图 单个植物体细胞重编程为全能干细胞的机制
在国家自然科学基金项目（批准号：31730008、32430011、32270378、32470378、32270377）等资助下，山东农业大学张宪省教授、苏英华教授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改变命运，最终再生为完整植株的分子机制。相关成果以“植物单个体细胞如何转变成全能干细胞的机制（Time-Resolved Reprogramming of Single Somatic Cells into Totipotent States during Plant Regeneration）”为题，于2025年9月16日在《细胞》（Cell）杂志在线发表。
相较于动物细胞，植物细胞具有更强的发育可塑性。在一定条件下，它们无需受精就能发育成胚胎，这种现象称为“体细胞胚胎发生”。植物细胞还具有独特的“再生”能力，例如叶片等体细胞可通过重编程回归干细胞状态，进而启动“体细胞胚胎发生”，最终形成完整植株。然而，植物体细胞从普通细胞重编程为“全能干细胞”，进而发育成完整植株的核心机制，至今仍未阐明。
该团队研究发现，过量表达转录因子LEAFY COTYLEDON 2（LEC2）能够在拟南芥子叶上诱导形成体细胞胚。进一步研究发现，体细胞胚来源于子叶表皮由单个气孔谱系拟分生母细胞（MMC）转变而来的全能干细胞。原本注定要发育成气孔的MMC，在全能性调控因子LEC2与气孔发育关键因子SPEECHLESS（SPCH）的协同作用下，激活生长素合成通路，导致生长素特异性大量积累，致使前体细胞脱离气孔发育路径，转而成为能够孕育新生命的全能干细胞。利用活体成像、单核RNA测序（snRNA-seq）和激光捕获显微切割RNA测序（LCM-RNA-seq）等前沿技术，研究团队揭示了一个关键的细胞命运分岔点，即MMC要么分化为保卫细胞，要么转变为富含生长素的GMC（Guard Mother Cell）-auxin中间态。在这一中间态，细胞发生了深度的染色质重塑，大量沉默的基因被逐步激活，细胞命运轨迹由此产生分岔，为全能性的建立打开了大门。进而研究团队全面解析了单个植物体细胞重编程形成全能干细胞并再生成完整植株的分子机理：在GMC-auxin中间态下，大量转录因子形成高度耦合的调控网络，从而激活下游的胚胎发生程序。
该研究不仅破解了困扰科学界百余年的“植物细胞全能性”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。未来有望通过调控细胞全能性，实现优良品种的“快速克隆”，大幅缩短育种周期，服务精准设计育种。同时，该研究还将推动珍稀种质资源的高效保护，并为植物合成生物学产业发展注入新动力。