近日，山东农业大学牵头联合团队，首次完整揭示了单个植物体细胞如何通过基因重编程"改变命运"， 最终发育为完整植株的全过程。该成果在线发表于《细胞》杂志。 相对动物细胞而言，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， 这种现象称为"体细胞胚胎发生"。论文通讯作者、山东农业大学教授张宪省介绍，植物细胞有着独特 的"再生"能力。例如，叶片等任意一种体细胞在经历重编程后，能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，最终再生为一棵完整的植株。 1902年，科学家就提出了"植物细胞全能性"概念，用以解释植物细胞的上述能力。即植物细胞可脱分化 形成类似受精卵的全能干细胞，进而发育为完整植株。这一现象广泛存在于植物界，包括农作物、木本 植物，例如，多肉叶片能萌发出新株。但其背后的分子机制始终未解。 为揭开谜团，2005年起，张宪省率领的科研团队以拟南芥为研究对象开启探索。 喻思南 王 静 气孔前体细胞的两条发育路径的模式图。 山东农业大学供图 单个体细胞如何发育成完整植株？这是植物生命科学领域一个悬而未决的世界难题。2005年，《科学》 杂志在其创刊125周年时列出了125个 ...

研究核心突破 - 在全球首次完整揭示了单个植物体细胞发育为完整植株的全过程 破解了“植物细胞全能性”机制之谜 [1] - 在国际上首次明确了植物全能干细胞的起源 并全面解析了其重编程形成全能干细胞并再生完整植株的分子机理 [1][3] - 该发现被评价为重大的突破性进展 为破解农业生物技术长期存在的“再生瓶颈”开辟了新路径 [1][3] 科学问题与背景 - 研究解决了被《科学》杂志列为最具挑战的125个关键科学问题之一的世纪难题 即单个体细胞如何发育成完整植株 [1] - 植物细胞全能性指植物细胞可脱分化形成全能干细胞 进而发育为完整植株 其核心秘密一直未被揭露 [1][2] 关键技术发现 - 找到了触发细胞全能性的“关键钥匙” 即叶片气孔前体细胞特有基因SPCH与人工诱导高表达基因LEC2协同作用形成的“分子开关” [3] - 首次发现细胞全能性激活的“开关”是大量生长素的积累 并揭示了关键的命运分岔点 [2][3] - 科研人员将关键过渡状态命名为“GMC-auxin”中间态 在此状态下细胞发生深度染色质重塑 大量沉默基因被激活 [3] 研究方法与历程 - 研究团队以拟南芥为模型 开启了一场持续20年的科研马拉松 [2] - 团队构建了单个体细胞直接发育成胚胎的实验技术体系和诱导单细胞起源的体细胞胚胎发生稳定体系 [2] - 利用扫描电镜 先进的单细胞测序 显微切割转录组测序与活体成像等前沿技术 首次捕捉到单个植物细胞的分裂全过程 [2] 应用前景 - 研究成果为作物遗传改良与高效再生提供了全新理论支撑 [1] - 该体系目前在小麦 玉米和大豆等作物的实验正同步推进 [3]

研究背景与意义 - 单个细胞发育成胚胎是生物学中最深刻的进程之一 胚胎通常起源于受精卵 传统观点认为唯有受精卵才具备全能性[2] - 植物中已分化的体细胞在适宜条件下能重新获得全能性并启动胚胎发生 这种现象被称为体细胞胚胎发生 为研究细胞可塑性与重编程提供了宝贵模型[2] - 植物体细胞胚胎发生的精确细胞起源和分子通路是悬而未决的世纪难题 "单个体细胞如何发育成完整植株"被Science列为最具挑战的125个关键科学问题之一[2] 研究团队与发表 - 山东农业大学张宪省 苏英华及荷兰拉德堡德大学须健 北京华大生命科学研究院夏科科作为共同通讯作者 于2025年9月16日在Cell发表研究成果[3] - 研究首次完整揭示了植物单个体细胞通过重编程改变命运最终发育为完整植株的全过程[4] - 该研究破解了困扰科学界百余年的"植物细胞全能性"机制之谜 为作物遗传改良与高效再生提供了全新理论支撑[5] 核心发现与机制 - 研究证实LEAFY COTYLEDON2 (LEC2)使表达SPEECHLESS (SPCH)的拟分生组织母细胞脱离气孔谱系 驱动它们转化为全能的体细胞胚胎起始细胞[7] - 通过时间进程活体成像 单细胞核RNA测序和空间激光捕获显微切割结合RNA测序 揭示了命运分叉点 MMC衍生细胞可分化为保卫细胞或转变为富含生长素的保卫母细胞中间态[7] - LEC2和SPCH协同激活色氨酸氨转移酶-1 (TAA1)和YUC4 建立局部生长素生物合成回路 这对体细胞胚胎起始细胞的特化至关重要[8] - 遗传和启动子分析证实MMC是体细胞胚胎的起源 TAA1/YUC介导的生长素生物合成对于全能性和胚胎发生不可或缺[8] 关键突破点 - LEC2能将体细胞表皮细胞重编程为全能性体细胞胚胎起始细胞[9] - LEC2和SPCH通过靶向TAA1和YUC4共同激活局部生长素生物合成[9] - GMC-auxin中间态标志着气孔细胞从分化向全能性的转变[9] - 转录重编程和生长素信号转导驱动气孔细胞的重编程[9] 研究意义与应用 - 研究首次全面解析了单个植物体细胞重编程形成全能干细胞并再生完整植株的分子机制 在GMC-auxin中间态下大量转录因子形成高度耦合的调控网络激活下游胚胎发生程序[11] - 该研究有助于理解植物细胞发育的根本规律 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[11]