一片叶子如何发生“命运逆转”？中国科学家给出答案

在高中课本上我们就学习过：植物细胞具有全能性，在离体培养并提供适当条件时可以经过脱分化、再分化形成完整植株。早在1958年，科学家就通过体外培养韧皮部细胞获得了胡萝卜植株。一系列先前研究显示，植物激素在植物细胞全能性的调控过程中很重要。在植物组织培养过程中，施加外源植物激素控制脱分化和再分化的工序已经非常成熟。但是在自然状态下植物调控内源激素分泌并控制细胞分化的机制仍不清楚。这个过程中在组织和细胞内具体发生了什么？这个问题曾被Science杂志列入“世界125个最具挑战的科学问题”。现在，来自中国的科学家们给出了自己的答案。

科学家选择了拟南芥子叶中的分生组织母细胞进行研究。在正常发育路径中，这类细胞将分化成为组成叶片气孔的保卫细胞，但只要上调LEC2基因的表达，这些细胞就会改变命运，分化成类似胚胎细胞的全能细胞：体细胞胚。这个过程是通过植物激素的合成和分泌实现的吗？科学家将细胞中生长素合成和响应相关分子开关与能显示绿色荧光的报告基因GFP耦联，让细胞内生长素的合成可视化，再通过单细胞级别的显微技术对子叶组织进行动态观察。结果显示LEC2启动表达后能观察到生长素启动合成。这说明在植物细胞全能性的调控过程中生长素起到关键作用，并且整个过程在单个细胞内即可完成。有趣的是，生长素和原本调控分生组织母细胞分化为保卫细胞的核心分子SPCH之间不是相互对抗的关系，反而起到协同作用。一旦细胞中SPCH表达缺失，体细胞胚就无法形成。原本我们认为SPCH在气孔发育过程中是一个“保持直行”的信号，现在看来它更像是一个站在路口的交警，根据不同的路况指挥着细胞走向不同的分化路径。

图：生长素合成基因+绿色荧光蛋白基因，用绿色荧光可视化生长素合成

到此为止，我们已经积累了很多证据，表明LEC2表达可以启动细胞内生长素合成，并且这个过程依赖于SPCH。这些分子之间具体是如何相互作用，实现对应功能的呢？先前已经有研究显示，LEC2和SPCH可以作为转录因子调控特定的基因表达。那么他们在调控生长素合成相关基因时是否共同发挥作用呢？科学家分别将黄色荧光蛋白的两个部分与LEC2和SPCH融合，如果这两个分子在细胞内相互接近甚至发生结合，就会发出黄色荧光。结果显示当LEC2基因表达上调时，细胞核内出现黄色荧光，证明LEC2和SPCH在细胞核内结合，很有可能共同发挥作用，调节某些基因的表达。后续研究显示，单独表达LEC2就可以启动细胞内生长素合成基因的表达，但SPCH存在时基因表达显著上调，将生长素合成维持在较高水平，确保形成体细胞胚所需的局部高浓度生长素环境。

图：上调LEC2表达时在细胞核内观察到黄色荧光

除了最核心的生长素合成基因外，LEC2还启动了细胞内哪些基因的表达呢？科学家用激光捕获显微切割技术将诱导早期就表达出指示体细胞胚相关基因的细胞“选择”出来进行单细胞RNA分析。分析结果显示在这些转向体细胞胚发育路径的细胞中，不仅生长素相关基因表达得以增强，它们的染色质被重塑，气孔分化被抑制，从多个方面指导细胞走上另一条分化道路。

当然，“单个细胞如何发育成完整生物体”是个庞大科学的问题，这项研究不可能将每一个细节一一回答，反而越研究，新的问题就越多。除拟南芥外，其他的生物也具有类似的调控机制吗？会不会有什么不同？染色质重塑、气孔分化抑制等过程之间是否具有更复杂的相互调控机制？但在回答这些问题的过程中，每一个小进展都在向我们展示：细胞的命运调控是多么精密，生物体作为一个生命系统是多么神奇!

作者：何一文 清华大学本硕，中学教师

审核：李旭 中国科协研究员，中国科学技术大学副教授