植物生命科學領(lǐng)域長期存在一個未解之謎：單個植物體細胞如何在特定條件下發(fā)育為完整植株？這一課題早在2005年就被《科學》雜志列為125個最具挑戰(zhàn)性的科學問題之一。經(jīng)過二十年持續(xù)研究，山東農(nóng)業(yè)大學聯(lián)合科研團隊近日在《細胞》雜志發(fā)表突破性成果，首次系統(tǒng)闡明了植物體細胞通過基因重編程實現(xiàn)命運轉(zhuǎn)變的完整機制。

與動物細胞相比，植物細胞展現(xiàn)出獨特的發(fā)育潛能。研究團隊發(fā)現(xiàn)，葉片等普通體細胞在特定條件下可逆向發(fā)育為胚胎，最終再生為完整植株。這種現(xiàn)象被稱為"體細胞胚胎發(fā)生"，其本質(zhì)是植物細胞通過脫分化恢復(fù)干細胞特性。1902年提出的"植物細胞全能性"理論雖能解釋這一現(xiàn)象，但具體分子機制始終未明。

科研團隊以模式植物擬南芥為研究對象，構(gòu)建了單細胞胚胎發(fā)育實驗體系。通過長期觀察發(fā)現(xiàn)，細胞全能性的激活依賴于生長素的特異性積累。研究團隊利用前沿顯微技術(shù)，首次完整記錄了單個植物細胞從分裂到胚胎形成的全過程。這一發(fā)現(xiàn)突破了傳統(tǒng)認知，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。

進一步探索揭示了關(guān)鍵調(diào)控機制。研究證實，氣孔前體細胞特有的SPCH基因與人工誘導(dǎo)表達的LEC2基因形成協(xié)同調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。這兩個基因如同"雙鑰匙"機制，共同激活生長素合成通路。當這兩個基因同時表達時，會引發(fā)細胞內(nèi)生長素濃度急劇升高，迫使原本注定發(fā)育為氣孔的細胞改變命運，轉(zhuǎn)而成為具有全能性的干細胞。

在細胞命運轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵階段，科研人員觀察到顯著的染色質(zhì)重塑現(xiàn)象。原本處于沉默狀態(tài)的基因被逐步激活，細胞進入"中間態(tài)"發(fā)育程序。這種表觀遺傳調(diào)控為細胞命運分岔提供了分子基礎(chǔ)，解釋了普通細胞如何獲得發(fā)育為完整植株的能力。

該研究不僅深化了對植物發(fā)育本質(zhì)的認識，更開發(fā)出精準調(diào)控細胞全能性的技術(shù)體系。目前，相關(guān)技術(shù)已在小麥、玉米、大豆等主要農(nóng)作物中開展驗證。實驗數(shù)據(jù)顯示，通過定向調(diào)控關(guān)鍵基因表達，可顯著提高作物再生效率，為快速克隆優(yōu)良品種開辟了新途徑。

這項突破性成果對農(nóng)業(yè)科技發(fā)展具有多重價值。在育種領(lǐng)域，新技術(shù)有望將傳統(tǒng)育種周期縮短數(shù)倍；在種質(zhì)資源保護方面，為珍稀植物提供高效的繁殖手段；在合成生物學領(lǐng)域，則可推動植物細胞工廠的構(gòu)建。隨著研究的深入，植物細胞全能性調(diào)控技術(shù)或?qū)⒁l(fā)農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的革命性變革。