科技日報記者 王延斌 通訊員 王靜

“單個體細胞如何發(fā)育成完整植株？”這個問題被《科學》雜志列為“最具挑戰(zhàn)的125個關鍵科學問題之一”，也是植物生命科學領域懸而未決的世界難題。如今，這一問題被中國團隊破解。山東農(nóng)業(yè)大學張憲省教授和蘇英華教授研究團隊世界首次完整揭示了單個植物體細胞如何發(fā)育為完整植株的全過程，從而破解了困擾科學界的“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。9月16日，相關成果在線發(fā)表于《細胞》雜志。

“這是一個重大的突破性進展。”中國科學院院士楊維才表示?！霸撗芯吭趪H上首次明確了植物全能干細胞的起源?！敝袊茖W院院士種康認為，該發(fā)現(xiàn)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)生物技術長期存在的“再生瓶頸”開辟了新路徑。

據(jù)了解，“植物細胞全能性”指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。

張憲省向記者表示，較動物細胞而言，植物細胞具有更強的發(fā)育可塑性，在一定條件下，它們無需受精就能發(fā)育成胚胎，這種現(xiàn)象被稱為“體細胞胚胎發(fā)生”。植物細胞還有著獨特的“再生”能力，任意一種植物的體細胞在經(jīng)歷重編程后能夠回到原始的干細胞狀態(tài)，并進一步進入“體細胞胚胎發(fā)生”階段，最終再生為一株完整的植株。植物體細胞經(jīng)過重編程，從“普通細胞”轉變?yōu)椤叭苄耘咛ァ钡暮诵拿孛芤恢蔽幢唤衣?。在蘇英華看來，“就像一片葉子本應永遠是葉子，但它卻能‘變身’為一株新植物，這種‘命運逆轉’如何發(fā)生？”

自2005年起，上述團隊以擬南芥為模型展開探索，開啟了一場持續(xù)20年的科研“馬拉松”。20年來，該團隊先后構建了單個體細胞直接發(fā)育成胚胎的實驗技術體系和誘導單細胞起源的體細胞胚胎發(fā)生穩(wěn)定體系，并首次發(fā)現(xiàn)細胞全能性激活的“開關”是大量生長素的積累?？蒲腥藛T利用先進的單細胞測序、顯微切割轉錄組測序與活體成像等前沿技術，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”，回答了學術界的疑惑。

該團隊通過深入研究，找到了觸發(fā)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(xié)同作用形成“分子開關”。張憲省將之比喻為，“就像轉動一把鎖需要兩把鑰匙，缺一不可。”

蘇英華表示，他們完整記錄了細胞命運重塑的完整路徑，揭示了關鍵的命運分岔點：一條路徑是氣孔前體細胞繼續(xù)分化為氣孔；另一條路徑是在大量合成內源生長素的推動下，單個體細胞被重編程為全能干細胞，走上胚胎發(fā)育之路。

科研人員將這一關鍵過渡狀態(tài)命名為“GMC-auxin”中間態(tài)。在這一狀態(tài)下，細胞發(fā)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(chǎn)生分岔，為全能性的建立打開了大門。該研究在世界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。

據(jù)了解，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。

（受訪者供圖）