研究背景与意义 - 单个细胞发育成胚胎是生物学中最深刻的进程之一 胚胎通常起源于受精卵 传统观点认为唯有受精卵才具备全能性[2] - 植物中已分化的体细胞在适宜条件下能重新获得全能性并启动胚胎发生 这种现象被称为体细胞胚胎发生 为研究细胞可塑性与重编程提供了宝贵模型[2] - 植物体细胞胚胎发生的精确细胞起源和分子通路是悬而未决的世纪难题 "单个体细胞如何发育成完整植株"被Science列为最具挑战的125个关键科学问题之一[2] 研究团队与发表 - 山东农业大学张宪省 苏英华及荷兰拉德堡德大学须健 北京华大生命科学研究院夏科科作为共同通讯作者 于2025年9月16日在Cell发表研究成果[3] - 研究首次完整揭示了植物单个体细胞通过重编程改变命运最终发育为完整植株的全过程[4] - 该研究破解了困扰科学界百余年的"植物细胞全能性"机制之谜 为作物遗传改良与高效再生提供了全新理论支撑[5] 核心发现与机制 - 研究证实LEAFY COTYLEDON2 (LEC2)使表达SPEECHLESS (SPCH)的拟分生组织母细胞脱离气孔谱系 驱动它们转化为全能的体细胞胚胎起始细胞[7] - 通过时间进程活体成像 单细胞核RNA测序和空间激光捕获显微切割结合RNA测序 揭示了命运分叉点 MMC衍生细胞可分化为保卫细胞或转变为富含生长素的保卫母细胞中间态[7] - LEC2和SPCH协同激活色氨酸氨转移酶-1 (TAA1)和YUC4 建立局部生长素生物合成回路 这对体细胞胚胎起始细胞的特化至关重要[8] - 遗传和启动子分析证实MMC是体细胞胚胎的起源 TAA1/YUC介导的生长素生物合成对于全能性和胚胎发生不可或缺[8] 关键突破点 - LEC2能将体细胞表皮细胞重编程为全能性体细胞胚胎起始细胞[9] - LEC2和SPCH通过靶向TAA1和YUC4共同激活局部生长素生物合成[9] - GMC-auxin中间态标志着气孔细胞从分化向全能性的转变[9] - 转录重编程和生长素信号转导驱动气孔细胞的重编程[9] 研究意义与应用 - 研究首次全面解析了单个植物体细胞重编程形成全能干细胞并再生完整植株的分子机制 在GMC-auxin中间态下大量转录因子形成高度耦合的调控网络激活下游胚胎发生程序[11] - 该研究有助于理解植物细胞发育的根本规律 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[11]