預言成真!中國科學家揭開"壹葉壹世界"世紀之謎
單個體細胞如何發育成完整植株？現實中人們司空見慣的自然現象，其背後的機制卻是困擾科學界壹個多世紀的難題。國際著名學術期刊《細胞》近日在線發表中國科學家的科研成果，山東農業大學研究團隊首次揭秘單個體細胞如何“變”完整植株。破解“植物細胞全能性”的分子機制為何這麼難？這壹研究成果會給植物育種與保護以及生物細胞的未來研究帶來哪些積極影響？我們請中國科學院西南生物多樣性中心生物學博士劉耀文來說壹說。
（1）植物細胞獨有的特殊技能養過花花草草的人壹定非常熟悉，植物其實很容易移植，有時甚至無需種子或者整株移植，只需要剪下壹根枝條、壹片葉子插到土裡，就可以使其發育成壹株完整的植物。這雖然是存在於自然界的壹種正常現象，但並不簡單，比如人就做不到。而植物受到創傷或者離體培養時，會形成壹種特有的薄壁細胞團，專業術語為“愈傷組織”，具有很強大的修復和再生能力。
事實上，植物的這壹特殊技能很早就引起了科學家的關注。1902年，德國植物學家哈伯蘭特提出“植物細胞全能性”的概念來描述這種現象，即植物在已經分化（指細胞發育成不同類型、承擔特定功能的穩定性差異現象）結束後，可以脫分化使其恢復到類似於受精卵這樣的全能幹細胞，再進壹步發育為完整植株。哈伯蘭特甚至預言，這種現象適用於植物的每壹個細胞。為了驗證這個觀點，無數科學家先後開展了研究，比如，用番茄根尖培育出愈傷組織；離體培養菟絲子的莖尖，然後在試管中形成了開花植株等，主要聚焦於植物部位的培養。直到1958年，美國科學家斯圖爾德利用成熟胡蘿卜韌皮部的細胞，首次成功培育出完整的植株並且使其順利開花結果，這才證實了哈伯蘭特當年關於植物細胞具有全能性的預言。
不過，為什麼植物細胞具有全能性，動物細胞卻基本沒有呢？這背後到底藏著什麼秘密？2005年，國際著名學術期刊《科學》發布了125個最具挑戰性的科學問題，其中“單個體細胞如何發育成完整植株”被視為最重要的25個科學問題之壹。17年後，這個困擾著無數科學家的問題依然沒有找到答案，於是《科學》雜志2022年再度發布125個最前沿科學問題時，仍然將其列入其中，且問題更加尖銳：為什麼只有壹些細胞會變成其他細胞？
揭秘“植物細胞全能性”很難，不僅需要更加完善的顯微技術來追蹤細胞發育的過程，還要用先進的分子技術來探究這個過程中分子變化背後的秘密。
如今，這道難題等來了中國科學家的答案。我國山東農業大學的張憲省和蘇英華教授研究團隊首次完整揭示了單個植物體細胞如何通過基因重編程，最終發育為完整植株的全過程。相關研究成果近日登上國際著名學術期刊《細胞》，該成果不僅破解了“植物細胞全能性”分子機制之謎，也為作物遺傳改良與高效再生提供了全新理論支撐。
（2）首次“看見”單個細胞分裂全程
我國科學家首先選擇了經典的模式生物（指為研究生命現象普遍規律而選定的物種，具有易於實驗操作、遺傳背景清晰等特點）擬南芥作為研究對象。擬南芥無論是基因組構建、遺傳分析還是細胞研究都擁有成熟的研究體系，可以讓整個研究易於操作、結果容易展現。
其次是基因操作。植物細胞不能自然地逆分化重新發育，所以傳統研究讓植物細胞恢復全能性往往需要用外源激素或者特定的轉錄因子來激活。前期研究表明，有壹種特殊的轉錄調控因子LEC2（子葉調控因子2）會在胚胎發育的特定時期活躍，能夠啟動胚胎程序。為了啟動這個因子，研究人員構建了雌贰醇誘導型LEC2表達系統（LEC2-iOX），當培養擬南芥細胞的時候，只要在培養基裡加入雌贰醇，就可以激活LEC2的表達。研究人員選擇了壹種按常規會發育成氣孔組織的分生組織母細胞，把其放到培養基裡，加入雌贰醇，然後用掃描電子顯微鏡在高倍視野下進行觀察。
於是，壹場奇妙的微觀之旅在顯微鏡下開始了。當雌贰醇啟動LEC2表達之後，壹個表皮細胞偏離了既定的分化路線，它不再進壹步分化，而是選擇了分裂，先是對稱分裂為兩個大小基本壹致的子細胞，其中壹個子細胞再進行壹次不對稱分裂，形成了壹個叁細胞結構。這個過程不像傳統的激素誘導細胞形成隨意的愈傷組織，而是像受精卵壹樣從頭開始整個生命過程。隨後，這個叁細胞結構從球形胚、心形胚，最終發育成具有完整結構的體細胞胚。接下來，體細胞胚順利開始分化，直至長成壹個發育完整的植株，並且可以開花結果。
研究人員成功地在微觀層面見證了壹個已經分化的細胞像受精卵般開始並完成壹個完整的生命過程，讓百年前科學家“植物細胞全能性”的預言首次直觀展現在世人面前。
（3）成功揭示“細胞全能性”分子機制
在這個完整的生命過程中，細胞內部究竟發生了什麼？
傳統誘導植物展現全能性往往需要用生長素激發，這個細胞內部是否也有生長素在發揮作用呢？研究人員檢測了LEC2被誘導後細胞內的生長素情況，結果發現生長素的確在整個過程中顯著提高。那麼，生長素在細胞內部是平均用力，還是局部發揮作用呢？研究人員進壹步采用熒光探針的方式對細胞內部的過程進行研究，他們發現，當LEC2被誘導後，細胞內部的個別基因被成功激活，那就是負責生長素合成的關鍵酶，也就是說，細胞在主動生產生長素，然後用生長素來推動細胞的命運逆轉。反過來，如果用抑制劑幹擾了細胞內源生長素的合成，那麼這個細胞就無法朝著胚胎狀態發展了。由此可見，LEC2是植物細胞實現全能性的壹個關鍵因子。
為了搞清楚細胞有哪些因子的存在才能被LEC2誘導激活，從而讓細胞命運改變，科學家進壹步對擬南芥的葉片表皮進行發育調控研究後發現，植物細胞發育過程中的壹個關鍵基因SPCH在其中發揮了關鍵作用。最終，研究證實：SPCH和LEC2的協同啟動才是讓細胞重編程，具有胚胎發育全能性的關鍵。
研究人員決定繪制整個植物細胞全能性的基因圖譜。要知道，壹個細胞內可不是只有兩個基因，而是數萬個基因共存，且會互相影響。所以，科學家采用單細胞核RNA測序的辦法來捕捉整個細胞核內的分子過程，記錄細胞發育過程的詳細變化。據此，研究人員還原了細胞重編程從啟動到發育分化的過程：當分生組織母細胞表達SPCH的時候，它其實面臨命運抉擇：壹種是在常規情況下，細胞沿著既定分化路線，壹步步成為保衛細胞形成氣孔；另壹種是當LEC2介入後，細胞開始再生之路，不再分化，而是開始特異性的局部增強生長素的生物合成，接下來表達胚胎相關基因，讓細胞進入胚胎階段。
至此，中國科學家完整地從微觀分子層面揭示了植物細胞全能性到底是如何實現的，解決了壹個困惑學界多年的難題。
（4）植物育種與保護翻開新篇章
百年前，科學家預言植物細胞具有全能性；60多年前，這個觀點被證實；現在，科學家終於從微觀層面揭示了植物細胞全能性的分子機制。可以說，這次對於植物細胞全能性的研究不只是單純的基礎科學研究，其成果對於人們未來的生產實踐有很多指導意義。
首先，可以通過植物細胞全能性來加速育種過程。傳統植物組織培養需要不斷嘗試激素組合才能讓植株成功發育，但當科學家從分子層面找到分子機制後，通過分子調節就可以精准地控制這壹過程，讓植物育種更加順暢，甚至可以通過調節不同因子培育出多樣化的種子，來適應不同的氣候、環境。
其次，對於瀕危植物的保護有重要作用。保護植物的傳統方法往往是保護種子，但植物的生命周期較為復雜，更別提個別瀕危植物可能連繁殖都困難。而借助植物細胞全能性，有望批量產生植物，更便捷地保護瀕危植物。
對於中國科學家在植物細胞全能性研究領域取得的突破性進展，中國科學院院士種康評價道：這標志著中國在植物發育和生物技術研究領域為世界作出了裡程碑式的貢獻。
科學家壹直對動物細胞的全能性抱有期待，希望動物也能像植物那樣在分化發育成熟後還具有全能性。2006年，科學家首次成功將分化成熟的成纖維細胞逆轉成多能幹細胞，這就是著名的人工誘導多能幹細胞。這壹研究石破天驚，僅僅6年後就獲得了諾貝爾生理學或醫學獎。隨後，全球科學家不斷嘗試，成功使多種分化成熟的動物細胞變成多能幹細胞。
不過，人工誘導多能幹細胞還存在諸多難題，目前最多走到嵌合體狀態，難以完整形成個體發育，還需有進壹步的突破。或許有壹天，當科學家也能破譯動物細胞全能性的密碼時，細胞的全能性難題才會真正迎刃而解。
[加西網正招聘多名全職sales 待遇優]
這條新聞還沒有人評論喔，等著您的高見呢
（1）植物細胞獨有的特殊技能養過花花草草的人壹定非常熟悉，植物其實很容易移植，有時甚至無需種子或者整株移植，只需要剪下壹根枝條、壹片葉子插到土裡，就可以使其發育成壹株完整的植物。這雖然是存在於自然界的壹種正常現象，但並不簡單，比如人就做不到。而植物受到創傷或者離體培養時，會形成壹種特有的薄壁細胞團，專業術語為“愈傷組織”，具有很強大的修復和再生能力。
事實上，植物的這壹特殊技能很早就引起了科學家的關注。1902年，德國植物學家哈伯蘭特提出“植物細胞全能性”的概念來描述這種現象，即植物在已經分化（指細胞發育成不同類型、承擔特定功能的穩定性差異現象）結束後，可以脫分化使其恢復到類似於受精卵這樣的全能幹細胞，再進壹步發育為完整植株。哈伯蘭特甚至預言，這種現象適用於植物的每壹個細胞。為了驗證這個觀點，無數科學家先後開展了研究，比如，用番茄根尖培育出愈傷組織；離體培養菟絲子的莖尖，然後在試管中形成了開花植株等，主要聚焦於植物部位的培養。直到1958年，美國科學家斯圖爾德利用成熟胡蘿卜韌皮部的細胞，首次成功培育出完整的植株並且使其順利開花結果，這才證實了哈伯蘭特當年關於植物細胞具有全能性的預言。
不過，為什麼植物細胞具有全能性，動物細胞卻基本沒有呢？這背後到底藏著什麼秘密？2005年，國際著名學術期刊《科學》發布了125個最具挑戰性的科學問題，其中“單個體細胞如何發育成完整植株”被視為最重要的25個科學問題之壹。17年後，這個困擾著無數科學家的問題依然沒有找到答案，於是《科學》雜志2022年再度發布125個最前沿科學問題時，仍然將其列入其中，且問題更加尖銳：為什麼只有壹些細胞會變成其他細胞？
揭秘“植物細胞全能性”很難，不僅需要更加完善的顯微技術來追蹤細胞發育的過程，還要用先進的分子技術來探究這個過程中分子變化背後的秘密。
如今，這道難題等來了中國科學家的答案。我國山東農業大學的張憲省和蘇英華教授研究團隊首次完整揭示了單個植物體細胞如何通過基因重編程，最終發育為完整植株的全過程。相關研究成果近日登上國際著名學術期刊《細胞》，該成果不僅破解了“植物細胞全能性”分子機制之謎，也為作物遺傳改良與高效再生提供了全新理論支撐。
（2）首次“看見”單個細胞分裂全程
我國科學家首先選擇了經典的模式生物（指為研究生命現象普遍規律而選定的物種，具有易於實驗操作、遺傳背景清晰等特點）擬南芥作為研究對象。擬南芥無論是基因組構建、遺傳分析還是細胞研究都擁有成熟的研究體系，可以讓整個研究易於操作、結果容易展現。
其次是基因操作。植物細胞不能自然地逆分化重新發育，所以傳統研究讓植物細胞恢復全能性往往需要用外源激素或者特定的轉錄因子來激活。前期研究表明，有壹種特殊的轉錄調控因子LEC2（子葉調控因子2）會在胚胎發育的特定時期活躍，能夠啟動胚胎程序。為了啟動這個因子，研究人員構建了雌贰醇誘導型LEC2表達系統（LEC2-iOX），當培養擬南芥細胞的時候，只要在培養基裡加入雌贰醇，就可以激活LEC2的表達。研究人員選擇了壹種按常規會發育成氣孔組織的分生組織母細胞，把其放到培養基裡，加入雌贰醇，然後用掃描電子顯微鏡在高倍視野下進行觀察。
於是，壹場奇妙的微觀之旅在顯微鏡下開始了。當雌贰醇啟動LEC2表達之後，壹個表皮細胞偏離了既定的分化路線，它不再進壹步分化，而是選擇了分裂，先是對稱分裂為兩個大小基本壹致的子細胞，其中壹個子細胞再進行壹次不對稱分裂，形成了壹個叁細胞結構。這個過程不像傳統的激素誘導細胞形成隨意的愈傷組織，而是像受精卵壹樣從頭開始整個生命過程。隨後，這個叁細胞結構從球形胚、心形胚，最終發育成具有完整結構的體細胞胚。接下來，體細胞胚順利開始分化，直至長成壹個發育完整的植株，並且可以開花結果。
研究人員成功地在微觀層面見證了壹個已經分化的細胞像受精卵般開始並完成壹個完整的生命過程，讓百年前科學家“植物細胞全能性”的預言首次直觀展現在世人面前。
（3）成功揭示“細胞全能性”分子機制
在這個完整的生命過程中，細胞內部究竟發生了什麼？
傳統誘導植物展現全能性往往需要用生長素激發，這個細胞內部是否也有生長素在發揮作用呢？研究人員檢測了LEC2被誘導後細胞內的生長素情況，結果發現生長素的確在整個過程中顯著提高。那麼，生長素在細胞內部是平均用力，還是局部發揮作用呢？研究人員進壹步采用熒光探針的方式對細胞內部的過程進行研究，他們發現，當LEC2被誘導後，細胞內部的個別基因被成功激活，那就是負責生長素合成的關鍵酶，也就是說，細胞在主動生產生長素，然後用生長素來推動細胞的命運逆轉。反過來，如果用抑制劑幹擾了細胞內源生長素的合成，那麼這個細胞就無法朝著胚胎狀態發展了。由此可見，LEC2是植物細胞實現全能性的壹個關鍵因子。
為了搞清楚細胞有哪些因子的存在才能被LEC2誘導激活，從而讓細胞命運改變，科學家進壹步對擬南芥的葉片表皮進行發育調控研究後發現，植物細胞發育過程中的壹個關鍵基因SPCH在其中發揮了關鍵作用。最終，研究證實：SPCH和LEC2的協同啟動才是讓細胞重編程，具有胚胎發育全能性的關鍵。
研究人員決定繪制整個植物細胞全能性的基因圖譜。要知道，壹個細胞內可不是只有兩個基因，而是數萬個基因共存，且會互相影響。所以，科學家采用單細胞核RNA測序的辦法來捕捉整個細胞核內的分子過程，記錄細胞發育過程的詳細變化。據此，研究人員還原了細胞重編程從啟動到發育分化的過程：當分生組織母細胞表達SPCH的時候，它其實面臨命運抉擇：壹種是在常規情況下，細胞沿著既定分化路線，壹步步成為保衛細胞形成氣孔；另壹種是當LEC2介入後，細胞開始再生之路，不再分化，而是開始特異性的局部增強生長素的生物合成，接下來表達胚胎相關基因，讓細胞進入胚胎階段。
至此，中國科學家完整地從微觀分子層面揭示了植物細胞全能性到底是如何實現的，解決了壹個困惑學界多年的難題。
（4）植物育種與保護翻開新篇章
百年前，科學家預言植物細胞具有全能性；60多年前，這個觀點被證實；現在，科學家終於從微觀層面揭示了植物細胞全能性的分子機制。可以說，這次對於植物細胞全能性的研究不只是單純的基礎科學研究，其成果對於人們未來的生產實踐有很多指導意義。
首先，可以通過植物細胞全能性來加速育種過程。傳統植物組織培養需要不斷嘗試激素組合才能讓植株成功發育，但當科學家從分子層面找到分子機制後，通過分子調節就可以精准地控制這壹過程，讓植物育種更加順暢，甚至可以通過調節不同因子培育出多樣化的種子，來適應不同的氣候、環境。
其次，對於瀕危植物的保護有重要作用。保護植物的傳統方法往往是保護種子，但植物的生命周期較為復雜，更別提個別瀕危植物可能連繁殖都困難。而借助植物細胞全能性，有望批量產生植物，更便捷地保護瀕危植物。
對於中國科學家在植物細胞全能性研究領域取得的突破性進展，中國科學院院士種康評價道：這標志著中國在植物發育和生物技術研究領域為世界作出了裡程碑式的貢獻。
科學家壹直對動物細胞的全能性抱有期待，希望動物也能像植物那樣在分化發育成熟後還具有全能性。2006年，科學家首次成功將分化成熟的成纖維細胞逆轉成多能幹細胞，這就是著名的人工誘導多能幹細胞。這壹研究石破天驚，僅僅6年後就獲得了諾貝爾生理學或醫學獎。隨後，全球科學家不斷嘗試，成功使多種分化成熟的動物細胞變成多能幹細胞。
不過，人工誘導多能幹細胞還存在諸多難題，目前最多走到嵌合體狀態，難以完整形成個體發育，還需有進壹步的突破。或許有壹天，當科學家也能破譯動物細胞全能性的密碼時，細胞的全能性難題才會真正迎刃而解。
[加西網正招聘多名全職sales 待遇優]
| 分享: |
| 注： |
| 延伸閱讀 |
推薦: