教育在線
在植物生命科學(xué)領(lǐng)域，有一個懸而未決的世界難題——“單個體細(xì)胞如何發(fā)育成完整植株”，這一問題早在2005年就被國際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》(Science)在其創(chuàng)刊125周年時，列為最具挑戰(zhàn)的125個關(guān)鍵科學(xué)問題之一。近日，這道世紀(jì)之問終于迎來了來自中國科學(xué)家的答案。
山東農(nóng)業(yè)大學(xué)張憲省教授和蘇英華教授研究團(tuán)隊首次完整揭示了單個植物體細(xì)胞如何通過基因重編程“改變命運(yùn)”，最終發(fā)育為完整植株的全過程。該成果不僅破解了困擾科學(xué)界百余年的“植物細(xì)胞全能性”機(jī)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，這一成果在國際著名學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》(Cell)在線發(fā)表。
研究團(tuán)隊?wèi)?yīng)用掃描電鏡及激光共聚焦活體成像等技術(shù)，首次捕捉到單個植物細(xì)胞的分裂全過程：從1個細(xì)胞分裂為2個，再以“3個一組”的特殊模式逐步形成12個細(xì)胞的胚體，直觀證實了植物細(xì)胞全能性的“單細(xì)胞起源”，有力回答了學(xué)術(shù)界長期存在的疑惑。
團(tuán)隊通過深入研究，找到了觸發(fā)細(xì)胞全能性的“關(guān)鍵鑰匙”：葉片氣孔前體細(xì)胞特有的基因SPCH，與人工誘導(dǎo)高表達(dá)的基因LEC2，二者協(xié)同作用形成“分子開關(guān)”。“就像轉(zhuǎn)動一把鎖需要兩把鑰匙，缺一不可?！睆垜検〗淌谛蜗蟊扔?。
利用先進(jìn)的單細(xì)胞測序、顯微切割轉(zhuǎn)錄組測序與活體成像等前沿技術(shù)，團(tuán)隊完整記錄了細(xì)胞命運(yùn)重塑的完整路徑，揭示了關(guān)鍵的命運(yùn)分岔點：一條路徑是氣孔前體細(xì)胞繼續(xù)分化為氣孔;另一條路徑是在大量合成內(nèi)源生長素的推動下，單個體細(xì)胞被重編程為全能干細(xì)胞，走上胚胎發(fā)育之路。
研究人員將這一關(guān)鍵過渡狀態(tài)命名為“GMC-auxin”中間態(tài)。在這一狀態(tài)下，細(xì)胞發(fā)生了深度的染色質(zhì)重塑，大量沉默的基因被逐步激活，細(xì)胞命運(yùn)軌跡由此產(chǎn)生分岔，為全能性的建立打開了大門。進(jìn)一步的實驗表明，阻斷細(xì)胞內(nèi)源生長素合成會使這一重編程過程完全停滯，體細(xì)胞胚胎無法形成;而單純添加外源激素也無法替代這一過程，說明只有細(xì)胞自主合成并積累的生長素信號，才能真正觸發(fā)全能性的開啟。
更為重要的是，該研究在世界上首次全面解析了單個植物體細(xì)胞重編程形成全能干細(xì)胞并再生完整植株的分子機(jī)理：在GMC-auxin中間態(tài)下，大量轉(zhuǎn)錄因子形成高度耦合的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而激活下游的胚胎發(fā)生程序。
《Cell》雜志審稿人認(rèn)為，該研究揭示的GMC-auxin中間態(tài)是“令人興奮的突破”，首次定義了氣孔前體細(xì)胞向全能干細(xì)胞轉(zhuǎn)變的分子路徑，原創(chuàng)性強(qiáng)，意義重大，為理解植物體細(xì)胞發(fā)育命運(yùn)改變和再生潛能提供了強(qiáng)有力的科學(xué)支撐。
這一理論的解析不僅有助于理解植物細(xì)胞發(fā)育的根本規(guī)律，也為精準(zhǔn)調(diào)控植物再生和定向改良作物性狀提供了全新的思路與技術(shù)工具。
目前，該體系在小麥、玉米和大豆等作物的實驗正同步推進(jìn)。“未來或可通過精準(zhǔn)調(diào)控細(xì)胞全能性，實現(xiàn)作物優(yōu)良品種的‘快速克隆’，大幅度縮短育種周期，服務(wù)精準(zhǔn)設(shè)計育種?！睆垜検〗淌诒硎?，“這也將為珍稀植物種質(zhì)資源的高效保護(hù)、植物合成生物學(xué)注入新動力”。
山東農(nóng)業(yè)大學(xué)為論文第一完成單位，張憲省教授、蘇英華教授和荷蘭拉德堡德大學(xué)的須健教授以及北京華大生命科學(xué)研究院夏科科副研究員為共同通訊作者。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)唐麗蘋副教授、翟立明博士、北京華大生命科學(xué)研究院李紀(jì)明博士、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)高月博士生為共同第一作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金重點項目、面上項目、山東省自然科學(xué)基金重大項目、荷蘭拉德堡德大學(xué)生物與環(huán)境科學(xué)研究所的啟動基金、國家重點研發(fā)計劃以及深圳市科技計劃的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.08.031
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