單個(gè)體細(xì)胞如何發(fā)育成完整植株？這是困擾科學(xué)界一個(gè)多世紀(jì)的難題。好消息傳來(lái)，中國(guó)科學(xué)家成功破解了這一難題。

北京時(shí)間9月16日22時(shí)30分，全球頂級(jí)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。

中國(guó)科學(xué)院院士種康給予了這樣的評(píng)價(jià)——這標(biāo)志著中國(guó)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(xiàng)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(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(zhǎng)成完整植株。然而，從概念提出至今，120多年過(guò)去了，其分子機(jī)理始終未解。《科學(xué)》雜志甚至將其列為本世紀(jì)最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問(wèn)題之一。

究竟難在何處？

“就像孫悟空拔一撮猴毛變出一群小猴子，過(guò)程看似容易，但要知道猴毛為什么能變成猴子卻非常難。”論文通訊作者之一、小麥育種全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任張憲省打了一個(gè)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(duì)，以擬南芥為研究對(duì)象，開(kāi)啟了長(zhǎng)達(dá)20年的探索。

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(cè)序、顯微切割轉(zhuǎn)錄組測(cè)序與活體成像等前沿技術(shù)，經(jīng)過(guò)十幾萬(wàn)次實(shí)驗(yàn)積累，研究團(tuán)隊(duì)最終發(fā)現(xiàn)了單細(xì)胞“再生”植物的分子機(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(zhǎng)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)胞內(nèi)才能合成大量生長(zhǎng)素。

“這兩個(gè)基因如同兩把鑰匙，共同轉(zhuǎn)動(dòng)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(kāi)了大門(mén)。”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(zhǎng)蘇英華說(shuō)，“團(tuán)隊(duì)首次捕捉到單細(xì)胞分裂全過(guò)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。”

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(guó)先進(jìn)的南繁技術(shù)，一年兩代種植，至多縮短一半時(shí)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(shì)后代的無(wú)性繁殖，雜種優(yōu)勢(shì)得到固定，育種期有望進(jìn)一步大幅縮短。

目前，研究團(tuán)隊(duì)正探索開(kāi)展小麥、玉米、大豆等最新育種實(shí)驗(yàn)。“種子是農(nóng)業(yè)的‘芯片’，必須攥在中國(guó)人自己手里。”張憲省相信，“用咱中國(guó)人自己的手，一定能端穩(wěn)中國(guó)飯碗。”

（大眾新聞?dòng)浾?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(jì) 張海飛）