單個體細胞如何發育成完整植株？這是困擾科學界一個多世紀的難題。好消息傳來，中國科學家成功破解了這一難題。
北京時間9月16日22時30分，全球頂級學術期刊《細胞》在線發表山東農業大學研究團隊論文，首次揭示了單個體細胞發育成完整植株背后的分子機制。
“單個體細胞如何發育成完整植株”這一困擾科學界百余年的世紀難題，現已由山東農業大學科研團隊首次完整揭示。
中國科學院院士種康給予了這樣的評價——這標志著中國在植物發育和生物技術研究領域為世界作出了里程碑式的貢獻！
這項研究源于1902年提出的“植物細胞全能性”概念。這一概念認為，植物的每個細胞均包含該物種全部遺傳信息，在適宜條件下，可以發育成“全能干細胞”，進而長成完整植株。然而，從概念提出至今，120多年過去了，其分子機理始終未解。《科學》雜志甚至將其列為本世紀最具挑戰性的科學問題之一。
一個小小的擬南芥葉片體細胞在生長素的作用下，重編程形成全能干細胞，再生成胚胎，進而發育為一株完整的擬南芥植株。
究竟難在何處？
“就像孫悟空拔一撮猴毛變出一群小猴子，過程看似容易，但要知道猴毛為什么能變成猴子卻非常難。”論文通訊作者之一、小麥育種全國重點實驗室主任張憲省打了一個形象的比喻。
就在《科學》雜志發布世紀科學難題的同一年，張憲省帶領團隊，以擬南芥為研究對象，開啟了長達20年的探索。
張憲省率領的科研團隊以擬南芥為模型開啟“植物細胞全能性”機制之謎探索，時間長達20年。
二十年磨一劍。從搭建完整的實驗體系，到掌握單細胞測序、顯微切割轉錄組測序與活體成像等前沿技術，經過十幾萬次實驗積累，研究團隊最終發現了單細胞“再生”植物的分子機理。
模式圖展示氣孔前體細胞的兩條發育路徑
研究首先發現，只有擬南芥葉片體細胞內合成大量生長素，這個“普通細胞”才能變身“全能干細胞”。在此基礎上又發現，在葉片氣孔前體細胞特有基因SPCH與人工誘導高表達基因LEC2協同作用下，體細胞內才能合成大量生長素。
張憲省教授介紹觸發細胞全能性的“關鍵鑰匙”。
“這兩個基因如同兩把鑰匙，共同轉動了擬南芥葉片細胞‘命運的齒輪’，為細胞全能性的建立打開了大門。”論文通訊作者之一、山東農業大學生命科學學院副院長蘇英華說，“團隊首次捕捉到單細胞分裂全過程，更為直觀地證實了‘植物細胞全能性’的單細胞起源。”
經過無數次夜以繼日的科研探索和堅守，團隊系統記錄了細胞命運重塑的完整路徑。
這一最新發現，為精準調控植物“再生”和定向改良作物性狀提供了全新思路與技術工具。
蘇英華拿水稻舉例。水稻雜交育種通常需要8-10年，即使采用我國先進的南繁技術，一年兩代種植，至多縮短一半時間。如果結合單細胞“再生”方法育種，在實驗室里就能完成雜交育種優勢后代的無性繁殖，雜種優勢得到固定，育種期有望進一步大幅縮短。
這一“再生”現象在植物快繁、生物技術育種、合成生物學等農業生產中具有極為重要的應用價值，將給農業的未來帶來無限可能。
目前，研究團隊正探索開展小麥、玉米、大豆等最新育種實驗。“種子是農業的‘芯片’，必須攥在中國人自己手里。”張憲省相信，“用咱中國人自己的手，一定能端穩中國飯碗。”
來源：大眾新聞
編輯：李新花 劉德增 劉曉哲
一審：賈春毅
二審：孫瑞永
三審：管延會
