植物再生的“指挥官”找到了

2024-06-12 17:22:42 来源：科技日报

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近日，山东农业大学教授李传友团队研究发现，因细胞受伤而产生的再生因子REF1，是引发组织修复和器官再生的原初受伤信号分子；它在植物再生中发挥了巨大作用。相关研究成果在线发表于国际学术期刊《细胞》。

中国科学院院士许智宏说，植物如何识别损伤刺激并启动组织修复和器官再生过程，是植物生命科学领域长期悬而未决的问题。植物再生因子REF1的发现，为解答这一问题提供了重要线索。

中国科学院院士种康评价，该研究对细胞分化与再生领域的基础科学研究和生物技术应用具有突破性意义。植物再生因子REF1的发现和利用，为我国用好基因编辑技术，打赢种业翻身仗、加快国家生物育种产业化步伐提供了重要支撑。

发现再生因子REF1

“在大自然中，植物经常会被挤压、被虫咬，或者遭受病毒危害。科学家将这些统称为机械性损伤。受伤后，植物不但能快速激活防御反应以抵御侵害或防止感染，还能进行组织修复以及器官乃至整个生命体的再生。”李传友介绍。

20世纪70年代，美国华盛顿州立大学教授克莱伦斯·雷恩在模式植物番茄中发现了植物对机械性损伤的系统性防御现象，并发现小肽信号系统素和植物激素茉莉酸通过共同的信号通路来调控植物的系统性防御反应。在接下来的几十年，科学家对植物的系统性防御信号转导过程进行了深入研究。相比之下，人们对植物受伤后如何启动组织修复和器官再生知之甚少。

李传友告诉记者，细胞损伤是触发生命体（无论植物还是动物）启动再生程序的原初物理诱因。因此，一定存在一种由细胞损伤诱发的信号分子，在再生过程中发挥重要作用。但对这种信号分子的化学本质，人们却无从知晓。

李传友团队长期以番茄为模式植物，用遗传学手段解析植物的受伤反应。他们创造性地提出，植物的受伤反应实际上包括防御和再生两个密不可分而又相互作用的生理过程。基于这一全新理念，他们从分析实验室积累的防御缺陷突变体入手，鉴定到一个在防御和再生方面同时表现缺陷的番茄突变体spr9。基因克隆结果表明，基因SPR9编码小肽SlPep的前体蛋白，敲除SPR9会使番茄丧失愈伤组织形成能力和器官再生能力，过量表达SPR9则可显著提高番茄的再生能力。此外，外源施加SPR9编码的小肽SlPep可以显著提高番茄的再生能力。因此，团队将这种充当植物再生“指挥官”的小肽重新命名为再生因子REF1。

团队研究证实，受体激酶PORK1是REF1的受体。当植物发生细胞损伤时，REF1作为原初受伤信号分子被受体激酶PORK1识别，并转录激活下游细胞重编程关键调控因子SlWIND1，进而启动植物的组织修复和器官再生进程。与此同时，SlWIND1结合到REF1前体基因的启动子区激活其表达，从而产生更多再生因子REF1，放大REF1信号。

“这些结果表明，REF1以类似模式动物中细胞因子的作用方式，调控植物的再生过程。”李传友说。

为植物育种提供新思路

植物的再生能力千差万别，并且因基因型不同而有显著差异，这严重制约着基因编辑等突破性技术在生物育种中的应用潜力。如何通过一种简单直接的方法提高植物的再生能力，一直是现代生物育种领域面临的重大课题。

据了解，目前国际上大多采用共表达发育调控基因的策略来提高植物再生能力，但这种方法对提升作物遗传转化效率作用有限。李传友团队发现的再生因子REF1，不仅能成功克服上述局限，而且使用起来便捷高效。发现外源施加REF1可以显著提高难以进行遗传转化的番茄品种再生能力及转化效率后，团队继续在更多植物上试验，并同时给多个研究团队提供相应物种的再生因子REF1，开展更广泛的物种试验。

REF1本质上是一种小肽，即一种小的蛋白。其可以人工合成、外源施加，大幅提升转化效率，而且不存在基因型依赖性。李传友表示，再生因子REF1在小麦、玉米、大豆、土豆、向日葵以及果树等多种植物中，都表现出极强的“战斗力”。大豆、小麦和玉米等是公认的难转化作物，外源施用再生因子REF1后，其遗传转化能力提高了6—9倍，遗传转化效率提高4—5倍。

“原来我处理100个叶片，能长出20个新植株就不错了。但是添加上这种小肽以后，我再做100个叶片，它可以再生出八九十个新植株。”团队成员、中国科学院遗传与发育生物学研究所博士研究生杨文韬举例解释。

目前，团队已将再生因子REF1及其使用方法成功申请国际专利。