單個植物體細胞如何發(fā)育為完整植株？9月16日，著名學(xué)術(shù)期刊《細胞》在線發(fā)表中國科學(xué)家的科研成果，首次完整揭示了這一全過程。該成果不僅破解了困擾科學(xué)界百余年的“植物細胞全能性”機制之謎，也為作物遺傳改良與高效再生提供了全新理論支撐。

氣孔前體細胞的兩條發(fā)育路徑的模式圖。受訪者提供

1902年“植物細胞全能性”概念被提出，即植物細胞可脫分化形成類似受精卵的全能干細胞，進而發(fā)育為完整植株，但其背后的分子機制始終未解。

為揭開謎團，2005年起，論文通訊作者、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)張憲省教授率領(lǐng)的科研團隊以擬南芥為研究對象開啟探索。20年來，團隊先后構(gòu)建了單個體細胞直接發(fā)育成胚胎的實驗技術(shù)體系，以及誘導(dǎo)單細胞起源的體細胞胚胎發(fā)生的穩(wěn)定體系，并首次發(fā)現(xiàn)細胞全能性激活的“開關(guān)”是大量生長素的積累。

植物體細胞重編程形成全能干細胞的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。受訪者提供

利用應(yīng)用掃描電鏡、先進的單細胞測序、顯微切割轉(zhuǎn)錄組測序與活體成像等前沿技術(shù)，科研人員首次捕捉到單個植物細胞的分裂全過程，直觀證實了植物細胞全能性的“單細胞起源”，回答了學(xué)術(shù)界長期存在的疑惑。

團隊通過深入研究，找到了觸發(fā)細胞全能性的“關(guān)鍵鑰匙”：葉片氣孔前體細胞特有的基因SPCH，與人工誘導(dǎo)高表達的基因LEC2，二者協(xié)同作用形成“分子開關(guān)”。“就像轉(zhuǎn)動一把鎖需要兩把鑰匙，缺一不可。”張憲省說。

張憲省教授（右）和蘇英華教授在討論。受訪者提供

論文通訊作者之一、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)教授蘇英華介紹，團隊完整記錄了細胞命運重塑的完整路徑，揭示了關(guān)鍵的命運分岔點。在從“普通細胞”轉(zhuǎn)變?yōu)椤叭芨杉毎钡年P(guān)鍵過渡狀態(tài)下，細胞發(fā)生了深度的染色質(zhì)重塑，大量沉默的基因被逐步激活，細胞命運軌跡由此產(chǎn)生分岔，為全能性的建立打開了大門。

該研究在國際上首次全面解析了單個植物體細胞重編程形成全能干細胞并再生完整植株的分子機理。中國科學(xué)院院士種康認為，該研究不僅深化了對植物細胞全能性機理的理解，也為破解農(nóng)業(yè)生物技術(shù)長期存在的“再生瓶頸”開辟了新路徑。據(jù)介紹，目前，該體系在小麥、玉米和大豆等作物的實驗正同步推進。