单细胞如何“重启”生命程序？山东团队破世纪难题

　　单个体细胞如何发育成完整植株?这是困扰科学界一个多世纪的难题。好消息传来，中国科学家成功破解了这一难题。

　　北京时间9月16日22时30分，全球顶级学术期刊《细胞》在线发表山东农业大学研究团队论文，首次揭示了单个体细胞发育成完整植株背后的分子机制。

　　该成果不仅破解了困扰科学界百余年的“植物细胞全能性”机制之谜，也为作物遗传改良与高效再生提供了全新理论支撑。中国科学院院士种康给予了这样的评价——这标志着中国在植物发育和生物技术研究领域为世界作出了里程碑式的贡献!

　　一个细胞如何

　　“重启”生命程序?

　　1902年，“植物细胞全能性”概念被提出，这一概念认为，植物的每个细胞均包含该物种全部遗传信息，在适宜条件下，可以发育成“全能干细胞”，进而长成完整植株。然而，从概念提出至今，120多年过去了，其分子机理始终未解。《科学》杂志甚至将其列为本世纪最具挑战性的科学问题之一。

　　论文通讯作者之一、小麦育种全国重点实验室主任张宪省介绍，较动物细胞而言，植物细胞具有更强的发育可塑性，在一定条件下，它们无需受精就能发育成胚胎，这种现象被称为“体细胞胚胎发生”。植物细胞还有着独特的“再生”能力，例如，叶片的体细胞在经历重编程过程后，能够回归到原始的干细胞状态，并进一步进入“体细胞胚胎发生”阶段，最终再生为一株完整的植株。这一“再生”现象在快繁、生物技术育种、脱毒培养等农业生产中具有极为重要的应用价值。而植物体细胞经过重编程，从“普通细胞”转变为“全能性胚胎”的核心秘密一直未被揭露。

　　“就像一片叶子本应永远是叶子，但它却能‘变身’为一株株新植物，这种‘命运逆转’如何发生?”论文通讯作者之一、山东农业大学长江学者特聘教授苏英华道出研究初衷。

　　“就像孙悟空拔一撮猴毛变出一群小猴子，过程看似容易，但要知道猴毛为什么能变成猴子却非常难。”张宪省打了一个形象的比喻。自2005年起，团队在张宪省指导下，以拟南芥为模型开启探索，一场持续20年的科研“马拉松”就此展开。从偶然发现到完美体系

　　研究初期，团队面临的最大挑战是构建单个体细胞直接发育成胚胎的实验技术体系。2009年，团队首次在拟南芥中发现，大量生长素的积累是细胞全能性激活的“开关”，相关成果发表于《Plant Journal》。2011年，一次意外的发现使得研究迎来转折，一种诱导因子使得幼苗叶片表面直接长出胚胎结构，这种体细胞胚竟然直接来源于叶片表面的单个细胞。这一偶然现象让苏英华意识到，无需愈伤组织过渡，成熟叶片细胞可直接被诱导为胚胎。为重现这一现象，苏英华带领学生“像重启实验一样”经过反复验证，他们终于建立了“诱导单细胞起源的体细胞胚胎发生”稳定体系。

　　苏英华介绍，下一个难题是寻找全能干细胞的分子标记，经过反复验证试验，终于发现了只在全能干细胞中发光的荧光标记。

　　有了稳定的诱导体系和全能干细胞标记，打开了该项研究的大门。应用扫描电镜及激光共聚焦活体成像等技术，首次捕捉到单个植物细胞的分裂全过程：从1个细胞分裂为2个，再以“3个一组”的特殊模式逐步形成12个细胞的胚体，直观证实了植物细胞全能性的“单细胞起源”，有力回答了学术界长期存在的疑惑。

　　两个关键基因

　　如何“点亮”全能性?

　　从搭建完整的实验体系，到掌握单细胞测序、显微切割转录组测序与活体成像等前沿技术，经过十几万次实验积累，研究团队最终发现了单细胞“再生”植物的分子机理。

　　研究首先发现，只有拟南芥叶片体细胞内合成大量生长素，这个“普通细胞”才能变身“全能干细胞”。在此基础上又发现，在叶片气孔前体细胞特有基因SPCH与人工诱导高表达基因LEC2协同作用下，体细胞内才能合成大量生长素。

　　“这两个基因如同两把钥匙，共同转动了拟南芥叶片细胞‘命运的齿轮’，为细胞全能性的建立打开了大门。”苏英华说，“团队首次捕捉到单细胞分裂全过程，更为直观地证实了‘植物细胞全能性’的单细胞起源。”

　　加速从实验室到田间的智慧育种

　　这一最新发现，为精准调控植物“再生”和定向改良作物性状提供了全新思路与技术工具。

　　苏英华拿水稻举例。水稻杂交育种通常需要8-10年，即使采用我国先进的南繁技术，一年两代种植，至多缩短一半时间。如果结合单细胞“再生”方法育种，在实验室里就能完成杂交育种优势后代的无性繁殖，杂种优势得到固定，育种期有望进一步大幅缩短。

　　目前，研究团队正探索开展小麦、玉米、大豆等最新育种实验。“种子是农业的‘芯片’，必须攥在中国人自己手里。”张宪省相信，“用咱中国人自己的手，一定能端稳中国饭碗。”(据“山东农业大学”微信公众号、大众新闻)