气孔前体细胞的两种发育途径示意图。山东农业大学供图 单个体细胞是如何发育成完整植物的？这是植物生命科学中尚未解决的世界难题。 2005 年，在创刊 125 周年之际，《科学》杂志列出了 125 个最具挑战性的基本科学问题，这就是其中之一。近日，山东农业大学牵头的联合团队首次全面揭示了单个植物体细胞如何通过基因重编程“命运”改变，最终发育成完整植物的全过程。研究结果在线发表在《细胞》杂志上。与动物细胞相比，植物细胞具有更大的发育可塑性。在某些条件下，它们无需受精即可发育成胚胎，这种现象称为体细胞胚胎发生。张先胜 论文通讯作者、山东农业大学教授说，植物细胞具有独特的“再生”能力。例如，任何类型的体细胞如叶子，经过重编程后都可以恢复到原来的干细胞状态，并进一步进入“体细胞胚胎发生”阶段，最终再生为完整的植物。 1902年，科学家提出“植物细胞全能性”的概念来解释植物细胞的上述能力。即植物细胞可以去分化形成类似于受精卵的全能干细胞，进而发育成完整的植物。这种奇迹在植物界广泛存在，包括农作物和木本植物。例如，多汁的叶子可以发芽新植物。然而，这背后的分子机制尚不清楚。为了揭开这个谜团，从2005年开始，张显生带领的科研团队开始以拟南芥为研究对象进行探索。 “一片叶子可以‘转变’成一株新植物，我们想知道这种‘转变’是如何发生的？论文通讯作者之一苏英华说。20年来，该团队先后构建了单个体细胞直接发育成胚胎的实验技术体系，以及稳定的指示单细胞起源的“体细胞胚胎发生”系统，并首次发现大量生长素的积累是激活细胞全能性的“开关”。 科研仪器和尖端生物技术，团队首次捕捉到单个植物细胞的整个分裂过程。经过进一步研究，团队找到了诱导细胞全能性的“钥匙”：叶片气孔前体细胞特有的基因spch和人工诱导的高表达基因LEC2，它们共同作用产生了“分子开关”。 “由于需要两把钥匙才能上锁，其中一把是 缺一不可。”张先生说。那两个主要的“灯”呢？论文第一作者、山东农业大学副教授唐立平表示，体细胞胚胎起源于单个全能干细胞，该干细胞起源于注定要发育成气孔的“前体细胞”。在全能性调控因子LEC2和气孔发育主要因子SPCH的协同作用下，生长素合成 途径被激活，导致生长素大量特异性积累，从而导致前体细胞远离新生命。基于上述发现，团队完整记录了细胞命运重塑的完整路径，并揭示了主要的命运分叉点。在从“普通细胞”向“全合一细胞”转变为“有能力干细胞”的关键过渡状态期间，细胞经历了深层染色质 重塑，大量沉默基因逐渐被激活。细胞命运轨迹分叉，开启他开启了建立全能性的大门。对这一理论的分析不仅有助于理解细胞发育的基本规律，而且可以为植物再生提供精确控制。为产量性状的生物学定向改良提供了新的思路和技术工具。目前，该系统在小麦、玉米、大豆等作物上的实验正在同时进行。 “未来，通过精确控制细胞全能性，可以实现高产品种的快速克隆，大大缩短育种时间，实现精准设计育种。”张显生说，“这也将为珍稀植物资源的高效保护和植物合成生物学注入新的动力。” 《人民日报》（2025年10月19日第05页）