预言成真!中国科学家揭开"一叶一世界"世纪之谜

单个体细胞如何发育成完整植株？现实中人们司空见惯的自然现象，其背后的机制却是困扰科学界一个多世纪的难题。国际着名学术期刊《细胞》近日在线发表中国科学家的科研成果，山东农业大学研究团队首次揭秘单个体细胞如何“变”完整植株。破解“植物细胞全能性”的分子机制为何这么难？这一研究成果会给植物育种与保护以及生物细胞的未来研究带来哪些积极影响？我们请中国科学院西南生物多样性中心生物学博士刘耀文来说一说。

（1）植物细胞独有的特殊技能养过花花草草的人一定非常熟悉，植物其实很容易移植，有时甚至无需种子或者整株移植，只需要剪下一根枝条、一片叶子插到土里，就可以使其发育成一株完整的植物。这虽然是存在于自然界的一种正常现象，但并不简单，比如人就做不到。而植物受到创伤或者离体培养时，会形成一种特有的薄壁细胞团，专业术语为“愈伤组织”，具有很强大的修复和再生能力。

事实上，植物的这一特殊技能很早就引起了科学家的关注。1902年，德国植物学家哈伯兰特提出“植物细胞全能性”的概念来描述这种现象，即植物在已经分化（指细胞发育成不同类型、承担特定功能的稳定性差异现象）结束后，可以脱分化使其恢复到类似于受精卵这样的全能干细胞，再进一步发育为完整植株。哈伯兰特甚至预言，这种现象适用于植物的每一个细胞。为了验证这个观点，无数科学家先后开展了研究，比如，用番茄根尖培育出愈伤组织；离体培养菟丝子的茎尖，然后在试管中形成了开花植株等，主要聚焦于植物部位的培养。直到1958年，美国科学家斯图尔德利用成熟胡萝卜韧皮部的细胞，首次成功培育出完整的植株并且使其顺利开花结果，这才证实了哈伯兰特当年关于植物细胞具有全能性的预言。

不过，为什么植物细胞具有全能性，动物细胞却基本没有呢？这背后到底藏着什么秘密？2005年，国际着名学术期刊《科学》发布了125个最具挑战性的科学问题，其中“单个体细胞如何发育成完整植株”被视为最重要的25个科学问题之一。17年后，这个困扰着无数科学家的问题依然没有找到答案，于是《科学》杂志2022年再度发布125个最前沿科学问题时，仍然将其列入其中，且问题更加尖锐：为什么只有一些细胞会变成其他细胞？

揭秘“植物细胞全能性”很难，不仅需要更加完善的显微技术来追踪细胞发育的过程，还要用先进的分子技术来探究这个过程中分子变化背后的秘密。

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如今，这道难题等来了中国科学家的答案。我国山东农业大学的张宪省和苏英华教授研究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，最终发育为完整植株的全过程。相关研究成果近日登上国际着名学术期刊《细胞》，该成果不仅破解了“植物细胞全能性”分子机制之谜，也为作物遗传改良与高效再生提供了全新理论支撑。

（2）首次“看见”单个细胞分裂全程

我国科学家首先选择了经典的模式生物（指为研究生命现象普遍规律而选定的物种，具有易于实验操作、遗传背景清晰等特点）拟南芥作为研究对象。拟南芥无论是基因组构建、遗传分析还是细胞研究都拥有成熟的研究体系，可以让整个研究易于操作、结果容易展现。

其次是基因操作。植物细胞不能自然地逆分化重新发育，所以传统研究让植物细胞恢复全能性往往需要用外源激素或者特定的转录因子来激活。前期研究表明，有一种特殊的转录调控因子LEC2（子叶调控因子2）会在胚胎发育的特定时期活跃，能够启动胚胎程序。为了启动这个因子，研究人员构建了雌二醇诱导型LEC2表达系统（LEC2-iOX），当培养拟南芥细胞的时候，只要在培养基里加入雌二醇，就可以激活LEC2的表达。研究人员选择了一种按常规会发育成气孔组织的分生组织母细胞，把其放到培养基里，加入雌二醇，然后用扫描电子显微镜在高倍视野下进行观察。

于是，一场奇妙的微观之旅在显微镜下开始了。当雌二醇启动LEC2表达之后，一个表皮细胞偏离了既定的分化路线，它不再进一步分化，而是选择了分裂，先是对称分裂为两个大小基本一致的子细胞，其中一个子细胞再进行一次不对称分裂，形成了一个三细胞结构。这个过程不像传统的激素诱导细胞形成随意的愈伤组织，而是像受精卵一样从头开始整个生命过程。随后，这个三细胞结构从球形胚、心形胚，最终发育成具有完整结构的体细胞胚。接下来，体细胞胚顺利开始分化，直至长成一个发育完整的植株，并且可以开花结果。