单个体细胞如何发育成完整植株？这是困扰植物学界百余年的一个重大科学难题。

　　近日，这个“世纪之问”终于迎来了中国科学家的答案！

　　山东农业大学张宪省教授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“改变命运”，最终发育为完整植株的全过程，不仅成功破解了“植物细胞全能性”机制之谜，也为作物遗传改良与高效再生提供了全新的理论支撑。

二十年，三代科研人的接力

　　9月16日，该成果在国际著名学术期刊《细胞》在线发表后，论文通讯作者、山东农业大学小麦育种全国重点实验室主任张宪省感慨：“我们3代人接力，用了整整20年，才解开这道世纪难题。”

　　1902年，“植物细胞全能性”概念被提出，根据这一概念，植物细胞可脱分化形成类似受精卵的全能干细胞，进而发育为完整植株。但一百多年过去，其背后的分子机制始终未解。

　　2005年，《科学》杂志将其列为最具挑战的125个关键科学问题之一。看到这一消息后，张宪省激动不已，因为从事植物干细胞和分生组织研究近30年，“单个体细胞如何发育成完整植株”一直是他渴望探究的问题。能够出现在《科学》列出的125个关键科学问题当中，这证明他关心的科学问题非常重要，是“能写进教科书的研究”。

　　这让张宪省更加下定决心要挑战这一科学难题。恰在那时，论文共同通讯作者、山东农业大学教授苏英华成为张宪省的学生。

　　科研世界，从来不是一个人的长跑。张宪省作为“领航者”，始终把握研究方向，在团队焦虑时打气：“再坚持一下，我们要做震惊世界的工作。”苏英华作为“前锋”，带着学生一直冲在实验一线。

　　2011年，苏英华已是副教授，她的硕士研究生唐丽苹发现，一种诱导因子能使幼苗叶片表面直接长出胚胎结构，这种体细胞胚竟然直接来源于叶片表面的单个细胞。唐丽苹是苏英华的第一位硕士研究生，后又跟随张宪省攻读博士学位。10余年来，面对时间的流逝和科研道路上的种种挑战，她始终保持初心，一心一意投身于植物细胞全能性这一课题的研究。

　　三代科研人就这样完成了接力。

　　二十年磨一剑，从搭建完整的实验体系，到掌握单细胞测序、显微切割转录组测序与活体成像等前沿技术，经过十几万次实验积累，研究团队最终发现了单细胞“再生”植物的分子机理。

师生研讨

“一个叶片就可以实现新生命的产生”

　　“在自然界中我们经常可以看到植物再生的现象，最典型的像地瓜、马铃薯，我们拿一块放到土壤当中，它就可以长成新的植株。但植物的单个体细胞，它的命运如何改变，是一个什么样的机制，什么样的机理呢？我们这个研究就找到了全能细胞，然后又把它这个基因调控网络解析出来。”张宪省说。

　　但“植物细胞全能性”分子机理的解析过程是非常艰难的。难在何处？

　　对此，张宪省打过一个形象的比喻：“就像孙悟空拔一撮猴毛变出一群小猴子，过程看似容易，但要知道猴毛为什么能变成猴子却非常难。”

　　2005年起，张宪省团队便以拟南芥为模型开启探索。

　　“较动物细胞而言，植物细胞具有更强的发育可塑性，在一定条件下，它们无需受精就能发育成胚胎，这种现象被称为‘体细胞胚胎发生’。”张宪省介绍，植物细胞还有着独特的“再生”能力，例如，叶片的体细胞在经历重编程过程后，能够回归到原始的干细胞状态，并进一步进入“体细胞胚胎发生”阶段，最终再生为一株完整的植株。这一“再生”现象在快繁、生物技术育种、脱毒培养等农业生产中具有极为重要的应用价值。

　　“我们团队的这项成果完整全面解析了植物细胞全能性的机制，这在世界上是首次。”采访中，苏英华向记者介绍，“这是拟南芥的叶片，我们成功地把叶表皮细胞诱导成全能性干细胞再生出胚胎来，就可以形成下一代的植株了。也就是一个叶片就可以实现新生命的产生。”

　体细胞胚来源于单个全能干细胞

气孔前体细胞中积累生长素后转变为全能干细胞

从偶然发现到完美体系

　　一片叶子可以“变身”为一株新植物，这种“命运逆转”是如何发生的？

　　研究初期，团队面临的最大挑战是构建单个体细胞直接发育成胚胎的实验技术体系。仅是建立实验技术体系，他们就花了将近两年时间。

　　2009年，苏英华首次在拟南芥中发现大量生长素积累是细胞全能性激活的“开关”，相关成果随后发表于《植物杂志》。

　　“但当时建立的实验体系还不完美。”苏英华说，“当时仍需通过愈伤组织间接诱导，无法实现细胞的‘直接变身’。就像伤口先结疤，再从疤痕里长出新组织，过程复杂且难以追踪。”

　　回想起科研的过程，论文的第一作者之一，如今已是山东农业大学副教授的唐丽苹，依然清晰地记得那些为建立稳定的体细胞胚诱导体系所做的无数次尝试：“每一次对培养皿中观察到的组织都充满了期待，但许多时候，它们都止步于愈伤组织的阶段。”

　　转机出现在2011年。

　　“有一天我看材料的时候，不小心打碎了一个玻璃皿，我就把它破碎的材料放到放大镜下看了看，发现这个子叶上长出了一个类似于胚胎的结构。”唐丽苹说，她看到了那个梦寐以求的胚胎状结构，这让她庆幸不已。

　　唐丽苹发现的这一偶然现象让苏英华意识到，无需愈伤组织过渡，成熟叶片细胞可直接被诱导为胚胎。

　　“这个体系太完美了！叶片细胞不会形成愈伤组织，直接‘鼓包’成胚，干净且清晰。”苏英华立刻告诉张宪省，两人意识到“解决问题的‘钥匙’找到了”。

　　为重现这一现象，苏英华带领学生“像重启实验一样”经过反复验证，终于建立起“诱导单细胞起源的体细胞胚胎发生”稳定体系。

　　“下一个难题是寻找全能干细胞的分子标记。”苏英华说。经过反复试验，他们发现了只在全能干细胞中发光的荧光标记。

　　有了稳定的诱导体系和全能干细胞标记，团队终于打开了该项研究的大门。

　　为了完整记录单个全能干细胞的分裂过程，团队成员曾轮流守在学校公共平台的显微镜前，每次一守就是三天三夜。拍摄失败后，便又是一个接一个的三天三夜。在那些日夜里，他们相互支持，共同坚守，心里只有一个信念：直到完美呈现细胞分裂的过程，实验绝不会停止。

　　最终，通过扫描电镜及激光共聚焦活体成像等技术，他们首次捕捉到单个植物细胞的分裂全过程：从1个细胞分裂为2个，再以“3个一组”的特殊模式逐步形成12个细胞的胚体，直观证实了植物细胞全能性的“单细胞起源”，有力回答了学术界长期存在的疑惑。

团队成员在进行实验研究

“两把钥匙同时来打开一把锁”

　　“植物的细胞要转换成全能细胞，长成一个完整的植株，这里边是一个非常复杂的机理，简单来讲，它需要两把钥匙同时来打开一把锁。我们这两把钥匙都有，并且用这两把钥匙可以启动这个细胞命运的转换，让它发育成一个完整的植株。”

　　张宪省说的“两把钥匙”，就是叶片气孔前体细胞特有的基因SPCH与人工诱导高表达的基因LEC2。

　　“体细胞胚来源于单个的全能干细胞，原本注定要发育成气孔的‘前体细胞’，在全能性调控因子LEC2与气孔发育关键因子SPCH的协同作用下，激活生长素合成通路，导致生长素特异性大量积累，致使前体细胞脱离‘气孔发育之路’，转而成为能够孕育新生命的全能干细胞。”唐丽苹介绍。经过深入研究，团队终于找到了能触发细胞全能性的“这两把钥匙”。

　　利用先进的单细胞测序、显微切割转录组测序与活体成像等前沿技术，团队完整记录了细胞命运重塑的完整路径，揭示了关键的命运分岔点：一条路径是气孔前体细胞继续分化为气孔；另一条路径是在大量合成内源生长素的推动下，单个体细胞被重编程为全能干细胞，走上胚胎发育之路。

　　研究人员将这一关键过渡状态命名为“GMC-auxin”中间态。在这一状态下，细胞发生了深度的染色质重塑，大量沉默的基因被逐步激活，细胞命运轨迹由此产生分岔，为全能性的建立打开了大门。

　　进一步的实验表明，阻断细胞内源生长素合成会使这一重编程过程完全停滞，体细胞胚胎无法形成；而单纯添加外源激素也无法替代这一过程，说明只有细胞自主合成并积累的生长素信号，才能真正触发全能性的开启。

　　《细胞》杂志审稿人认为，该研究揭示的GMC-auxin中间态是“令人兴奋的突破”，首次定义了气孔前体细胞向全能干细胞转变的分子路径，原创性强，意义重大，为理解植物体细胞发育命运改变和再生潜能提供了强有力的科学支撑。

　　文章主要作者（左起：翟立明博士后，苏英华教授，张文杰副教授，张宪省教授，高月博士，唐丽苹副教授，田鑫教授）

加速从实验室到田间的智慧育种

　　“这一理论的解析不仅有助于理解植物细胞发育根本规律，也为精准调控植物再生和定向改良作物性状提供了全新思路与技术工具。”张宪省说。

　　“现在用的这个材料是模式植物拟南芥。下一步就要用在作物上面，特别是一些双子叶植物，根据这个原理，是不是可以建立起作物的体细胞胚大量的再生体系，大量体细胞胚的再生也给基因编辑精准设计育种奠定了扎实的基础。”他补充道。

　　对于该项研究成果的应用前景，中国科学院院士种康也高度肯定：“将来的应用前景是非常广阔的。不仅仅是在个别的植物上，因为把这种机制搞清楚了以后，我们可以研发不同作物或者不同物种的一些技术。这个技术可以再形成产品，从而推动产业的发展。”

　　目前，该体系在小麦、玉米和大豆等作物的实验正同步推进。

　　“未来或可通过精准调控细胞全能性，实现作物优良品种的‘快速克隆’，大幅度缩短育种周期，服务精准设计育种。这也将为珍稀植物种质资源的高效保护、植物合成生物学注入新动力。”张宪省说，“种子是农业的‘芯片’，我们努力走在世界生物学前沿，用中国人的手攥紧中国种子、端稳中国饭碗。”

团队介绍

　　植物发育分子生物学创新团队是教育部授予的“全国高校黄大年式教师团队”，也是教育部授予的“生物化学与分子生物学系列课程国家级教学团队”。团队由张宪省教授牵头，目前团队有教授8人，副教授6人。

　　团队长期从事植物器官发生过程中干细胞活性的调控与维持相关的研究，并坚持将植物干细胞基础理论研究与应用技术研究相结合，推动生物技术应用于产业发展。

　　团队建立了植物离体再生的实验技术体系，揭示了植物激素调控干细胞形成和植物再生的分子机理，明确了不同种类的植物离体再生能力差异的机制，并在世界上首次全面解析了单个植物体细胞重编程形成全能性干细胞并再生完整植株的分子机制，进而利用关键干细胞调控因子促进作物离体芽再生效率，建立了高效作物再生、遗传转化和基因编辑平台，申报国家发明专利10余项，为作物遗传改良和精准分子设计育种提供技术支撑。

　　在小麦分子辅助育种方面，目前团队已经育出6个紫粒糯小麦品系、2个蓝粒糯小麦品系。其中，“山农紫糯小麦一号”已经参加省区试，并申报农业部新品种保护。该品种不仅富含抗氧化衰老的类黄酮，同时直链淀粉含量低，面粉糯质，为新型功能性食品的开发提供了新型小麦种质资源。

　　团队成员在国际著名学术杂志Cell、Nature Plants、Nature Communications等，共发表学术论文150余篇，单篇最高影响因子达42.5。

　　党的十八大以来，团队共承担了2项国家重大科学研究计划项目（973）、2项“十四五”国家重点研发计划项目、4项国家自然科学基金重点项目、5项转基因生物新品种培育重大专项课题、30余项国家自然基金项目。团队的研究成果分别获得山东省自然科学一等奖2项、二等奖1项，以及山东省科技进步二等奖1项。

作者：王骄、王静

编辑：袁琳

审核：周玉森