山东农业大学发表最新Cell论文，破解世纪难题

来源：生物世界 2025-09-17 11:14

这项研究不仅破解了困扰科学界百余年的“植物细胞全能性”机制之谜，也为作物遗传改良与高效再生提供了全新的理论支撑。

单个细胞发育成胚胎的过程代表了生物学中最深刻的进程之一。无论是植物还是动物，胚胎通常起源于受精卵（由配子融合形成的全能细胞）。传统观点认为，唯有受精卵才具备全能性，即形成完整生物体所需全部细胞类型的能力。

在植物中，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。这种非凡能力构成了植物独特再生潜力的基础，并为研究细胞可塑性与重编程的分子机制提供了宝贵模型。

然而，植物的体细胞胚胎发生的精确细胞起源，以及使体细胞重获全能性的分子通路，是一个悬而未决的世纪难题。 单个体细胞如何发育成完整植株 ，这一问题早在 2005 年，就被国际顶尖学术期刊Science在其创刊 125 周年时列为最具挑战的 125 个关键科学问题之一。

2025 年 9 月 16 日，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（唐丽苹、翟立明、李纪明、高月为共同第一作者），在国际顶尖学术期刊Cell上发表了题为：Time-resolved reprogramming of single somatic cells into totipotent states during plant regeneration的研究论文。

该研究解析了植物再生过程中单个体细胞向全能状态的时间分辨重编程，从而首次完整揭示了植物单个体细胞如何通过重编程改变命运，最终发育为完整植株的全过程。

这项研究不仅破解了困扰科学界百余年的 植物细胞全能性 机制之谜，也为作物遗传改良与高效再生提供了全新的理论支撑。

全能性使单个细胞能够再生为一个完整生物体，但已经分化了的体细胞如何重新获得这种潜能，目前仍不清楚。

在这项最新研究中，研究团队证实，在拟南芥子叶中，LEAFY COTYLEDON2（LEC2）使表达 SPEECHLESS（SPCH）的拟分生组织母细胞（MMC）脱离气孔谱系的进展，驱动它们转化为全能的体细胞胚胎起始细胞（SEFC）。

通过时间进程活体成像、单细胞核 RNA 测序（snRNA-seq）以及空间激光捕获显微切割结合 RNA 测序（LCM-RNA-seq），研究团队揭示了一个命运分叉点，在此，MMC 的衍生细胞要么分化为保卫细胞（气孔细胞），要么转变为富含生长素的保卫母细胞中间态（GMC-auxin），这种生长素富集状态能够实现转录重编程和胚胎基因激活，从而让单个体细胞被重编程为全能，走上胚胎发育之路。

LEC2 和 SPCH 协同激活色氨酸氨转移酶-1（TAA1）和 YUC4，建立了一个局部生长素生物合成回路，这对于 SEFC 的特化至关重要。遗传和启动子分析证实，MMC 是体细胞胚胎的起源，而 TAA1/YUC 介导的生长素生物合成对于全能性和胚胎发生是不可或缺的。

这些发现确定了一条由生长素驱动、受转录调控的轨迹，将气孔前体细胞与体细胞胚胎发生联系起来，揭示了一条直接发育途径，有助于增进对植物再生可塑性的机制理解。

该研究的核心发现：

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；

LEC2 和 SPCH 通过靶向 TAA1 和 YUC4 共同激活局部生长素生物合成；

GMC-auxin 中间态标志着气孔细胞从分化向全能性的转变；

转录重编程和生长素信号转导驱动气孔细胞的重编程。

总的来说，该研究在世界上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，进而激活下游的胚胎发生程序。这项研究不仅有助于理解植物细胞发育的根本规律，也为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。

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