单个体细胞如何发育成完整的植物

单个体细胞如何发育成完整的植物？这是植物生命科学中尚未解决的世界难题。 2005 年，在创刊 125 周年之际，《科学》杂志列出了 125 个最具挑战性的基本科学问题，这就是其中之一。近日，山东农业大学牵头的联合团队首次全面揭示了单个植物体细胞如何通过基因重编程“命运”改变，最终发育成完整植物的全过程。研究结果在线发表在《细胞》杂志上。与动物细胞相比，植物细胞具有更强的发育可塑性。在一定条件下，它们无需受精即可发育成胚胎，这种现象称为体细胞胚胎发生。论文通讯作者、山东农业大学教授张先胜表示，植物细胞具有独特的“再生”能力。例如，任何类型的体细胞（例如叶子）都可以返回到原始干细胞状态经过重编程后，进一步进入“体细胞胚胎发生”阶段，最终再生为完整的植物。 1902年，科学家提出“植物细胞全能性”的概念来解释植物细胞的上述能力。即植物细胞可以去分化形成类似于受精卵的全能干细胞，进而发育成完整的植物。这种现象广泛存在于植物界，包括农作物和木本植物。例如，肉质叶子是妈妈发芽的新植物。然而，这背后的分子机制尚不清楚。为了揭开这个谜团，从2005年开始，张显生带领的科研团队开始以拟南芥为研究对象进行探索。 “一片叶子可以‘转变’成一株新植物，我们想知道这种‘命运的逆转’是如何发生的。”论文通讯作者之一苏英华说。过去20年团队先后构建了胚胎中单个体细胞直接发育的实验技术体系，以及指示单细胞起源的稳定“体细胞胚胎发生”系统，并首次发现大量生长素的积累是激活细胞全能性的“开关”。借助尖端科研和生物技术的先进仪器，团队首次捕捉到单个植物细胞的整个分裂过程。经过进一步研究，团队找到了诱导细胞全能性的“钥匙”：叶片气孔前体细胞特有的基因spch和人工诱导的高表达基因LEC2，它们共同作用产生了“分子开关”。 “锁需要两把钥匙，所以一把钥匙是必不可少的。”张先生说道。两个主要的“光”全能基因又如何呢？唐立平，该论文第一作者，清华大学副教授山东农业大学表示，体细胞胚胎起源于单个全能干细胞，最初注定要发育成气孔“前体细胞”。在全能调控因子LEC2和气孔发育主要因子的协同作用下，生长素合成途径被激活，导致特异性生长素大量积累，从而导致可以远离新生命的前体细胞。基于上述发现，团队完整记录了细胞命运重塑的完整路径，并揭示了主要的命运分叉点。在从“普通细胞”向“全能干细胞”转变的关键过渡状态期间，细胞进行了深度染色质重塑，大量沉默基因逐渐被激活。细胞命运的分叉轨迹，开启了全能性建立的大门。对该理论的解析不仅有助于理解细胞命运的基本规律。蚂蚁细胞的发展，也为NG精确控制植物再生和定向改良作物性状提供了新的思路和技术工具。目前，该系统在小麦、玉米、大豆等作物上的实验正在同时进行。 “未来，通过精确控制细胞全能性，可以实现高产品种的快速克隆，大大缩短育种时间，实现精准设计育种。”张显生说，“这也将为珍稀植物资源的高效保护和植物合成生物学注入新的动力。” ”