气孔前体细胞的两条发育路径的模式图。 山东农业大学供图
单个体细胞如何发育成完整植株？这是植物生命科学领域一个悬而未决的世界难题。2005年，《科学》杂志在其创刊125周年时列出了125个最具挑战的关键科学问题，它就是其中之一。
近日，山东农业大学牵头联合团队，首次完整揭示了单个植物体细胞如何通过基因重编程“改变命运”，最终发育为完整植株的全过程。该成果在线发表于《细胞》杂志。
相对动物细胞而言，植物细胞具有更强的发育可塑性。在一定条件下，它们无需受精就能发育成胚胎，这种现象称为“体细胞胚胎发生”。论文通讯作者、山东农业大学教授张宪省介绍，植物细胞有着独特的“再生”能力。例如，叶片等任意一种体细胞在经历重编程后，能回归到原始的干细胞状态，并进一步进入“体细胞胚胎发生”阶段，最终再生为一棵完整的植株。
1902年，科学家就提出了“植物细胞全能性”概念，用以解释植物细胞的上述能力。即植物细胞可脱分化形成类似受精卵的全能干细胞，进而发育为完整植株。这一现象广泛存在于植物界，包括农作物、木本植物，例如，多肉叶片能萌发出新株。但其背后的分子机制始终未解。
为揭开谜团，2005年起，张宪省率领的科研团队以拟南芥为研究对象开启探索。
“一片叶子能‘变身’为一株株新植物，我们想知道这种‘命运逆转’是如何发生的。”论文通讯作者之一苏英华说。
20年来，团队先后构建了单个体细胞直接发育成胚胎的实验技术体系，以及诱导单细胞起源的“体细胞胚胎发生”稳定体系，并首次发现大量生长素的积累是激活细胞全能性的“开关”。借助先进的科研仪器和前沿生物技术，团队首次捕捉到单个植物细胞的分裂全过程。
进一步研究后，团队找到了触发细胞全能性的“关键钥匙”：叶片气孔前体细胞特有的基因SPCH，与人工诱导高表达的基因LEC2，二者协同作用形成“分子开关”。“就像转动一把锁需要两把钥匙，缺一不可。”张宪省说。
两个关键基因如何“点亮”全能性？论文第一作者、山东农业大学副教授唐丽苹介绍，体细胞胚来源于单个的全能干细胞，原本注定要发育成气孔的“前体细胞”，在全能性调控因子LEC2与气孔发育关键因子SPCH的协同作用下，激活生长素合成通路，导致生长素特异性大量积累，致使前体细胞脱离“气孔发育之路”，转而成为能够孕育新生命的全能干细胞。
在上述发现基础上，团队完整记录细胞命运重塑的完整路径，揭示了关键的命运分岔点。
在从“普通细胞”转变为“全能干细胞”的关键过渡状态下，细胞发生了深度的染色质重塑，大量沉默的基因被逐步激活，细胞命运轨迹由此产生分岔，为全能性的建立打开了大门。
这一理论的解析不仅有助于理解植物细胞发育的根本规律，也为精准调控植物再生和定向改良作物性状提供了全新的思路与技术工具。
目前，该体系在小麦、玉米和大豆等作物上的实验正同步推进。“未来或可通过精准调控细胞全能性，实现作物优良品种的快速克隆，大幅度缩短育种周期，服务精准设计育种。”张宪省表示，“这也将为珍稀植物种质资源的高效保护、植物合成生物学注入新动力。”
作者：喻思南 王 静
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