在植物科學(xué)領(lǐng)域，一個(gè)困擾學(xué)界百余年的核心問題——“單個(gè)體細(xì)胞如何發(fā)育成完整植株”，終于迎來重大突破。由山東農(nóng)業(yè)大學(xué)張憲省教授和蘇英華教授領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)，首次完整解析了植物體細(xì)胞通過基因重編程實(shí)現(xiàn)“命運(yùn)逆轉(zhuǎn)”的分子機(jī)制，相關(guān)成果于國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》在線發(fā)表。

這一發(fā)現(xiàn)源于對(duì)植物細(xì)胞“再生”能力的深度探索。自1902年“植物細(xì)胞全能性”概念提出以來，學(xué)界已知植物細(xì)胞具有脫分化形成全能干細(xì)胞并發(fā)育為完整植株的特性，但其分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)始終未被破解。研究團(tuán)隊(duì)以擬南芥為模型，歷經(jīng)20年攻關(guān)，通過構(gòu)建單細(xì)胞誘導(dǎo)體系，首次捕捉到單個(gè)細(xì)胞分裂形成胚胎的全過程：從1個(gè)細(xì)胞分裂為2個(gè)，再以“3個(gè)一組”的特殊模式逐步形成12個(gè)細(xì)胞的胚體，證實(shí)了植物細(xì)胞全能性的“單細(xì)胞起源”。

研究的關(guān)鍵突破在于發(fā)現(xiàn)了觸發(fā)細(xì)胞全能性的“分子開關(guān)”。團(tuán)隊(duì)通過單細(xì)胞測(cè)序和活體成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)，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協(xié)同作用，激活生長(zhǎng)素合成通路，導(dǎo)致生長(zhǎng)素特異性積累。這種積累使前體細(xì)胞脫離氣孔發(fā)育路徑，轉(zhuǎn)而成為全能干細(xì)胞。研究人員將這一關(guān)鍵過渡狀態(tài)命名為“GMC-auxin”中間態(tài)，在此狀態(tài)下細(xì)胞發(fā)生深度染色質(zhì)重塑，大量沉默基因被激活，為全能性建立打開通道。

實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明，阻斷細(xì)胞內(nèi)源生長(zhǎng)素合成會(huì)使重編程過程完全停滯，而單純添加外源激素?zé)o法替代這一過程。這表明只有細(xì)胞自主合成并積累的生長(zhǎng)素信號(hào)，才能真正觸發(fā)全能性。《細(xì)胞》雜志審稿人評(píng)價(jià)該研究“首次定義了氣孔前體細(xì)胞向全能干細(xì)胞轉(zhuǎn)變的分子路徑”，為理解植物再生潛能提供了重要理論支撐。

這項(xiàng)突破不僅具有理論價(jià)值，更在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中展現(xiàn)出廣闊前景。研究團(tuán)隊(duì)正在小麥、玉米和大豆等作物中驗(yàn)證該體系，試圖通過精準(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”。以水稻為例，傳統(tǒng)雜交育種需8-10年，即使采用南繁技術(shù)縮短周期，仍需4-5年。而結(jié)合單細(xì)胞“再生”方法，可在實(shí)驗(yàn)室完成雜交優(yōu)勢(shì)后代的無性繁殖，大幅縮短育種周期。

“就像孫悟空拔猴毛變猴子，看似簡(jiǎn)單，但揭示其機(jī)制卻需要長(zhǎng)期探索。”張憲省教授比喻道。研究團(tuán)隊(duì)自2005年起以擬南芥為模型，2009年發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)素積累是細(xì)胞全能性激活的“開關(guān)”，2011年通過意外發(fā)現(xiàn)建立單細(xì)胞誘導(dǎo)體系，最終在2024年完成分子機(jī)制解析。這一歷程印證了基礎(chǔ)研究的長(zhǎng)期性與重要性。

目前，該技術(shù)已進(jìn)入作物應(yīng)用實(shí)驗(yàn)階段。研究人員表示，這將為珍稀植物種質(zhì)資源保護(hù)、植物合成生物學(xué)提供新工具，同時(shí)助力我國種業(yè)自主創(chuàng)新。“種子是農(nóng)業(yè)的‘芯片’，必須掌握在自己手中。”張憲省教授強(qiáng)調(diào)，通過中國科學(xué)家的自主創(chuàng)新，有望為保障國家糧食安全注入新動(dòng)力。