一片葉子似乎本應永遠是葉子，卻能“變身”為一棵新植株，這種“命運逆轉”是如何發生的？20年前，《科學》在創刊125周年之際提出了125個最關鍵的科學問題，“單個體細胞如何發育成完整植株”位列第9。20年過去了，9月16日，《細胞》線上發表了中國科學家對這一世紀之問的回答。山東農業大學教授張憲省和蘇英華研究團隊首次以確鑿證據證實植物細胞全能性源於單細胞，揭示了植物的單個體細胞如何通過基因重程式設計“改變命運”，最終發育為完整植株的全過程。該成果不僅破解了困擾科學界百餘年的“植物細胞全能性”機制之謎，也為作物遺傳改良與高效再生提供了全新的理論支撐。研究團隊。受訪者供圖“重啟”生命程序的植物細胞“相對動物細胞而言，植物細胞具有更強的發育可塑性。在一定條件下，它們無需受精就能發育成胚胎，這種現象稱為‘體細胞胚胎發生’。”論文共同通訊作者張憲省告訴《中國科學報》，植物細胞有著獨特的“再生”能力。例如，葉片等任意一種體細胞在經歷重程式設計後，能回歸到原始的幹細胞狀態，並進一步進入“體細胞胚胎發生”階段，最終再生為一棵完整的植株。早在1902年，科學家就提出了“植物細胞全能性”的概念，用以解釋植物細胞上述獨特的能力。“植物細胞全能性”即植物細胞可逆分化形成類似受精卵的全能細胞，進而發育為完整植株。這一現象廣泛存在於植物界，如多肉葉片能萌發新株。在農業領域，植物細胞“再生”在快繁、生物技術育種、脫毒培養等方面具有極為重要的應用價值。但一個多世紀過去了，植物體細胞經過重程式設計，從“普通細胞”轉變為“全能幹細胞”進而形成胚胎的核心秘密一直未能揭開。張憲省從事植物幹細胞和分生組織研究近30年。“單個體細胞如何發育成完整植株”一直是他渴望探究的問題。2005年，他看到這一世紀難題出現在《科學》提出的125個最關鍵的科學問題中，心中激動不已。這證明他關心的科學問題非常重要，是“能寫進教科書的研究”。這讓他下定決心挑戰這一科學難題。論文共同通訊作者蘇英華恰在那時成了張憲省的學生，並接過了長達20年科研馬拉松的“第一棒”。多年後，蘇英華才體會到當初她拿到的這個選題如此有趣而重要。從偶然發現到完美體系儘管細胞全能性在植物中很常見，但隨便找一片葉子給它上“實驗手段”，搞清楚究竟是什麼細胞變成了胚胎、怎麼變的，卻非常困難。蘇英華解釋說，自然界中具備全能性的植物，由於基因組太過複雜無法進行基因編輯和分子機制研究。而科研常用的模式植物擬南芥並不存在天然的“葉片變胚”現象。“我們必須在擬南芥中‘復刻’自然界的奇蹟。”蘇英華說，擺在他們面前的最大挑戰是建構單個體細胞直接發育成胚胎的實驗技術體系。僅是建立實驗技術體系，他們就花了將近兩年時間。2009年，蘇英華首次在擬南芥中發現大量生長素積累是細胞全能性啟動的“開關”。相關成果隨後發表於《植物雜誌》。“但當時建立的實驗體系還不完美。”蘇英華解釋說，當時仍需通過愈傷組織間接誘導，無法實現細胞的“直接變身”。“就像傷口先結疤，再從疤痕里長出新組織，過程複雜且難以追蹤。”2011年，一次意外的發現修復了實驗體系的“不完美”。當時蘇英華已成為副教授，她的碩士生唐麗蘋發現，一種誘導因子能使幼苗葉片表面直接長出胚胎結構，這種體細胞胚竟然直接來源於葉片表面的單個細胞。“這個體系太完美了！葉片細胞不會形成愈傷組織，直接‘鼓包’成胚，乾淨且清晰。”蘇英華立刻告訴張憲省，兩人意識到“解決問題的‘鑰匙’找到了”。為重現這一現象，蘇英華帶領學生“像重啟實驗一樣”經過反覆驗證，終於建立了“誘導單細胞起源的體細胞胚胎發生”穩定體系。“這個體系能讓我們清晰追蹤細胞的每一步變化。”蘇英華說。下一個難題是尋找全能幹細胞的分子標記。經過反覆驗證試驗，他們找到了只在全能幹細胞中發光的螢光標記。有了穩定的誘導體系和全能幹細胞標記，團隊終於打開了這項研究的大門。為追蹤細胞“變身”全過程，他們採用了當時最前沿的技術：用螢光標記鎖定目標細胞，再通過雷射共聚焦顯微鏡連續拍攝三四天。他們首次捕捉到單個植物細胞的分裂全過程：從1個細胞分裂為2個，再以“3個1組”的特殊模式逐步形成12個細胞的胚體，直觀證實了植物細胞全能性的“單細胞起源”，有力回答了學術界長期存在的疑惑。蘇英華激動地說：“每一張圖片、每一段視訊，都是世界上獨一無二的證據。”兩把鑰匙共同開一把鎖2015年，在中國科學院上海植物生理生態研究所的實驗室裡，科研團隊耗時3年成功分離出具有全能性的單細胞。2020年，他們又借助單細胞轉錄組測序技術，與華大基因合作，補全不同發育時期的細胞資料，繪製出完整的細胞命運轉變路徑——逆境訊號觸發染色質鬆散，從而啟動全能性基因，生長素與關鍵基因協同作用，推動細胞完成命運重程式設計。論文第一作者、山東農業大學副教授唐麗蘋介紹，體細胞胚來源於單個全能幹細胞——原本註定要發育成氣孔的“前體細胞”。它在全能性調控因子LEC2與氣孔發育關鍵因子SPCH的協同作用下，啟動生長素合成通路，導致生長素特異性大量積累，使前體細胞脫離“氣孔發育之路”，轉而成為能夠孕育新生命的全能幹細胞，走上胚胎發育之路。葉片氣孔前體細胞特有的基因SPCH與人工誘導高表達的基因LEC2協同作用形成“分子開關”。“就像轉動一把鎖需要兩把鑰匙，缺一不可。”張憲省說。研究人員將這一關鍵過渡狀態命名為“GMC-auxin”中間態。在這一狀態下，細胞發生了深度染色質重塑，大量沉默基因被逐步啟動，細胞命運軌跡由此分岔，為全能性的建立打開了大門。進一步實驗表明，阻斷細胞內源生長素合成會使這一重程式設計過程完全停滯，體細胞胚胎無法形成；而單純加入外源激素也無法替代這一過程，說明只有細胞自主合成並積累的生長素訊號，才能真正觸發全能性的開啟。張憲省說，這一理論的解析不僅有助於理解植物細胞發育根本規律，也為精準調控植物再生和定向改良作物性狀提供了全新思路與技術工具。論文審稿人認為，該研究揭示的GMC-auxin細胞中間態是“令人興奮的突破”，首次定義了氣孔前體細胞向全能幹細胞轉變的分子路徑，原創性強、意義重大，為理解植物體細胞發育命運改變和再生潛能提供了強有力的科學支撐。目前，該體系在小麥、玉米和大豆等作物中的實驗正同步推進。“未來或可通過精準調控細胞全能性，實現作物優良品種的‘快速克隆’，大幅度縮短育種周期，服務精準設計育種。”張憲省表示，“這也將為珍稀植物種質資源的高效保護、植物合成生物學注入新動力。” (中國科學報)
