單個(gè)體細(xì)胞如何發(fā)育成完整植株？這一困擾植物學(xué)界一個(gè)多世紀(jì)的難題近日終于得解。
北京時(shí)間9月16日22時(shí)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(duì)論文，首次揭示了單個(gè)體細(xì)胞發(fā)育成完整植株背后的分子機(jī)制。
張憲省教授率領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)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(shí)間長達(dá)20年。
中國科學(xué)院院士種康給予高度評價(jià)：“該研究成果為作物再生體系優(yōu)化提供了理論藍(lán)圖，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)。”
早在1902年，植物學(xué)家哈伯蘭特就提出“植物細(xì)胞全能性”概念，認(rèn)為植物的每個(gè)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。120多年過去了，這一概念背后的機(jī)理始終未被揭示?！犊茖W(xué)》雜志將“單個(gè)體細(xì)胞如何發(fā)育成完整植株”列在本世紀(jì)最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)難題第9位。
究竟難在何處？論文通訊作者之一、小麥育種全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任張憲省打了一個(gè)比喻：“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?！?/span>
擬南芥單個(gè)體細(xì)胞發(fā)育成植株示意圖。
2005年，張憲省帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，以擬南芥這一植物為研究對象，開啟長達(dá)20年的探索。經(jīng)過十幾萬次實(shí)驗(yàn)積累，研究團(tuán)隊(duì)大致分“兩步走”發(fā)現(xiàn)了單細(xì)胞“再生”植物機(jī)理：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(gè)“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)胞才能合成大量生長素。
“這兩個(gè)基因如同兩把鑰匙，共同開啟轉(zhuǎn)動細(xì)胞‘命運(yùn)的齒輪’，為細(xì)胞全能性建立打開了大門?！闭撐耐ㄓ嵶髡咧?、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副院長蘇英華表示，實(shí)驗(yàn)的成功離不開完整實(shí)驗(yàn)體系的構(gòu)建和多種前沿技術(shù)的加持。團(tuán)隊(duì)首次捕捉到單細(xì)胞分裂全過程，更加直觀地證實(shí)了“植物細(xì)胞全能性”的單細(xì)胞起源。
張憲省教授介紹觸發(fā)細(xì)胞全能性的“關(guān)鍵鑰匙”。
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?！澳盟緛碚f，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(shí)間?！碧K英華表示，如果結(jié)合單細(xì)胞“再生”方法育種，在實(shí)驗(yàn)室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，從而讓人們吃上更好的大米。
種子被喻為農(nóng)業(yè)的“芯片”，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和糧食安全的命脈?！澳壳?，我們正探索推進(jìn)小麥、玉米、大豆等作物實(shí)驗(yàn)，努力走在世界生物學(xué)前沿，用中國人的手攥緊中國種子、端穩(wěn)中國飯碗。”張憲省說。
植物“霸總”重生記：
用一個(gè)細(xì)胞，“打印”一個(gè)自己
