Cell刊發 | 山東農業大學科研團隊破解世紀難題

在植物生命科學領域

有一個懸而未決的世界難題

——“單個體細胞如何發育成完整植株”

這一問題早在2005年

就被國際著名學術期刊

《科學》（Science）在其創刊125周年時

列為最具挑戰的125個關鍵科學問題之一

近日，這道世紀之問

終于迎來了來自中國科學家的答案

山東農業大學張憲省教授和蘇英華教授研究團隊首次完整揭示了單個植物體細胞如何通過基因重編程“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余年的“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理論支撐。9月16日，這一成果在國際著名學術期刊《細胞》（Cell）在線發表。

一個細胞如何“重啟”生命程序？

1902年，“植物細胞全能性”概念被提出，即植物細胞可脫分化形成類似受精卵的全能干細胞，進而發育為完整植株。這一現象廣泛存在于植物界，包括農作物、木本植物，但其背后的分子機制始終未解。

論文通訊作者張憲省教授介紹，較動物細胞而言，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，這種現象被稱為“體細胞胚胎發生”。植物細胞還有著獨特的“再生”能力，例如，葉片的體細胞在經歷重編程過程后，能夠回歸到原始的干細胞狀態，并進一步進入“體細胞胚胎發生”階段，最終再生為一株完整的植株。這一“再生”現象在快繁、生物技術育種、脫毒培養等農業生產中具有極為重要的應用價值。而植物體細胞經過重編程，從“普通細胞”轉變為“全能性胚胎”的核心秘密一直未被揭露。

“就像一片葉子本應永遠是葉子，但它卻能‘變身’為一株株新植物，這種‘命運逆轉’如何發生？”論文通訊作者之一、山東農業大學長江學者特聘教授蘇英華道出研究初衷。自2005年起，團隊在張憲省教授指導下，以擬南芥為模型開啟探索，一場持續20年的科研“馬拉松”就此展開。

從偶然發現到完美體系

研究初期，團隊面臨的最大挑戰是構建單個體細胞直接發育成胚胎的實驗技術體系。2009年，團隊首次在擬南芥中發現，大量生長素的積累是細胞全能性激活的“開關”，相關成果發表于《Plant Journal》。2011年，一次意外的發現使得研究迎來轉折，一種誘導因子使得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于葉片表面的單個細胞。這一偶然現象讓蘇英華教授意識到，無需愈傷組織過渡，成熟葉片細胞可直接被誘導為胚胎。為重現這一現象，蘇英華教授帶領學生“像重啟實驗一樣”經過反復驗證，他們終于建立了“誘導單細胞起源的體細胞胚胎發生”穩定體系。

蘇英華教授介紹，下一個難題是尋找全能干細胞的分子標記，經過反復驗證試驗，終于發現了只在全能干細胞中發光的熒光標記。

體細胞胚來源于單個全能干細胞

氣孔前體細胞中積累生長素后轉變為全能干細胞

有了穩定的誘導體系和全能干細胞標記，打開了該項研究的大門。應用掃描電鏡及激光共聚焦活體成像等技術，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個一組”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。

兩個關鍵基因如何“點亮”全能性？

團隊通過深入研究，找到了觸發細胞全能性的“關鍵鑰匙”：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LEC2，二者協同作用形成“分子開關”。“就像轉動一把鎖需要兩把鑰匙，缺一不可。”張憲省教授形象比喻。

論文第一作者唐麗蘋副教授介紹，體細胞胚來源于單個的全能干細胞，原本注定要發育成氣孔的“前體細胞”，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，激活生長素合成通路，導致生長素特異性大量積累，致使前體細胞脫離“氣孔發育之路”，轉而成為能夠孕育新生命的全能干細胞。

氣孔前體細胞的兩條發育路徑

利用先進的單細胞測序、顯微切割轉錄組測序與活體成像等前沿技術，團隊完整記錄了細胞命運重塑的完整路徑，揭示了關鍵的命運分岔點：一條路徑是氣孔前體細胞繼續分化為氣孔；另一條路徑是在大量合成內源生長素的推動下，單個體細胞被重編程為全能干細胞，走上胚胎發育之路。

模式圖展示氣孔前體細胞的兩條發育路徑

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，細胞發生了深度的染色質重塑，大量沉默的基因被逐步激活，細胞命運軌跡由此產生分岔，為全能性的建立打開了大門。進一步的實驗表明，阻斷細胞內源生長素合成會使這一重編程過程完全停滯，體細胞胚胎無法形成；而單純添加外源激素也無法替代這一過程，說明只有細胞自主合成并積累的生長素信號，才能真正觸發全能性的開啟。

更為重要的是，該研究在世界上首次全面解析了單個植物體細胞重編程形成全能干細胞并再生完整植株的分子機理：在GMC-auxin中間態下，大量轉錄因子形成高度耦合的調控網絡，進而激活下游的胚胎發生程序。

植物體細胞重編程形成全能干細胞的分子調控網絡

《Cell》雜志審稿人認為，該研究揭示的GMC-auxin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干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。

加速從實驗室到田間的智慧育種

這一理論的解析不僅有助于理解植物細胞發育的根本規律，也為精準調控植物再生和定向改良作物性狀提供了全新的思路與技術工具。

目前，該體系在小麥、玉米和大豆等作物的實驗正同步推進。“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。”張憲省教授表示，“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”。

文章主要作者

左起：翟立明博士后，蘇英華教授，張文杰副教授，

張憲省教授，高月博士，唐麗蘋副教授，田鑫教授

山東農業大學為論文第一完成單位，張憲省教授、蘇英華教授和荷蘭拉德堡德大學的須健教授以及北京華大生命科學研究院夏科科副研究員為共同通訊作者。山東農業大學唐麗蘋副教授、翟立明博士、北京華大生命科學研究院李紀明博士、山東農業大學高月博士生為共同第一作者。該研究得到了國家自然科學基金重點項目、面上項目、山東省自然科學基金重大項目、荷蘭拉德堡德大學生物與環境科學研究所的啟動基金、國家重點研發計劃以及深圳市科技計劃的資助。

院士點評

中國科學院院士

種康

中國科學院院士種康對該研究成果給予高度評價，指出該研究在國際上首次明確了植物全能干細胞的起源，發現“GMC (Guard Mother Cell)-auxin狀態”是氣孔發育與胚胎重編程的關鍵分叉點，揭示了LEC2–SPCH–YUC信號通路通過促進生長素合成來重塑細胞發育軌跡的分子機制。該成果在概念上取得了重要突破，證明植物再生可由特定譜系細胞直接觸發，而不是僅僅依賴脫分化過程，為作物再生體系優化提供了理論藍圖。評論還指出，該發現不僅深化了對植物細胞全能性機理的理解，也為破解農業生物技術長期存在的“再生瓶頸”開辟了新路徑。

中國科學院院士

楊維才

中國科學院院士楊維才評價說，自從上世紀50年代末德國科學家Reinert 和美國科學家Steward發現分化的體細胞可以經體細胞胚胎發生形成完整植株以來，“單個體細胞是如何發育成單個植株”就成為一個重要的科學問題。山東農業大學張憲省團隊利用原位追蹤結合單細胞測序等技術，發現轉錄因子LEC2通過激活生長素合成途徑，促使分化的體細胞脫分化啟動胚胎發生，這一重大發現是領域內的突破性進展。

來源：黨委宣傳部（新聞中心）生科學院

記者：王靜

通訊員：鄭磊

編輯：郭海涵 張圣晗
審校：胡學儉 李濤 張欽龍 王琪 趙然