封面新聞記者 馬曉玉

20年前，《科學》在創(chuàng)刊125周年之際提出了125個最關(guān)鍵的科學問題，“單個體細胞如何發(fā)育成完整植株”位列第9。

20年過去，我國科學家就這一難題交出了答卷。山東農(nóng)業(yè)大學張憲省教授和蘇英華教授研究團隊，世界首次完整揭示了單個植物體細胞如何發(fā)育為完整植株的全過程，從而破解了困擾科學界的“植物細胞全能性”機制之謎，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，相關(guān)成果在線發(fā)表于《細胞》雜志。

文章主要作者 左起：翟立明博士后，蘇英華教授，張文杰副教授， 張憲省教授，高月博士，唐麗蘋副教授，田鑫教授。圖源山東農(nóng)業(yè)大學

針對上述研究成果，有網(wǎng)友調(diào)侃，“吳承恩老師可能做夢都沒想到，千年后我們真的研究出來可以拔毛變猴的技術(shù)?！边@樣理解到底正不正確？9月17日，團隊成員向封面新聞記者表示，“雖然不是一個事，但也可以這樣比喻?！?/p>

孫悟空拔毛化身小猴，從科學的角度來理解的話，好比單細胞高效克隆。此次發(fā)現(xiàn)，正解釋了植物是如何通過單一細胞再生完整生命體。

較動物細胞而言，植物細胞具有更強的發(fā)育可塑性。一方面，植物細胞無需受精就能發(fā)育成胚胎。另一方面，植物細胞有著獨特的“再生”能力，例如，葉片的體細胞在經(jīng)歷重編程過程后，能夠回歸到原始的干細胞狀態(tài)，并進一步進入“體細胞胚胎發(fā)生”階段，最終再生為一株完整的植株。

然而，一個多世紀過去了，植物體細胞經(jīng)過重編程，從“普通細胞”轉(zhuǎn)變?yōu)椤叭芨杉毎钡暮诵拿孛芤恢蔽茨芙议_。

在蘇英華看來，“復(fù)刻”自然界的奇跡，最大挑戰(zhàn)是要構(gòu)建單個體細胞直接發(fā)育成胚胎的實驗技術(shù)體系。自2005年起，團隊以擬南芥為模型開啟探索，一場持續(xù)20年的科研“馬拉松”就此展開。

2009年，蘇英華首次在擬南芥中發(fā)現(xiàn)，大量生長素的積累是細胞全能性激活的“開關(guān)”?！暗敃r建立的實驗體系還不完美?！碧K英華解釋說，當時仍需通過愈傷組織間接誘導(dǎo)，無法實現(xiàn)細胞的“直接變身”。“就像傷口先結(jié)疤，再從疤痕里長出新組織，過程復(fù)雜且難以追蹤?！?/p>

氣孔前體細胞中積累生長素后轉(zhuǎn)變?yōu)槿芨杉毎D源山東農(nóng)業(yè)大學

2011年的一次意外發(fā)現(xiàn)使得研究迎來轉(zhuǎn)折，論文第一作者唐麗蘋發(fā)現(xiàn)了一種誘導(dǎo)因子，它能使得幼苗葉片表面直接長出胚胎結(jié)構(gòu)，這種體細胞胚竟然直接來源于葉片表面的單個細胞。

為重現(xiàn)這一現(xiàn)象，團隊建立起了穩(wěn)定的誘導(dǎo)體系和全能干細胞標記，打開了這項研究的大門。為追蹤細胞“變身”全過程，他們采用了當時最前沿的技術(shù)：用熒光標記鎖定目標細胞，再通過激光共聚焦顯微鏡連續(xù)拍攝三四天。

他們首次捕捉到單個植物細胞的分裂全過程：從1個細胞分裂為2個，再以“3個1組”的特殊模式逐步形成12個細胞的胚體，直觀證實了植物細胞全能性的“單細胞起源”，有力回答了學術(shù)界長期存在的疑惑。

通過深入研究，團隊找到了觸發(fā)細胞全能性的“關(guān)鍵鑰匙”：葉片氣孔前體細胞特有的基因SPCH，與人工誘導(dǎo)高表達的基因LEC2，二者協(xié)同作用形成“分子開關(guān)”。

蘇英華表示，他們完整記錄了細胞命運重塑的完整路徑，揭示了關(guān)鍵的命運分岔點：一條路徑是氣孔前體細胞繼續(xù)分化為氣孔；另一條路徑是在大量合成內(nèi)源生長素的推動下，單個體細胞被重編程為全能干細胞，走上胚胎發(fā)育之路。

中國科學院院士種康認為，該發(fā)現(xiàn)不僅深化了對植物細胞全能性機理的理解，也為破解農(nóng)業(yè)生物技術(shù)長期存在的“再生瓶頸”開辟了新路徑。

據(jù)了解，目前該體系在小麥、玉米和大豆等作物上的實驗正同步推進。