單個體細胞如何發(fā)育成完整植株？這是困擾科學界一個多世紀的難題。好消息傳來，中國科學家成功破解了這一難題。
北京時間9月16日22時30分，全球頂級學術期刊《細胞》在線發(fā)表山東農(nóng)業(yè)大學研究團隊論文，首次揭示了單個體細胞發(fā)育成完整植株背后的分子機制。
“單個體細胞如何發(fā)育成完整植株”這一困擾科學界百余年的世紀難題，現(xiàn)已由山東農(nóng)業(yè)大學科研團隊首次完整揭示。
中國科學院院士種康給予了這樣的評價——這標志著中國在植物發(fā)育和生物技術研究領域為世界作出了里程碑式的貢獻！
這項研究源于1902年提出的“植物細胞全能性”概念。這一概念認為，植物的每個細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“全能干細胞”，進而長成完整植株。然而，從概念提出至今，120多年過去了，其分子機理始終未解?！犊茖W》雜志甚至將其列為本世紀最具挑戰(zhàn)性的科學問題之一。
一個小小的擬南芥葉片體細胞在生長素的作用下，重編程形成全能干細胞，再生成胚胎，進而發(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?、小麥育種全國重點實驗室主任張憲省打了一個形象的比喻。
就在《科學》雜志發(fā)布世紀科學難題的同一年，張憲省帶領團隊，以擬南芥為研究對象，開啟了長達20年的探索。
張憲省率領的科研團隊以擬南芥為模型開啟“植物細胞全能性”機制之謎探索，時間長達20年。
二十年磨一劍。從搭建完整的實驗體系，到掌握單細胞測序、顯微切割轉(zhuǎn)錄組測序與活體成像等前沿技術，經(jīng)過十幾萬次實驗積累，研究團隊最終發(fā)現(xiàn)了單細胞“再生”植物的分子機理。
模式圖展示氣孔前體細胞的兩條發(fā)育路徑
研究首先發(fā)現(xiàn)，只有擬南芥葉片體細胞內(nèi)合成大量生長素，這個“普通細胞”才能變身“全能干細胞”。在此基礎上又發(fā)現(xiàn)，在葉片氣孔前體細胞特有基因SPCH與人工誘導高表達基因LEC2協(xié)同作用下，體細胞內(nèi)才能合成大量生長素。
張憲省教授介紹觸發(fā)細胞全能性的“關鍵鑰匙”。
“這兩個基因如同兩把鑰匙，共同轉(zhuǎn)動了擬南芥葉片細胞‘命運的齒輪’，為細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)大學生命科學學院副院長蘇英華說，“團隊首次捕捉到單細胞分裂全過程，更為直觀地證實了‘植物細胞全能性’的單細胞起源?！?/span>
經(jīng)過無數(shù)次夜以繼日的科研探索和堅守，團隊系統(tǒng)記錄了細胞命運重塑的完整路徑。
這一最新發(fā)現(xiàn)，為精準調(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，即使采用我國先進的南繁技術，一年兩代種植，至多縮短一半時間。如果結合單細胞“再生”方法育種，在實驗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，育種期有望進一步大幅縮短。
這一“再生”現(xiàn)象在植物快繁、生物技術育種、合成生物學等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有極為重要的應用價值，將給農(nóng)業(yè)的未來帶來無限可能。
目前，研究團隊正探索開展小麥、玉米、大豆等最新育種實驗?！胺N子是農(nóng)業(yè)的‘芯片’，必須攥在中國人自己手里?！睆垜検∠嘈牛坝迷壑袊俗约旱氖?，一定能端穩(wěn)中國飯碗?！?/span>
來源：大眾新聞
編輯：李新花 劉德增 劉曉哲
一審：賈春毅
二審：孫瑞永
三審：管延會
