单个体细胞如何发育成完整植株？现实中人们司空见惯的自然现象，其背后的机制却是困扰科学界一个多世纪的难题。国际著名学术期刊《细胞》近日在线发表中国科学家的科研成果，山东农业大学研究团队首次揭秘单个体细胞如何“变”完整植株。破解“植物细胞全能性”的分子机制为何这么难？这一研究成果会给植物育种与保护以及生物细胞的未来研究带来哪些积极影响？我们请中国科学院西南生物多样性中心生物学博士刘耀文来说一说。
（1）植物细胞独有的特殊技能养过花花草草的人一定非常熟悉，植物其实很容易移植，有时甚至无需种子或者整株移植，只需要剪下一根枝条、一片叶子插到土里，就可以使其发育成一株完整的植物。这虽然是存在于自然界的一种正常现象，但并不简单，比如人就做不到。而植物受到创伤或者离体培养时，会形成一种特有的薄壁细胞团，专业术语为“愈伤组织”，具有很强大的修复和再生能力。
事实上，植物的这一特殊技能很早就引起了科学家的关注。1902年，德国植物学家哈伯兰特提出“植物细胞全能性”的概念来描述这种现象，即植物在已经分化（指细胞发育成不同类型、承担特定功能的稳定性差异现象）结束后，可以脱分化使其恢复到类似于受精卵这样的全能干细胞，再进一步发育为完整植株。哈伯兰特甚至预言，这种现象适用于植物的每一个细胞。为了验证这个观点，无数科学家先后开展了研究，比如，用番茄根尖培育出愈伤组织；离体培养菟丝子的茎尖，然后在试管中形成了开花植株等，主要聚焦于植物部位的培养。直到1958年，美国科学家斯图尔德利用成熟胡萝卜韧皮部的细胞，首次成功培育出完整的植株并且使其顺利开花结果，这才证实了哈伯兰特当年关于植物细胞具有全能性的预言。
不过，为什么植物细胞具有全能性，动物细胞却基本没有呢？这背后到底藏着什么秘密？2005年，国际著名学术期刊《科学》发布了125个最具挑战性的科学问题，其中“单个体细胞如何发育成完整植株”被视为最重要的25个科学问题之一。17年后，这个困扰着无数科学家的问题依然没有找到答案，于是《科学》杂志2022年再度发布125个最前沿科学问题时，仍然将其列入其中，且问题更加尖锐：为什么只有一些细胞会变成其他细胞？
揭秘“植物细胞全能性”很难，不仅需要更加完善的显微技术来追踪细胞发育的过程，还要用先进的分子技术来探究这个过程中分子变化背后的秘密。
如今，这道难题等来了中国科学家的答案。我国山东农业大学的张宪省和苏英华教授研究团队首次完整揭示了单个植物体细胞如何通过基因重编程，最终发育为完整植株的全过程。相关研究成果近日登上国际著名学术期刊《细胞》，该成果不仅破解了“植物细胞全能性”分子机制之谜，也为作物遗传改良与高效再生提供了全新理论支撑。
（2）首次“看见”单个细胞分裂全程
我国科学家首先选择了经典的模式生物（指为研究生命现象普遍规律而选定的物种，具有易于实验操作、遗传背景清晰等特点）拟南芥作为研究对象。拟南芥无论是基因组构建、遗传分析还是细胞研究都拥有成熟的研究体系，可以让整个研究易于操作、结果容易展现。
其次是基因操作。植物细胞不能自然地逆分化重新发育，所以传统研究让植物细胞恢复全能性往往需要用外源激素或者特定的转录因子来激活。前期研究表明，有一种特殊的转录调控因子LEC2（子叶调控因子2）会在胚胎发育的特定时期活跃，能够启动胚胎程序。为了启动这个因子，研究人员构建了雌二醇诱导型LEC2表达系统（LEC2-iOX），当培养拟南芥细胞的时候，只要在培养基里加入雌二醇，就可以激活LEC2的表达。研究人员选择了一种按常规会发育成气孔组织的分生组织母细胞，把其放到培养基里，加入雌二醇，然后用扫描电子显微镜在高倍视野下进行观察。
于是，一场奇妙的微观之旅在显微镜下开始了。当雌二醇启动LEC2表达之后，一个表皮细胞偏离了既定的分化路线，它不再进一步分化，而是选择了分裂，先是对称分裂为两个大小基本一致的子细胞，其中一个子细胞再进行一次不对称分裂，形成了一个三细胞结构。这个过程不像传统的激素诱导细胞形成随意的愈伤组织，而是像受精卵一样从头开始整个生命过程。随后，这个三细胞结构从球形胚、心形胚，最终发育成具有完整结构的体细胞胚。接下来，体细胞胚顺利开始分化，直至长成一个发育完整的植株，并且可以开花结果。
研究人员成功地在微观层面见证了一个已经分化的细胞像受精卵般开始并完成一个完整的生命过程，让百年前科学家“植物细胞全能性”的预言首次直观展现在世人面前。
（3）成功揭示“细胞全能性”分子机制
在这个完整的生命过程中，细胞内部究竟发生了什么？
传统诱导植物展现全能性往往需要用生长素激发，这个细胞内部是否也有生长素在发挥作用呢？研究人员检测了LEC2被诱导后细胞内的生长素情况，结果发现生长素的确在整个过程中显著提高。那么，生长素在细胞内部是平均用力，还是局部发挥作用呢？研究人员进一步采用荧光探针的方式对细胞内部的过程进行研究，他们发现，当LEC2被诱导后，细胞内部的个别基因被成功激活，那就是负责生长素合成的关键酶，也就是说，细胞在主动生产生长素，然后用生长素来推动细胞的命运逆转。反过来，如果用抑制剂干扰了细胞内源生长素的合成，那么这个细胞就无法朝着胚胎状态发展了。由此可见，LEC2是植物细胞实现全能性的一个关键因子。
为了搞清楚细胞有哪些因子的存在才能被LEC2诱导激活，从而让细胞命运改变，科学家进一步对拟南芥的叶片表皮进行发育调控研究后发现，植物细胞发育过程中的一个关键基因SPCH在其中发挥了关键作用。最终，研究证实：SPCH和LEC2的协同启动才是让细胞重编程，具有胚胎发育全能性的关键。
研究人员决定绘制整个植物细胞全能性的基因图谱。要知道，一个细胞内可不是只有两个基因，而是数万个基因共存，且会互相影响。所以，科学家采用单细胞核RNA测序的办法来捕捉整个细胞核内的分子过程，记录细胞发育过程的详细变化。据此，研究人员还原了细胞重编程从启动到发育分化的过程：当分生组织母细胞表达SPCH的时候，它其实面临命运抉择：一种是在常规情况下，细胞沿着既定分化路线，一步步成为保卫细胞形成气孔；另一种是当LEC2介入后，细胞开始再生之路，不再分化，而是开始特异性的局部增强生长素的生物合成，接下来表达胚胎相关基因，让细胞进入胚胎阶段。
至此，中国科学家完整地从微观分子层面揭示了植物细胞全能性到底是如何实现的，解决了一个困惑学界多年的难题。
（4）植物育种与保护翻开新篇章
百年前，科学家预言植物细胞具有全能性；60多年前，这个观点被证实；现在，科学家终于从微观层面揭示了植物细胞全能性的分子机制。可以说，这次对于植物细胞全能性的研究不只是单纯的基础科学研究，其成果对于人们未来的生产实践有很多指导意义。
首先，可以通过植物细胞全能性来加速育种过程。传统植物组织培养需要不断尝试激素组合才能让植株成功发育，但当科学家从分子层面找到分子机制后，通过分子调节就可以精准地控制这一过程，让植物育种更加顺畅，甚至可以通过调节不同因子培育出多样化的种子，来适应不同的气候、环境。
其次，对于濒危植物的保护有重要作用。保护植物的传统方法往往是保护种子，但植物的生命周期较为复杂，更别提个别濒危植物可能连繁殖都困难。而借助植物细胞全能性，有望批量产生植物，更便捷地保护濒危植物。
对于中国科学家在植物细胞全能性研究领域取得的突破性进展，中国科学院院士种康评价道：这标志着中国在植物发育和生物技术研究领域为世界作出了里程碑式的贡献。
科学家一直对动物细胞的全能性抱有期待，希望动物也能像植物那样在分化发育成熟后还具有全能性。2006年，科学家首次成功将分化成熟的成纤维细胞逆转成多能干细胞，这就是著名的人工诱导多能干细胞。这一研究石破天惊，仅仅6年后就获得了诺贝尔生理学或医学奖。随后，全球科学家不断尝试，成功使多种分化成熟的动物细胞变成多能干细胞。
不过，人工诱导多能干细胞还存在诸多难题，目前最多走到嵌合体状态，难以完整形成个体发育，还需有进一步的突破。或许有一天，当科学家也能破译动物细胞全能性的密码时，细胞的全能性难题才会真正迎刃而解。
