我科学家破解植物科学世纪难题

发布时间: 来源：科技日报

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“单个体细胞如何发育成完整植株？”这个问题被《科学》杂志列为“最具挑战的125个关键科学问题之一”，也是植物生命科学领域悬而未决的世纪难题。如今，这一问题被中国团队破解。

9月17日，记者从山东农业大学获悉，该校张宪省教授和苏英华教授研究团队的研究成果，在全球首次完整揭示了单个植物体细胞如何发育为完整植株的全过程，从而破解了困扰科学界的“植物细胞全能性”机制之谜，也为作物遗传改良与高效再生提供了全新理论支撑。9月16日，相关成果在线发表在国际学术期刊《细胞》上。

“植物细胞全能性”指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。中国科学院院士种康认为，该研究在国际上首次明确了植物全能干细胞的起源。“该发现不仅深化了对植物细胞全能性机理的理解，也为破解农业生物技术长期存在的‘再生瓶颈’开辟了新路径。”种康说。

张宪省表示，较动物细胞而言，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，这种现象被称为“体细胞胚胎发生”。植物细胞还有着独特的“再生”能力，任意一种植物的体细胞在经历重编程后能够回到原始的干细胞状态，并进一步进入“体细胞胚胎发生”阶段，最终能够再生成为一株完整的植株。不过，植物体细胞经过重编程，从“普通细胞”转变为“全能性胚胎”的核心秘密一直未被揭露。苏英华表示：“就像一片叶子本应永远是叶子，但它却能‘变身’为一株新植物，这种‘命运逆转’如何发生？”

自2005年起，团队以拟南芥为模型，开启了一场持续20年的科研“马拉松”。20年来，该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和诱导单细胞起源的体细胞胚胎发生稳定体系，并首次发现细胞全能性激活的“开关”是大量生长素的积累。科研人员利用应用扫描电镜、先进的单细胞测序、显微切割转录组测序与活体成像等前沿技术，首次捕捉到单个植物细胞的分裂全过程，直观证实了植物细胞全能性的“单细胞起源”，回答了学术界的疑惑。

该团队通过深入研究，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”。张宪省表示，这就像转动一把锁需要两把钥匙，缺一不可。

苏英华表示，团队完整记录了细胞命运重塑的完整路径，揭示了关键的命运分岔点：一条路径是气孔前体细胞继续分化为气孔；另一条路径是在大量合成内源生长素的推动下，单个体细胞被重编程为全能干细胞，走上胚胎发育之路。

科研人员将这一关键过渡状态命名为“GMC-auxin”中间态。在这一状态下，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。该研究在世界上首次全面解析了单个植物体细胞重编程形成全能干细胞并再生完整植株的分子机理。

中国科学院院士杨维才表示：“这是一个重大的突破性进展。”据了解，该体系目前在小麦、玉米和大豆等作物的实验正同步推进。