在植物生命科学领域

有一个悬而未决的世界难题

——“单个体细胞如何发育成完整植株”

这一问题早在2005年

就被国际著名学术期刊

《科学》（Science）在其创刊125周年时

列为最具挑战的125个关键科学问题之一

近日，这道世纪之问

终于迎来了来自中国科学家的答案

山东农业大学张宪省教授和苏英华教授研究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。9月16日，这一成果在国际著名学术期刊《细胞》（Cell）在线发表。

一个细胞如何“重启”生命程序？

1902年，“植物细胞全能性”概念被提出，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，但其背后的分子机制始终未解。

论文通讯作者之一、小麦育种全国重点实验室主任张宪省介绍，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，例如，叶片的体细胞在经历重编程过程后，能够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，最终再生为一株完整的植株。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极为重要的应用价值。而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。

“就像一片叶子本应永远是叶子，但它却能‘变身’为一株株新植物，这种‘命运逆转’如何发生？”论文通讯作者之一、山东农业大学长江学者特聘教授苏英华道出研究初衷。

究竟难在何处?

“就像孙悟空拔一撮猴毛变出一群小猴子，过程看似容易，但要知道猴毛为什么能变成猴子却非常难。”张宪省打了一个形象的比喻。

自2005年起，团队在张宪省指导下，以拟南芥为模型开启探索，一场持续20年的科研“马拉松”就此展开。

从偶然发现到完美体系

研究初期，团队面临的最大挑战是构建单个体细胞直接发育成胚胎的实验技术体系。2009年，团队首次在拟南芥中发现，大量生长素的积累是细胞全能性激活的“开关”，相关成果发表于《Plant Journal》。2011年，一次意外的发现使得研究迎来转折，一种诱导因子使得幼苗叶片表面直接长出胚胎结构，这种体细胞胚竟然直接来源于叶片表面的单个细胞。这一偶然现象让苏英华教授意识到，无需愈伤组织过渡，成熟叶片细胞可直接被诱导为胚胎。为重现这一现象，苏英华教授带领学生“像重启实验一样”经过反复验证，他们终于建立了“诱导单细胞起源的体细胞胚胎发生”稳定体系。

苏英华介绍，下一个难题是寻找全能干细胞的分子标记，经过反复验证试验，终于发现了只在全能干细胞中发光的荧光标记。

体细胞胚来源于单个全能干细胞

气孔前体细胞中积累生长素后转变为全能干细胞

有了稳定的诱导体系和全能干细胞标记，打开了该项研究的大门。应用扫描电镜及激光共聚焦活体成像等技术，首次捕捉到单个植物细胞的分裂全过程：从1个细胞分裂为2个，再以“3个一组”的特殊模式逐步形成12个细胞的胚体，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。

两个关键基因如何“点亮”全能性？

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”。“就像转动一把锁需要两把钥匙，缺一不可。”张宪省形象比喻。

论文第一作者、山东农业大学生命科学学院副教授唐丽苹介绍，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。

气孔前体细胞的两条发育路径

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。

模式图展示气孔前体细胞的两条发育路径

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。进一步的实验表明，阻断细胞内源生长素合成会使这一重编程过程完全停滞，体细胞胚胎无法形成；而单纯添加外源激素也无法替代这一过程，说明只有细胞自主合成并积累的生长素信号，才能真正触发全能性的开启。

更为重要的是，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：在GMC-auxin中间态下，大量转录因子形成高度耦合的调控网络，进而激活下游的胚胎发生程序。

植物体细胞重编程形成全能干细胞的分子调控网络

《Cell》杂志审稿人认为，该研究揭示的GMC-auxin中间态是“令人兴奋的突破”，首次定义了气孔前体细胞向全能干细胞转变的分子路径，原创性强，意义重大，为理解植物体细胞发育命运改变和再生潜能提供了强有力的科学支撑。

加速从实验室到田间的智慧育种

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”。

文章主要作者

左起：翟立明博士后，苏英华教授，张文杰副教授，

张宪省教授，高月博士，唐丽苹副教授，田鑫教授

苏英华拿水稻举例。水稻杂交育种通常需要8—10年，即使采用我国先进的南繁技术，一年两代种植，至多缩短一半时间。如果结合单细胞“再生”方法育种，在实验室里就能完成杂交育种优势后代的无性繁殖，杂种优势得到固定，育种期有望进一步大幅缩短。

这一“再生”现象在植物快繁、生物技术育种、合成生物学等农业生产中具有极为重要的应用价值，将给农业的未来带来无限可能。

目前，研究团队正探索开展小麦、玉米、大豆等最新育种实验。“种子是农业的‘芯片’，必须攥在中国人自己手里。”张宪省相信，“用咱中国人自己的手，一定能端稳中国饭碗。”

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