四川
封面新闻记者 马晓玉
20年前，《科学》在创刊125周年之际提出了125个最关键的科学问题，“单个体细胞如何发育成完整植株”位列第9。
20年过去，我国科学家就这一难题交出了答卷。山东农业大学张宪省教授和苏英华教授研究团队，世界首次完整揭示了单个植物体细胞如何发育为完整植株的全过程，从而破解了困扰科学界的“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理论支撑。9月16日，相关成果在线发表于《细胞》杂志。
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。图源山东农业大学
针对上述研究成果，有网友调侃，“吴承恩老师可能做梦都没想到，千年后我们真的研究出来可以拔毛变猴的技术。”这样理解到底正不正确？9月17日，团队成员向封面新闻记者表示，“虽然不是一个事，但也可以这样比喻。”
孙悟空拔毛化身小猴，从科学的角度来理解的话，好比单细胞高效克隆。此次发现，正解释了植物是如何通过单一细胞再生完整生命体。
较动物细胞而言，植物细胞具有更强的发育可塑性。一方面，植物细胞无需受精就能发育成胚胎。另一方面，植物细胞有着独特的“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。
然而，一个多世纪过去了，植物体细胞经过重编程，从“普通细胞”转变为“全能干细胞”的核心秘密一直未能揭开。
在苏英华看来，“复刻”自然界的奇迹，最大挑战是要构建单个体细胞直接发育成胚胎的实验技术体系。自2005年起，团队以拟南芥为模型开启探索，一场持续20年的科研“马拉松”就此展开。
2009年，苏英华首次在拟南芥中发现，大量生长素的积累是细胞全能性激活的“开关”。“但当时建立的实验体系还不完美。”苏英华解释说，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。”
气孔前体细胞中积累生长素后转变为全能干细胞。图源山东农业大学
2011年的一次意外发现使得研究迎来转折，论文第一作者唐丽苹发现了一种诱导因子，它能使得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。
为重现这一现象，团队建立起了稳定的诱导体系和全能干细胞标记，打开了这项研究的大门。为追踪细胞“变身”全过程，他们采用了当时最前沿的技术：用荧光标记锁定目标细胞，再通过激光共聚焦显微镜连续拍摄三四天。
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1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。
通过深入研究，团队找到了触发细胞全能性的“关键钥匙”：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LEC2，二者协同作用形成“分子开关”。
苏英华表示，他们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。
中国科学院院士种康认为，该发现不仅深化了对植物细胞全能性机理的理解，也为破解农业生物技术长期存在的“再生瓶颈”开辟了新路径。
据了解，目前该体系在小麦、玉米和大豆等作物上的实验正同步推进。
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