單個體細胞這樣發育成完整植株

單個體細胞如何發育成完整植株？這是植物生命科學領域一個懸而未決的世界難題。2005年，《科學》雜誌在其創刊125週年時列出了125個最具挑戰的關鍵科學問題，它就是其中之一。

近日，山東農業大學牽頭聯合團隊，首次完整揭示了單個植物體細胞如何通過基因重編程“改變命運”，最終發育為完整植株的全過程。該成果在線發表於《細胞》雜誌。

相對動物細胞而言，植物細胞具有更強的發育可塑性。在一定條件下，它們無需受精就能發育成胚胎，這種現象稱為“體細胞胚胎發生”。論文通訊作者、山東農業大學教授張憲省介紹，植物細胞有着獨特的“再生”能力。例如，葉片等任意一種體細胞在經歷重編程後，能迴歸到原始的幹細胞狀態，並進一步進入“體細胞胚胎發生”階段，最終再生為一棵完整的植株。

1902年，科學家就提出了“植物細胞全能性”概念，用以解釋植物細胞的上述能力。即植物細胞可脱分化形成類似受精卵的全能幹細胞，進而發育為完整植株。這一現象廣泛存在於植物界，包括農作物、木本植物，例如，多肉葉片能萌發出新株。但其背後的分子機制始終未解。

為揭開謎團，2005年起，張憲省率領的科研團隊以擬南芥為研究對象開啓探索。

“一片葉子能‘變身’為一株株新植物，我們想知道這種‘命運逆轉’是如何發生的。”論文通訊作者之一蘇英華説。

20年來，團隊先後構建了單個體細胞直接發育成胚胎的實驗技術體系，以及誘導單細胞起源的“體細胞胚胎發生”穩定體系，並首次發現大量生長素的積累是激活細胞全能性的“開關”。藉助先進的科研儀器和前沿生物技術，團隊首次捕捉到單個植物細胞的分裂全過程。

進一步研究後，團隊找到了觸發細胞全能性的“關鍵鑰匙”：葉片氣孔前體細胞特有的基因SPCH，與人工誘導高表達的基因LEC2，二者協同作用形成“分子開關”。“就像轉動一把鎖需要兩把鑰匙，缺一不可。”張憲省説。

兩個關鍵基因如何“點亮”全能性？論文第一作者、山東農業大學副教授唐麗蘋介紹，體細胞胚來源於單個的全能幹細胞，原本註定要發育成氣孔的“前體細胞”，在全能性調控因子LEC2與氣孔發育關鍵因子SPCH的協同作用下，激活生長素合成通路，導致生長素特異性大量積累，致使前體細胞脱離“氣孔發育之路”，轉而成為能夠孕育新生命的全能幹細胞。

在上述發現基礎上，團隊完整記錄細胞命運重塑的完整路徑，揭示了關鍵的命運分岔點。

在從“普通細胞”轉變為“全能幹細胞”的關鍵過渡狀態下，細胞發生了深度的染色質重塑，大量沉默的基因被逐步激活，細胞命運軌跡由此產生分岔，為全能性的建立打開了大門。

這一理論的解析不僅有助於理解植物細胞發育的根本規律，也為精準調控植物再生和定向改良作物性狀提供了全新的思路與技術工具。

目前，該體系在小麥、玉米和大豆等作物上的實驗正同步推進。“未來或可通過精準調控細胞全能性，實現作物優良品種的快速克隆，大幅度縮短育種週期，服務精準設計育種。”張憲省表示，“這也將為珍稀植物種質資源的高效保護、植物合成生物學注入新動力。”