中国团队解锁世纪难题！全球首次揭秘单个体细胞“变”完整植株

单个体细胞如何发育成完整植株？这是困扰科学界一个多世纪的难题。好消息传来，中国科学家成功破解了这一难题。

北京时间9月16日22时30分，全球顶级学术期刊《细胞》在线发表山东农业大学研究团队论文，首次揭示了单个体细胞发育成完整植株背后的分子机制。

“单个体细胞如何发育成完整植株”这一困扰科学界百余年的世纪难题，现已由山东农业大学科研团队首次完整揭示。

中国科学院院士种康给予了这样的评价——这标志着中国在植物发育和生物技术研究领域为世界作出了里程碑式的贡献！

这项研究源于1902年提出的“植物细胞全能性”概念。这一概念认为，植物的每个细胞均包含该物种全部遗传信息，在适宜条件下，可以发育成“全能干细胞”，进而长成完整植株。然而，从概念提出至今，120多年过去了，其分子机理始终未解。《科学》杂志甚至将其列为本世纪最具挑战性的科学问题之一。

一个小小的拟南芥叶片体细胞在生长素的作用下，重编程形成全能干细胞，再生成胚胎，进而发育为一株完整的拟南芥植株。

究竟难在何处？

“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。”论文通讯作者之一、小麦育种全国重点实验室主任张宪省打了一个形象的比喻。

就在《科学》杂志发布世纪科学难题的同一年，张宪省带领团队，以拟南芥为研究对象，开启了长达20年的探索。

张宪省率领的科研团队以拟南芥为模型开启“植物细胞全能性”机制之谜探索，时间长达20年。

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。

模式图展示气孔前体细胞的两条发育路径

研究首先发现，只有拟南芥叶片体细胞内合成大量生长素，这个“普通细胞”才能变身“全能干细胞”。在此基础上又发现，在叶片气孔前体细胞特有基因SPCH与人工诱导高表达基因LEC2协同作用下，体细胞内才能合成大量生长素。

张宪省教授介绍触发细胞全能性的“关键钥匙”。

“这两个基因如同两把钥匙，共同转动了拟南芥叶片细胞‘命运的齿轮’，为细胞全能性的建立打开了大门。”论文通讯作者之一、山东农业大学生命科学学院副院长苏英华说，“团队首次捕捉到单细胞分裂全过程，更为直观地证实了‘植物细胞全能性’的单细胞起源。”

经过无数次夜以继日的科研探索和坚守，团队系统记录了细胞命运重塑的完整路径。

这一最新发现，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。

苏英华拿水稻举例。水稻杂交育种通常需要8-10年，即使采用我国先进的南繁技术，一年两代种植，至多缩短一半时间。如果结合单细胞“再生”方法育种，在实验室里就能完成杂交育种优势后代的无性繁殖，杂种优势得到固定，育种期有望进一步大幅缩短。

这一“再生”现象在植物快繁、生物技术育种、合成生物学等农业生产中具有极为重要的应用价值，将给农业的未来带来无限可能。

目前，研究团队正探索开展小麦、玉米、大豆等最新育种实验。“种子是农业的‘芯片’，必须攥在中国人自己手里。”张宪省相信，“用咱中国人自己的手，一定能端稳中国饭碗。”

（大众新闻记者 李子路 于新悦 王世翔 赵洪杰 通讯员 王静 卢丽静 郭海涵 设计 张海飞）