植物細胞的“青春”密碼 | 科技前線

植物能夠持續萌發新的枝、葉、花與果實，以頑強的生命力激發人們對生命永續的遐想。這一生命律動都源于核心細胞群——植物干細胞。它們分布于莖頂端、根尖等“生長中樞”，通過精確的分裂與分化，繪制植物生長藍圖。

近日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心在植物干細胞命運決定研究方面取得進展。

▲細胞壁與植物干細胞命運決定

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植物細胞的“外骨骼”

細胞壁作為植物細胞的“外骨骼”，其力學特性在干細胞調控中扮演著核心角色。

研究發現，在植物莖尖干細胞區域，細胞壁的主要成分果膠呈現“二元分布”模式，即新形成的細胞橫壁偏“軟”，富含去甲酯化果膠，而成熟的細胞壁更“硬”，以高度甲酯化的果膠為主。這種“軟硬兼備”的時空構型，對干細胞微環境穩態維持至關重要。

▲擬南芥分生組織干細胞的細胞壁“二元修飾”模式

研究進一步發現，植物通過精確控制特定mRNA即信使分子的時空分布，實現對細胞壁微觀結構的精細控制。這一調控使干細胞在適宜時機以正確的方式進行分裂，以確保植物正常發育和形態構建。

具體而言：在新生的細胞壁中，果膠成分的去甲酯化過程賦予其柔軟性和可塑性，為細胞靈活確定分裂的方向和位置提供支持；在成熟的細胞壁中，果膠保持高甲酯化狀態，利于維持干細胞持續分裂能力及組織穩定。

因此，細胞壁結構的動態變化，可被視為調控干細胞命運的“核心開關”，主導其分裂和分化等狀態間的轉換。

PME5

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植物的“時間膠囊”

研究同時解析了這一“核心開關”的運作機制。

科研人員發現，催化果膠“軟化”的關鍵酶PME5的信使RNA（mRNA）在轉錄后未立即進入細胞質，而是被特異性滯留于細胞核內，形成與細胞周期同步的mRNA儲備庫。當細胞分裂啟動、核膜解體時，這些被禁錮的mRNA被同步釋放，迅速翻譯為功能蛋白，精準作用于新生細胞壁，實現細胞壁局部、定時定點的“軟化”調控。

這種mRNA的核內隔離機制，猶如預設的“時間膠囊”，將細胞壁修飾程序鎖定在細胞分裂的關鍵時間窗口，從而實現新舊細胞壁性質的精確區分。該機制闡釋了植物在緊密相鄰的細胞區域內維持不同的細胞壁力學特性。

研究證實，一旦該調控機制被破壞，植物將表現出細胞分裂模式紊亂、干細胞活性降低、分生組織發育終止等缺陷，表明細胞壁的精細構造對干細胞的活性具有關鍵作用。

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育種新途

這一研究揭示了植物干細胞命運決定機制，并發現了全新的基因表達調控模式——mRNA核滯留。PME5 mRNA在細胞內的時空位置被精細調控，猶如一套內在的“時空協調程序”，巧妙地將干細胞增殖與細胞壁重建緊密聯系，精準主導干細胞分裂和分化的時機。

該調控機制在玉米、大豆、番茄等作物中高度保守。作物的株高、分蘗數、穗型和果實大小等農藝性狀，均與干細胞活力相關。

基于“細胞壁精準設計”策略，有望提升作物分生組織活性和產量潛力，為培育高產高效作物提供理論支撐和技術路徑。

論文鏈接：

DOI：science.org/doi/10.1126/science.ady4102

來源：中國科學院分子植物科學卓越創新中心

責任編輯：侯茜