“單個(gè)體細(xì)胞如何發(fā)育成完整植株？”這個(gè)問題被《科學(xué)》雜志列為“最具挑戰(zhàn)的125個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題之一”，也是植物生命科學(xué)領(lǐng)域懸而未決的世紀(jì)難題。如今，這一問題被中國(guó)團(tuán)隊(duì)破解。
9月17日，記者從山東農(nóng)業(yè)大學(xué)獲悉，該校張憲省教授和蘇英華教授研究團(tuán)隊(duì)的研究成果，在全球首次完整揭示了單個(gè)植物體細(xì)胞如何發(fā)育為完整植株的全過程，從而破解了困擾科學(xué)界的“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，相關(guān)成果在線發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》上。
“植物細(xì)胞全能性”指植物細(xì)胞可脫分化形成類似受精卵的全能干細(xì)胞，進(jìn)而發(fā)育為完整植株。中國(guó)科學(xué)院院士種康認(rèn)為，該研究在國(guó)際上首次明確了植物全能干細(xì)胞的起源?！霸摪l(fā)現(xiàn)不僅深化了對(duì)植物細(xì)胞全能性機(jī)理的理解，也為破解農(nóng)業(yè)生物技術(shù)長(zhǎng)期存在的‘再生瓶頸’開辟了新路徑?！狈N康說。
張憲省表示，較動(dòng)物細(xì)胞而言，植物細(xì)胞具有更強(qiáng)的發(fā)育可塑性，在一定條件下，它們無需受精就能發(fā)育成胚胎，這種現(xiàn)象被稱為“體細(xì)胞胚胎發(fā)生”。植物細(xì)胞還有著獨(dú)特的“再生”能力，任意一種植物的體細(xì)胞在經(jīng)歷重編程后能夠回到原始的干細(xì)胞狀態(tài)，并進(jìn)一步進(jìn)入“體細(xì)胞胚胎發(fā)生”階段，最終能夠再生成為一株完整的植株。不過，植物體細(xì)胞經(jīng)過重編程，從“普通細(xì)胞”轉(zhuǎn)變?yōu)椤叭苄耘咛ァ钡暮诵拿孛芤恢蔽幢唤衣?。蘇英華表示：“就像一片葉子本應(yīng)永遠(yuǎn)是葉子，但它卻能‘變身’為一株新植物，這種‘命運(yùn)逆轉(zhuǎn)’如何發(fā)生？”
自2005年起，團(tuán)隊(duì)以擬南芥為模型，開啟了一場(chǎng)持續(xù)20年的科研“馬拉松”。20年來，該團(tuán)隊(duì)先后構(gòu)建了單個(gè)體細(xì)胞直接發(fā)育成胚胎的實(shí)驗(yàn)技術(shù)體系和誘導(dǎo)單細(xì)胞起源的體細(xì)胞胚胎發(fā)生穩(wěn)定體系，并首次發(fā)現(xiàn)細(xì)胞全能性激活的“開關(guān)”是大量生長(zhǎng)素的積累?？蒲腥藛T利用應(yīng)用掃描電鏡、先進(jìn)的單細(xì)胞測(cè)序、顯微切割轉(zhuǎn)錄組測(cè)序與活體成像等前沿技術(shù)，首次捕捉到單個(gè)植物細(xì)胞的分裂全過程，直觀證實(shí)了植物細(xì)胞全能性的“單細(xì)胞起源”，回答了學(xué)術(shù)界的疑惑。
該團(tuán)隊(duì)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)”。張憲省表示，這就像轉(zhuǎn)動(dòng)一把鎖需要兩把鑰匙，缺一不可。
蘇英華表示，團(tuán)隊(duì)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(diǎn)：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(zhǎng)素的推動(dòng)下，單個(gè)體細(xì)胞被重編程為全能干細(xì)胞，走上胚胎發(fā)育之路。
科研人員將這一關(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。該研究在世界上首次全面解析了單個(gè)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。
中國(guó)科學(xué)院院士楊維才表示：“這是一個(gè)重大的突破性進(jìn)展?！睋?jù)了解，該體系目前在小麥、玉米和大豆等作物的實(shí)驗(yàn)正同步推進(jìn)。
