山东团队攻克世纪难题！全球首揭单个体细胞“变身”完整植株奥秘

09-19 06:12

单个体细胞怎样发育成完整植株？这个困扰植物学界一个多世纪的难题，近日成功破解。

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

张宪省教授带领的科研团队以拟南芥为模型，对“植物细胞全能性”机制之谜展开了长达20年的探索。

中国科学院院士种康高度评价：“该研究成果为作物再生体系优化提供了理论蓝图，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。”

早在1902年，植物学家哈伯兰特就提出了“植物细胞全能性”概念，认为植物的每个细胞都包含该物种全部遗传信息，在适宜条件下，可发育成“全能干细胞”，进而长成完整植株。然而，120多年过去，这一概念背后的机理一直未被揭示。《科学》杂志将“单个体细胞如何发育成完整植株”列为本世纪最具挑战性的科学难题第9位。

究竟难在哪里呢？论文通讯作者之一、小麦育种全国重点实验室主任张宪省打了个比方：“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。”

拟南芥单个体细胞发育成植株示意图。

2005年，张宪省带领团队以拟南芥为研究对象，开启了长达20年的探索。经过十几万次实验积累，研究团队大致分“两步走”发现了单细胞“再生”植物机理：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，体细胞才能合成大量生长素。

“这两个基因如同两把钥匙，共同开启转动细胞‘命运的齿轮’，为细胞全能性建立打开了大门。”论文通讯作者之一、山东农业大学生命科学学院副院长苏英华表示，实验的成功离不开完整实验体系的构建和多种前沿技术的加持。团队首次捕捉到单细胞分裂全过程，更加直观地证实了“植物细胞全能性”的单细胞起源。

张宪省教授介绍触发细胞全能性的“关键钥匙”。

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。“拿水稻来说，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。”苏英华表示，如果结合单细胞“再生”方法育种，在实验室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，从而让人们吃上更好的大米。

种子被喻为农业的“芯片”，是现代农业和粮食安全的命脉。“目前，我们正探索推进小麦、玉米、大豆等作物实验，努力走在世界生物学前沿，用中国人的手攥紧中国种子、端稳中国饭碗。”张宪省说。

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