山农科研团队破解“植物细胞全能性”机制之谜

近日，山东农业大学研究团队在国际学术期刊《细胞》在线发表科研成果，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。这不仅破解了困扰科学界百余年的“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。

“这是一个重大的突破性进展。”中国科学院院士杨维才表示，“该研究在国际上首次明确了植物全能干细胞的起源。”中国科学院院士种康认为，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，标志着中国在植物发育和生物技术研究领域为世界作出了里程碑式的贡献。

早在1902年，“植物细胞全能性”概念就被提出，但其背后的分子机制始终未被破解，并在2005年被国际顶尖学术期刊《科学》列为最具挑战性的125个关键科学问题之一。

何谓“植物细胞全能性”？

“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，它们无须受精就能发育成胚胎。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，最终再生为一株完整的植株。”论文通讯作者、山东农业大学小麦育种全国重点实验室主任张宪省解释，这一“再生”现象在快繁、生物技术育种、脱毒培养等农业生产中具有非常重要的应用价值。

但“植物细胞全能性”分子机理的解析过程是非常艰难的。难在何处？

“就像孙悟空拔一撮毫毛变出一群小猴子，过程看似容易，但要知道毫毛为什么能变成猴子却非常难。”张宪省形象地比喻。

2005年起，张宪省率领的科研团队便以拟南芥为模型开启探索。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和诱导单细胞起源的体细胞胚胎发生稳定体系，并通过反复试验，发现了只在全能干细胞中发光的荧光标记。

通过扫描电镜及激光共聚焦活体成像等技术，团队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”，有力回答了学术界长期存在的疑惑。

“每张图片、每段视频，都是世界上独一无二的证据。”论文共同通讯作者、山东农业大学教授苏英华说。

通过深入研究，团队找到触发细胞全能性的“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”。

“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。”论文第一作者之一、山东农业大学副教授唐丽苹介绍。

利用先进的单细胞测序、显微切割转录组测序与活体成像等前沿技术，团队完整记录了这一细胞命运重塑的完整路径，揭示了关键的命运分岔点。

研究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。

对于该项研究成果的应用前景，种康给予高度肯定：“将来的应用前景是非常广阔的。不仅在个别植物上，利用这样的机制，我们还可以研发不同作物或者不同物种的相关技术，这些技术可以再形成产品，从而推动产业发展。”

目前，该体系在小麦、玉米和大豆等作物的实验正同步推进。“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。”张宪省说，“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。”