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　　在植(zhi)物(wu)生命科學(xue)(xue)領域，有一(yi)個懸而未決的世界(jie)難題——“單個體細胞如何(he)發育成完整(zheng)植(zhi)株”，這一(yi)問(wen)(wen)題早(zao)在2005年(nian)就被(bei)國(guo)際著名(ming)學(xue)(xue)術期刊《科學(xue)(xue)》(Science)在其創刊125周年(nian)時，列為最具挑戰的125個關鍵科學(xue)(xue)問(wen)(wen)題之一(yi)。近日(ri)，這道世紀之問(wen)(wen)終(zhong)于迎來了(le)來自中國(guo)科學(xue)(xue)家(jia)的答案。

　　山東(dong)農業大學張憲省(sheng)教授和蘇英(ying)華教授研究團隊首次完整揭示了單個植物(wu)(wu)體細(xi)胞(bao)如何(he)通過基(ji)因重編程“改變(bian)命運”，最終發(fa)育為完整植株的全過程。該成(cheng)果(guo)不(bu)僅破解了困(kun)擾科(ke)學界百余年的“植物(wu)(wu)細(xi)胞(bao)全能性”機制之謎(mi)，也為作物(wu)(wu)遺傳改良與高效再生(sheng)提供了全新理論支撐。9月16日，這一成(cheng)果(guo)在國際著名(ming)學術期(qi)刊《細(xi)胞(bao)》(Cell)在線發(fa)表。

　　研究團隊應(ying)用(yong)掃描電鏡及激光共(gong)聚焦活體成像等技術，首次捕捉到(dao)單(dan)(dan)個植(zhi)物細(xi)胞(bao)的(de)(de)分裂(lie)全(quan)過程：從1個細(xi)胞(bao)分裂(lie)為2個，再以“3個一組”的(de)(de)特殊模式逐步形成12個細(xi)胞(bao)的(de)(de)胚體，直(zhi)觀證實(shi)了(le)植(zhi)物細(xi)胞(bao)全(quan)能性(xing)的(de)(de)“單(dan)(dan)細(xi)胞(bao)起源”，有力回答(da)了(le)學術界長(chang)期(qi)存在的(de)(de)疑惑。

　　團隊(dui)通過深入研究，找到了觸發細(xi)胞全能性(xing)的(de)(de)“關鍵鑰(yao)匙”：葉(xie)片氣(qi)孔前(qian)體細(xi)胞特(te)有的(de)(de)基因SPCH，與(yu)人工誘導高(gao)表達的(de)(de)基因LEC2，二者協同作用形(xing)成“分(fen)子開關”。“就像轉動(dong)一把(ba)鎖需要兩(liang)把(ba)鑰(yao)匙，缺一不可。”張憲省教(jiao)授(shou)形(xing)象比喻。

　　利用先進的(de)(de)(de)單細(xi)(xi)胞(bao)(bao)測(ce)序(xu)、顯(xian)微切(qie)割(ge)轉錄組測(ce)序(xu)與(yu)活(huo)體(ti)成(cheng)像等前沿技術，團隊(dui)完整(zheng)記錄了細(xi)(xi)胞(bao)(bao)命運重(zhong)塑的(de)(de)(de)完整(zheng)路徑，揭示了關鍵(jian)的(de)(de)(de)命運分岔點：一條(tiao)路徑是氣孔(kong)前體(ti)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)繼(ji)續分化為氣孔(kong);另一條(tiao)路徑是在大量合(he)成(cheng)內源生(sheng)長素的(de)(de)(de)推動下，單個體(ti)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)被重(zhong)編程為全能(neng)干細(xi)(xi)胞(bao)(bao)，走上胚胎發育(yu)之(zhi)路。

　　研(yan)究人員將這一關鍵(jian)過渡(du)狀態(tai)命名為(wei)“GMC-auxin”中間態(tai)。在(zai)這一狀態(tai)下，細(xi)(xi)胞發生(sheng)(sheng)(sheng)了(le)深(shen)度的(de)(de)染色質重(zhong)塑，大量沉默的(de)(de)基因被逐(zhu)步激活，細(xi)(xi)胞命運(yun)軌跡由此產生(sheng)(sheng)(sheng)分岔(cha)，為(wei)全(quan)能(neng)(neng)性(xing)的(de)(de)建立(li)打開了(le)大門。進一步的(de)(de)實驗表明，阻斷細(xi)(xi)胞內源生(sheng)(sheng)(sheng)長(chang)素合(he)成(cheng)(cheng)會使這一重(zhong)編(bian)程(cheng)過程(cheng)完(wan)全(quan)停滯，體細(xi)(xi)胞胚(pei)胎(tai)無(wu)法形成(cheng)(cheng);而(er)單純添加外源激素也無(wu)法替代這一過程(cheng)，說明只(zhi)有細(xi)(xi)胞自主合(he)成(cheng)(cheng)并積累的(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)長(chang)素信號，才(cai)能(neng)(neng)真正觸發全(quan)能(neng)(neng)性(xing)的(de)(de)開啟。

　　更為(wei)重(zhong)要(yao)的(de)是，該研究在世界上首次全(quan)面解析了單個植(zhi)物(wu)體細胞(bao)重(zhong)編程形(xing)成全(quan)能干細胞(bao)并再生完整植(zhi)株的(de)分子(zi)(zi)機理(li)：在GMC-auxin中(zhong)間態下，大量(liang)轉錄(lu)因子(zi)(zi)形(xing)成高度耦合的(de)調控網絡，進而激活下游的(de)胚胎發生程序(xu)。

　　《Cell》雜志審稿人認為(wei)，該研究揭示的(de)GMC-auxin中間態是(shi)“令(ling)人興奮的(de)突(tu)破”，首次定(ding)義了(le)(le)氣孔前體(ti)細(xi)胞向(xiang)全能干細(xi)胞轉(zhuan)變(bian)的(de)分子路徑，原(yuan)創性強，意義重大，為(wei)理解(jie)植物體(ti)細(xi)胞發育命運改變(bian)和(he)再生潛能提供(gong)了(le)(le)強有(you)力的(de)科學支撐。

　　這一理論(lun)的解(jie)析不僅有(you)助(zhu)于(yu)理解(jie)植(zhi)物細胞發育的根本規律，也為精(jing)準調控植(zhi)物再生和定向改良(liang)作物性狀提供(gong)了全新的思路與技術(shu)工具。

　　目(mu)前(qian)，該體系(xi)在(zai)小麥、玉米和大豆等作(zuo)(zuo)物(wu)的實(shi)驗正同步推(tui)進。“未來(lai)或(huo)可通過精準調控(kong)細(xi)胞全能(neng)性，實(shi)現作(zuo)(zuo)物(wu)優良品(pin)種(zhong)的‘快速克隆’，大幅度縮短育種(zhong)周期，服務精準設計育種(zhong)。”張憲省(sheng)教授表示，“這也(ye)將為珍稀(xi)植(zhi)物(wu)種(zhong)質資(zi)源的高效保(bao)護、植(zhi)物(wu)合(he)成生物(wu)學(xue)注入新動力”。

　　山東農業大(da)(da)(da)學為(wei)論文第一完成單位(wei)，張憲省(sheng)教(jiao)授、蘇英華(hua)(hua)教(jiao)授和荷蘭(lan)拉(la)德堡德大(da)(da)(da)學的須健教(jiao)授以及北(bei)京(jing)華(hua)(hua)大(da)(da)(da)生命科(ke)學研(yan)究院(yuan)夏科(ke)科(ke)副(fu)(fu)研(yan)究員為(wei)共(gong)同通訊作者。山東農業大(da)(da)(da)學唐麗蘋副(fu)(fu)教(jiao)授、翟(zhai)立明博士、北(bei)京(jing)華(hua)(hua)大(da)(da)(da)生命科(ke)學研(yan)究院(yuan)李紀(ji)明博士、山東農業大(da)(da)(da)學高(gao)月博士生為(wei)共(gong)同第一作者。該研(yan)究得到了國家(jia)自然科(ke)學基(ji)金重(zhong)點項目、面上(shang)項目、山東省(sheng)自然科(ke)學基(ji)金重(zhong)大(da)(da)(da)項目、荷蘭(lan)拉(la)德堡德大(da)(da)(da)學生物與環境科(ke)學研(yan)究所(suo)的啟(qi)動基(ji)金、國家(jia)重(zhong)點研(yan)發計劃以及深圳(zhen)市科(ke)技計劃的資(zi)助。

　　論文鏈接：

　　//doi.org/10.1016/j.cell.2025.08.031