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中国科学家在生命科学领域取得了重大突破,首次解决了困扰国际科学领域100多年的“植物细胞全能”机制之谜。山东农业大学张宪省教授和苏英华教授研究小组首次完全揭示了单个植物细胞如何发育成完整植物的全过程,利用先进的单细胞测序、显微切割转录组测序、活体成像等前沿技术。这一里程碑结果于2025年9月16日在国际顶级学术期刊《细胞》上线发布。

植物细胞全能概念最早是在1902年提出的,认为植物细胞可以脱离分化,形成类似受精卵的全能干细胞,从而发育成一种完整的植物。虽然这种现象在自然界中广泛存在,但其背后的分子机制一直是科学界未解的世纪问题。2005年,《科学》杂志将“单个个体细胞如何发育成完整植物”列为最具挑战性的125个关键科学问题之一,凸显了这一问题的重要性。

经过20年的科学研究,研究团队以拟南芥为模型,构建了一个直接发展成胚胎实验的单个体细胞技术体系。团队发现,大量生长素的积累是细胞全方位激活的“开关”,建立了“引导单细胞起源的体细胞胚胎发生”的稳定体系。通过扫描电镜和激光聚焦活体成像技术,研究人员首次捕捉到单个植物细胞从一个细胞分裂到两个细胞,然后以“三个一组”的独特方式逐渐形成12个细胞胚胎的全过程,直观验证了植物细胞全方位的“单细胞发源”。

通过深入研究,团队发现了触发细胞全能的“关键钥匙”:山东农业大学生命科学学院副教授唐丽苹解释说,体细胞胚来自单个全能干细胞,原本注定要发育成气孔的“前体细胞”在全能调节因素LEC2和气孔发育关键因素SPCH的协同作用下,在全能调节因素LEC2和气孔发育关键因素SPCH的协同作用下,激活生长素生成通道,导致生长素特异性大量积累,导致前体细胞脱离“气孔发育之路”,进而成为能够孕育新生命的全能干细胞。

研究者将这种关键过渡状态命名为“GMC-auxin“中间状态。在这种情况下,细胞出现了深度染色质重塑,大量沉默基因逐渐被激活,从而产生了细胞命运轨迹的分叉,为全能的建立打开了大门。实验表明,阻断细胞内源生长素的生成会使重新编程的过程完全停滞不前,单纯添加外源激素并不能取代这个过程,这表明只有细胞自主生成和积累的生长素信号才能真正触发全能的开启。

这项研究首次全面分析了形成全能干细胞并在世界范围内再生完整植物的分子机制。《细胞》杂志的审稿人认为,这项研究揭示的GMC-auxin中间状态是一个“激动人心的突破”,第一次定义了气孔前体细胞向全能干细胞变化的分子路径,原创性强,极其重要,为理解植物细胞发育命运的变化和再生潜力提供了强有力的科学支撑。

中国科学院教授种康对研究成果给予了高度评价,指出这项研究首次明确了世界上植物全能干细胞的起源,并发现“GMC-“auxin状态”是气孔发育和胚胎重新编程的关键分叉点,揭示了LEC2–SPCH–YUC信号通道通过促进生长素生成来重塑细胞发育轨迹的分子机制。这一结果在概念上取得了重大突破,证明植物再生可以通过特定的谱系细胞直接触发,而不是仅仅依靠脱分化过程来提供理论蓝图来改善农作物再生系统。

目前,该系统正在同步推进小麦、玉米和大豆等农作物的实验。研究人员表示,未来作物优良品种的“快速复制”可以通过精确调节细胞全能性,大大缩短了繁殖周期。例如,大米杂交育种通常需要8-10年。如果结合单细胞“再生”方法进行繁殖,杂交育种优势后代的无性繁殖可以在实验室完成,杂交育种优势可以固定,繁殖期有望进一步缩短。这一突破性研究成果将为珍稀植物物质资源的高效保护和植物合成生物学注入新的动力,以确保全球重粮。