單個體細(xì)胞如何發(fā)育成完整植株？這是困擾科學(xué)界一個多世紀(jì)的難題。好消息傳來，中國科學(xué)家成功破解了這一難題。
北京時間9月16日22時30分，全球頂級學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》在線發(fā)表山東農(nóng)業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊論文，首次揭示了單個體細(xì)胞發(fā)育成完整植株背后的分子機(jī)制。
“單個體細(xì)胞如何發(fā)育成完整植株”這一困擾科學(xué)界百余年的世紀(jì)難題，現(xiàn)已由山東農(nóng)業(yè)大學(xué)科研團(tuán)隊首次完整揭示。
中國科學(xué)院院士種康給予了這樣的評價——這標(biāo)志著中國在植物發(fā)育和生物技術(shù)研究領(lǐng)域?yàn)槭澜缱鞒隽死锍瘫降呢暙I(xiàn)！
這項研究源于1902年提出的“植物細(xì)胞全能性”概念。這一概念認(rèn)為，植物的每個細(xì)胞均包含該物種全部遺傳信息，在適宜條件下，可以發(fā)育成“全能干細(xì)胞”，進(jìn)而長成完整植株。然而，從概念提出至今，120多年過去了，其分子機(jī)理始終未解?！犊茖W(xué)》雜志甚至將其列為本世紀(jì)最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題之一。
一個小小的擬南芥葉片體細(xì)胞在生長素的作用下，重編程形成全能干細(xì)胞，再生成胚胎，進(jìn)而發(fā)育為一株完整的擬南芥植株。
究竟難在何處？
“就像孫悟空拔一撮猴毛變出一群小猴子，過程看似容易，但要知道猴毛為什么能變成猴子卻非常難?！闭撐耐ㄓ嵶髡咧弧⑿←溣N全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任張憲省打了一個形象的比喻。
就在《科學(xué)》雜志發(fā)布世紀(jì)科學(xué)難題的同一年，張憲省帶領(lǐng)團(tuán)隊，以擬南芥為研究對象，開啟了長達(dá)20年的探索。
張憲省率領(lǐng)的科研團(tuán)隊以擬南芥為模型開啟“植物細(xì)胞全能性”機(jī)制之謎探索，時間長達(dá)20年。
二十年磨一劍。從搭建完整的實(shí)驗(yàn)體系，到掌握單細(xì)胞測序、顯微切割轉(zhuǎn)錄組測序與活體成像等前沿技術(shù)，經(jīng)過十幾萬次實(shí)驗(yàn)積累，研究團(tuán)隊最終發(fā)現(xiàn)了單細(xì)胞“再生”植物的分子機(jī)理。
模式圖展示氣孔前體細(xì)胞的兩條發(fā)育路徑
研究首先發(fā)現(xiàn)，只有擬南芥葉片體細(xì)胞內(nèi)合成大量生長素，這個“普通細(xì)胞”才能變身“全能干細(xì)胞”。在此基礎(chǔ)上又發(fā)現(xiàn)，在葉片氣孔前體細(xì)胞特有基因SPCH與人工誘導(dǎo)高表達(dá)基因LEC2協(xié)同作用下，體細(xì)胞內(nèi)才能合成大量生長素。
張憲省教授介紹觸發(fā)細(xì)胞全能性的“關(guān)鍵鑰匙”。
“這兩個基因如同兩把鑰匙，共同轉(zhuǎn)動了擬南芥葉片細(xì)胞‘命運(yùn)的齒輪’，為細(xì)胞全能性的建立打開了大門。”論文通訊作者之一、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副院長蘇英華說，“團(tuán)隊首次捕捉到單細(xì)胞分裂全過程，更為直觀地證實(shí)了‘植物細(xì)胞全能性’的單細(xì)胞起源。”
經(jīng)過無數(shù)次夜以繼日的科研探索和堅守，團(tuán)隊系統(tǒng)記錄了細(xì)胞命運(yùn)重塑的完整路徑。
這一最新發(fā)現(xiàn)，為精準(zhǔn)調(diào)控植物“再生”和定向改良作物性狀提供了全新思路與技術(shù)工具。
蘇英華拿水稻舉例。水稻雜交育種通常需要8-10年，即使采用我國先進(jìn)的南繁技術(shù)，一年兩代種植，至多縮短一半時間。如果結(jié)合單細(xì)胞“再生”方法育種，在實(shí)驗(yàn)室里就能完成雜交育種優(yōu)勢后代的無性繁殖，雜種優(yōu)勢得到固定，育種期有望進(jìn)一步大幅縮短。
這一“再生”現(xiàn)象在植物快繁、生物技術(shù)育種、合成生物學(xué)等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有極為重要的應(yīng)用價值，將給農(nóng)業(yè)的未來帶來無限可能。
目前，研究團(tuán)隊正探索開展小麥、玉米、大豆等最新育種實(shí)驗(yàn)?！胺N子是農(nóng)業(yè)的‘芯片’，必須攥在中國人自己手里。”張憲省相信，“用咱中國人自己的手，一定能端穩(wěn)中國飯碗?！?/p>
（大眾新聞記者 李子路 于新悅 王世翔 趙洪杰 通訊員 王靜 盧麗靜 郭海涵 設(shè)計 張海飛）
