细胞壁是植物“长寿秘诀”所在？中国植物干细胞研究取得重要进展

自然界中不乏千年古树，植物似乎总是生命力的代名词，它在生命周期中持续不断地产生新的枝、叶、花与果实。而这一切生命律动，都源于一类核心的细胞群——植物干细胞。它们分布于茎顶端、根尖等“生长中枢”，通过精确的分裂与分化，绘制出植物生长的蓝图。也正是由于干细胞活性的精妙调控，塑造了全球约39万种植物的多样形态。

植物是如何维持其干细胞功能以实现强大的再生能力？这一核心问题是植物科学研究的重要前沿，从剑桥到上海，从博士后到研究员，中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员杨卫兵在这一研究方向上钻研十年，又一次带领研究团队取得了重要进展。

北京时间2025年12月5日，杨卫兵团队在国际权威学术期刊Science发表论文，为这一谜题提供了关键答案。中国科学院分子植物科学卓越创新中心博士研究生朱先苗和陈兴为该论文的共同第一作者，杨卫兵为通讯作者。

一直以来，细胞壁都被认为是被动、静止的植物细胞“外骨骼”，但这项研究成果或许颠覆了人们对于细胞壁的传统认知。

研究发现，细胞壁的力学特性在干细胞调控中扮演着核心角色。在植物茎尖干细胞区域，细胞壁的主要成分果胶（pectin）呈现出独特的“二元分布”模式：新形成的细胞横壁偏“软”，富含去甲酯化果胶；而成熟的细胞壁则更“硬”，以高度甲酯化的果胶为主。这种“软硬兼备”的时空构型，对维持干细胞微环境稳态至关重要。

拟南芥分生组织干细胞的细胞壁“二元修饰”模式。本文图片均为 中国科学院分子植物科学卓越创新中心 供图

细胞壁超微结构调控干细胞稳态模型。

研究进一步发现，植物能够通过精确控制某些mRNA（信使分子）在特定时间和位置的分布，来精细调节细胞壁的微观结构。这种调控帮助干细胞在合适的时间、以正确的方式进行分裂，从而确保植物正常发育和形态构建。在新生的细胞壁中，果胶成分的去甲酯化过程使其变得较为柔软、易调整，从而帮助细胞灵活确定分裂的方向和位置；而在成熟的细胞壁中，果胶保持高甲酯化状态，则有利于维持干细胞持续分裂的能力以及组织的稳定。因此，细胞壁结构的动态变化，实际上像是控制干细胞命运的一个“核心开关”，引导其在分裂、分化等不同状态间转换。

对这一“核心开关”的运作机制进一步解析，会发现一个有趣的“例外”：PME5是负责催化果胶“软化”的关键酶，其信使RNA（mRNA）在转录后并不立即进入细胞质，而是被特异性滞留于细胞核内，形成一个与细胞周期同步的mRNA储备库。只有当细胞分裂启动、核膜解体之际，这些被禁锢的mRNA才被同步释放，迅速翻译为功能蛋白，精准作用于新生细胞壁，实现细胞壁局部的、定时定点的“软化”调控。

PME5转录本（mRNA）的细胞核定位。

这种mRNA的核内隔离机制，犹如一个预设的“时间胶囊”，确保了细胞壁修饰程序仅在细胞分裂的关键时间窗口被激活，从而实现新旧细胞壁性质的精确区分。该机制也完美解释了植物如何在紧密相邻的细胞区域维持截然不同的细胞壁力学特性。

研究证实，一旦该调控机制遭到破坏，植物会表现出细胞分裂模式紊乱、干细胞活性降低、分生组织发育终止等一系列缺陷，从而确立了细胞壁的精细构造对干细胞的活性起着关键作用。本研究不仅回答了植物干细胞命运决定这一核心科学问题，也揭示了一种全新的基因表达调控模式——mRNA核滞留。PME5 mRNA在细胞内的位置和出现时间被精细调控，这就像一套内在的“时空协调程序”，巧妙地将干细胞增殖与细胞壁重建两个过程紧密联系起来，从而精准引导干细胞该何时分裂、何时分化。

值得关注的是，该调控机制在玉米、大豆、番茄等多种作物中高度保守。作物的株高、分蘖数、穗型和果实大小等关键农艺性状，都与干细胞活力密切相关。基于“细胞壁精准设计”策略，该研究成果有望助力提升作物分生组织活性和产量潜力，为培育高产高效作物、保障国家粮食安全、助力“双碳”目标实现，提供关键的理论支撑和技术路径。