样芽孢杆菌于2011年11月1日至2011年11月17日由神舟八号送入太空398小时。同时进行了具有相似温度条件的地面模拟作为对照。飞行后，使用表型、基因组、转录组和蛋白质组技术进一步分析飞行株和对照株，以探索蜡样芽孢杆菌在空间环境中的差异。与地面对照株相比，飞行株表现出显著更慢的生长速率、显著更高的阿米卡星耐药水平以及代谢变化。太空飞行后，在飞行株LCT-BC25和LCT-BC235中发现了三个多态性位点。进行了转录组和蛋白质组联合分析，该分析显示飞行株在代谢相关的基因/蛋白质方面发生了变化。Bioscreen C生长曲线分析仪量化太空环境对B.cereus增殖动力学的影响。直观证实了太空飞行导致生长迟缓的表型变化，为后续多组学机制研究提供了定量表型依据。此外某些与结构功能、基因表达修饰和翻译以及毒力相关的基因/蛋白质也发生了改变。我们的研究首次记录了蜡样芽孢杆菌在太空飞行期间发生的表型、基因组、转录组和蛋白质组变化的分析，其结果可能对空间微生物学领域有益。
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