在植物生命科學(xué)領(lǐng)域，有一個(gè)長(zhǎng)期懸而未決的世界難題——“單個(gè)體細(xì)胞如何發(fā)育成完整植株”。早在2005年，國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）在創(chuàng)刊125周年之際，將其列為全球最具挑戰(zhàn)性的125個(gè)前沿科學(xué)問題之一。
近日，這道世紀(jì)之問，終于迎來了來自中國科學(xué)家的答案。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)張憲省教授和蘇英華教授研究團(tuán)隊(duì)，首次完整揭示了單個(gè)植物體細(xì)胞如何通過基因重編程“改變命運(yùn)”，最終發(fā)育為完整植株的全過程。該成果不僅破解了困擾科學(xué)界百余年的“植物細(xì)胞全能性”機(jī)制之謎，也為作物遺傳改良與高效再生提供了全新理論支撐。9月16日，這一成果在國際著名學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》（Cell）在線發(fā)表。
一個(gè)細(xì)胞如何“重啟”生命程序？
1902年，“植物細(xì)胞全能性”概念被提出，即植物細(xì)胞可脫分化形成類似受精卵的全能干細(xì)胞，進(jìn)而發(fā)育為完整植株。這一現(xiàn)象廣泛存在于植物界，包括農(nóng)作物、木本植物，但其背后的分子機(jī)制一直未能闡明。
論文通訊作者張憲省教授介紹，與動(dòng)物細(xì)胞相比，植物細(xì)胞具有更強(qiáng)的發(fā)育可塑性，在一定條件下，它們無需受精就能發(fā)育成胚胎，這種現(xiàn)象被稱為“體細(xì)胞胚胎發(fā)生”。植物細(xì)胞還表現(xiàn)出獨(dú)特的“再生”能力，例如，葉片的體細(xì)胞在經(jīng)歷重編程過程后，能夠回歸到原始的干細(xì)胞狀態(tài)，并進(jìn)一步進(jìn)入“體細(xì)胞胚胎發(fā)生”階段，最終再生為一株完整的植株。這一“再生”現(xiàn)象在快繁、生物技術(shù)育種、脫毒培養(yǎng)等農(nóng)業(yè)應(yīng)用中具有重要價(jià)值。然而，植物體細(xì)胞如何從“普通細(xì)胞”轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;全能性胚胎”的核心機(jī)制，始終未被揭示。
“就像一片葉子本應(yīng)永遠(yuǎn)是葉子，但它卻能‘變身’為一株株新植物，這種‘命運(yùn)逆轉(zhuǎn)’如何發(fā)生？”論文通訊作者之一、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授蘇英華道出研究初衷。自2005年起，團(tuán)隊(duì)在張憲省教授指導(dǎo)下，以擬南芥為模型開啟探索，一場(chǎng)持續(xù)20年的科研“馬拉松”就此展開。
從偶然發(fā)現(xiàn)到完美體系
研究初期，團(tuán)隊(duì)面臨的最大挑戰(zhàn)是構(gòu)建單個(gè)體細(xì)胞直接發(fā)育成胚胎的實(shí)驗(yàn)技術(shù)體系。2009年，團(tuán)隊(duì)首次在擬南芥中發(fā)現(xiàn)，大量生長(zhǎng)素的積累是細(xì)胞全能性激活的“開關(guān)”，相關(guān)成果發(fā)表于《Plant Journal》。2011年，一次意外的發(fā)現(xiàn)使得研究迎來轉(zhuǎn)折，一種誘導(dǎo)因子使得幼苗葉片表面直接長(zhǎng)出胚胎結(jié)構(gòu)，這種體細(xì)胞胚竟然直接來源于葉片表面的單個(gè)細(xì)胞。
這一偶然現(xiàn)象讓蘇英華教授意識(shí)到，無需愈傷組織過渡，成熟葉片細(xì)胞可直接被誘導(dǎo)為胚胎。為重現(xiàn)這一現(xiàn)象，蘇英華教授帶領(lǐng)學(xué)生“像重啟實(shí)驗(yàn)一樣”經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證，他們終于建立了“誘導(dǎo)單細(xì)胞起源的體細(xì)胞胚胎發(fā)生”穩(wěn)定體系。
蘇英華教授介紹，下一個(gè)難題是尋找全能干細(xì)胞的分子標(biāo)記，經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)，終于發(fā)現(xiàn)了只在全能干細(xì)胞中發(fā)光的熒光標(biāo)記。有了穩(wěn)定的誘導(dǎo)體系和全能干細(xì)胞標(biāo)記，打開了該項(xiàng)研究的大門。應(yīng)用掃描電鏡及激光共聚焦活體成像等技術(shù)，首次捕捉到單個(gè)植物細(xì)胞的分裂全過程：從1個(gè)細(xì)胞分裂為2個(gè)，再以“3個(gè)一組”的特殊模式逐步形成12個(gè)細(xì)胞的胚體，直觀證實(shí)了植物細(xì)胞全能性的“單細(xì)胞起源”，有力回答了學(xué)術(shù)界長(zhǎng)期存在的疑惑。
兩個(gè)關(guān)鍵基因如何“點(diǎn)亮”全能性？
團(tuán)隊(duì)通過深入研究，找到了觸發(fā)細(xì)胞全能性的“關(guān)鍵鑰匙”：葉片氣孔前體細(xì)胞特有的基因SPCH，與人工誘導(dǎo)高表達(dá)的基因LEC2，二者協(xié)同作用形成“分子開關(guān)”。“就像轉(zhuǎn)動(dòng)一把鎖需要兩把鑰匙，缺一不可。”張憲省教授形象比喻。
論文第一作者唐麗蘋副教授介紹，體細(xì)胞胚來源于單個(gè)的全能干細(xì)胞，原本注定要發(fā)育成氣孔的“前體細(xì)胞”，在全能性調(diào)控因子LEC2與氣孔發(fā)育關(guān)鍵因子SPCH的協(xié)同作用下，激活生長(zhǎng)素合成通路，導(dǎo)致生長(zhǎng)素特異性大量積累，致使前體細(xì)胞脫離“氣孔發(fā)育之路”，轉(zhuǎn)而成為能夠孕育新生命的全能干細(xì)胞。
利用先進(jìn)的單細(xì)胞測(cè)序、顯微切割轉(zhuǎn)錄組測(cè)序與活體成像等前沿技術(shù)，團(tuán)隊(duì)完整記錄了細(xì)胞命運(yùn)重塑的完整路徑，揭示了關(guān)鍵的命運(yùn)分岔點(diǎn)：一條路徑是氣孔前體細(xì)胞繼續(xù)分化為氣孔；另一條路徑是在大量合成內(nèi)源生長(zhǎng)素的推動(dòng)下，單個(gè)體細(xì)胞被重編程為全能干細(xì)胞，走上胚胎發(fā)育之路。
研究人員將這一關(guān)鍵過渡狀態(tài)命名為“GMC-auxin”中間態(tài)。在這一狀態(tài)下，細(xì)胞發(fā)生了深度的染色質(zhì)重塑，大量沉默的基因被逐步激活，細(xì)胞命運(yùn)軌跡由此產(chǎn)生分岔，為全能性的建立打開了大門。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，阻斷細(xì)胞內(nèi)源生長(zhǎng)素合成會(huì)使這一重編程過程完全停滯，體細(xì)胞胚胎無法形成；而單純添加外源激素也無法替代這一過程，說明只有細(xì)胞自主合成并積累的生長(zhǎng)素信號(hào)，才能真正觸發(fā)全能性的開啟。
中國科學(xué)院院士種康對(duì)該研究成果給予高度評(píng)價(jià)，指出該研究在國際上首次明確了植物全能干細(xì)胞的起源，發(fā)現(xiàn)“GMC(Guard Mother Cell)-auxin狀態(tài)”是氣孔發(fā)育與胚胎重編程的關(guān)鍵分叉點(diǎn)，揭示了LEC2–SPCH–YUC信號(hào)通路通過促進(jìn)生長(zhǎng)素合成來重塑細(xì)胞發(fā)育軌跡的分子機(jī)制。該成果在概念上取得了重要突破，證明植物再生可由特定譜系細(xì)胞直接觸發(fā)，而不是僅僅依賴脫分化過程，為作物再生體系優(yōu)化提供了理論藍(lán)圖。評(píng)論還指出，該發(fā)現(xiàn)不僅深化了對(duì)植物細(xì)胞全能性機(jī)理的理解，也為破解農(nóng)業(yè)生物技術(shù)長(zhǎng)期存在的“再生瓶頸”開辟了新路徑。
更為重要的是，該研究在世界上首次全面解析了單個(gè)植物體細(xì)胞重編程形成全能干細(xì)胞并再生完整植株的分子機(jī)理：在GMC-auxin中間態(tài)下，大量轉(zhuǎn)錄因子形成高度耦合的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而激活下游的胚胎發(fā)生程序。
《Cell》雜志審稿人認(rèn)為，該研究揭示的GMC-auxin中間態(tài)是“令人興奮的突破”，首次定義了氣孔前體細(xì)胞向全能干細(xì)胞轉(zhuǎn)變的分子路徑，原創(chuàng)性強(qiáng)，意義重大，為理解植物體細(xì)胞發(fā)育命運(yùn)改變和再生潛能提供了強(qiáng)有力的科學(xué)支撐。
加速從實(shí)驗(yàn)室到田間的智慧育種
中國科學(xué)院院士楊維才評(píng)價(jià)說，自從上世紀(jì)50年代末德國科學(xué)家Reinert和美國科學(xué)家Steward發(fā)現(xiàn)分化的體細(xì)胞可以經(jīng)體細(xì)胞胚胎發(fā)生形成完整植株以來，“單個(gè)體細(xì)胞是如何發(fā)育成單個(gè)植株”就成為一個(gè)重要的科學(xué)問題。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)張憲省團(tuán)隊(duì)利用原位追蹤結(jié)合單細(xì)胞測(cè)序等技術(shù)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子LEC2通過激活生長(zhǎng)素合成途徑，促使分化的體細(xì)胞脫分化啟動(dòng)胚胎發(fā)生，這一重大發(fā)現(xiàn)是領(lǐng)域內(nèi)的突破性進(jìn)展。
這一理論的解析不僅有助于理解植物細(xì)胞發(fā)育的根本規(guī)律，也為精準(zhǔn)調(diào)控植物再生和定向改良作物性狀提供了全新的思路與技術(shù)工具。
過去，傳統(tǒng)的雜交育種通常需要8到10年，先進(jìn)的南繁技術(shù)讓時(shí)間最多縮短至4到5年，但重組后的“家庭”后代極有可能再“分家”。如今，單細(xì)胞能“再生”成植物了，未來的育種可能是這樣的畫面：實(shí)驗(yàn)室里就能完成雜交育種，雜種優(yōu)勢(shì)得到固定，育種期有望進(jìn)一步大大縮短。
目前，該體系在小麥、玉米和大豆等作物的實(shí)驗(yàn)正同步推進(jìn)。“未來或可通過精準(zhǔn)調(diào)控細(xì)胞全能性，實(shí)現(xiàn)作物優(yōu)良品種的‘快速克隆’，大幅度縮短育種周期，服務(wù)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)育種。”張憲省教授表示，“這也將為珍稀植物種質(zhì)資源的高效保護(hù)、植物合成生物學(xué)注入新動(dòng)力”。
