氣孔前體細(xì)胞的兩條發(fā)育路徑的模式圖。 　　山東農(nóng)業(yè)大學(xué)供圖

　　單個(gè)體細(xì)胞如何發(fā)育成完整植株？這是植物生命科學(xué)領(lǐng)域一個(gè)懸而未決的世界難題。2005年，《科學(xué)》雜志在其創(chuàng)刊125周年時(shí)列出了125個(gè)最具挑戰(zhàn)的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，它就是其中之一。

　　近日，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)牽頭聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，首次完整揭示了單個(gè)植物體細(xì)胞如何通過(guò)基因重編程“改變命運(yùn)”，最終發(fā)育為完整植株的全過(guò)程。該成果在線發(fā)表于《細(xì)胞》雜志。

　　相對(duì)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(wú)需受精就能發(fā)育成胚胎，這種現(xiàn)象稱為“體細(xì)胞胚胎發(fā)生”。論文通訊作者、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)教授張憲省介紹，植物細(xì)胞有著獨(dú)特的“再生”能力。例如，葉片等任意一種體細(xì)胞在經(jīng)歷重編程后，能回歸到原始的干細(xì)胞狀態(tài)，并進(jìn)一步進(jìn)入“體細(xì)胞胚胎發(fā)生”階段，最終再生為一棵完整的植株。

　　1902年，科學(xué)家就提出了“植物細(xì)胞全能性”概念，用以解釋植物細(xì)胞的上述能力。即植物細(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。這一現(xiàn)象廣泛存在于植物界，包括農(nóng)作物、木本植物，例如，多肉葉片能萌發(fā)出新株。但其背后的分子機(jī)制始終未解。

　　為揭開謎團(tuán)，2005年起，張憲省率領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)以擬南芥為研究對(duì)象開啟探索。

　　“一片葉子能‘變身’為一株株新植物，我們想知道這種‘命運(yùn)逆轉(zhuǎn)’是如何發(fā)生的?！闭撐耐ㄓ嵶髡咧惶K英華說(shuō)。

　　20年來(lái)，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，以及誘導(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)大量生長(zhǎng)素的積累是激活細(xì)胞全能性的“開關(guān)”。借助先進(jìn)的科研儀器和前沿生物技術(shù)，團(tuán)隊(duì)首次捕捉到單個(gè)植物細(xì)胞的分裂全過(guò)程。

　　進(jìn)一步研究后，團(tuán)隊(duì)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)”?！熬拖褶D(zhuǎn)動(dòng)一把鎖需要兩把鑰匙，缺一不可。”張憲省說(shuō)。

　　兩個(gè)關(guān)鍵基因如何“點(diǎn)亮”全能性？論文第一作者、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)副教授唐麗蘋介紹，體細(xì)胞胚來(lái)源于單個(gè)的全能干細(xì)胞，原本注定要發(fā)育成氣孔的“前體細(xì)胞”，在全能性調(diào)控因子LEC2與氣孔發(fā)育關(guān)鍵因子SPCH的協(xié)同作用下，激活生長(zhǎng)素合成通路，導(dǎo)致生長(zhǎng)素特異性大量積累，致使前體細(xì)胞脫離“氣孔發(fā)育之路”，轉(zhuǎn)而成為能夠孕育新生命的全能干細(xì)胞。

　　在上述發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)完整記錄細(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)。

　　在從“普通細(xì)胞”轉(zhuǎn)變?yōu)椤叭芨杉?xì)胞”的關(guān)鍵過(guò)渡狀態(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。

　　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、玉米和大豆等作物上的實(shí)驗(yàn)正同步推進(jìn)?！拔磥?lái)或可通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控細(xì)胞全能性，實(shí)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(jì)育種。”張憲省表示，“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(dòng)力?！?

　　《 人民日?qǐng)?bào) 》（ 2025年10月19日 05 版）