气孔祖细胞发育的两种途径的示意图。山东农业大学供图 单个体细胞是如何成为完整植物的？这是植物生命科学中尚未解决的全球性问题。 2005 年，为了庆祝创刊 125 周年，《科学》杂志列出了 125 个最重要和最具挑战性的科学问题。近日，山东农业大学领导的合作团队首次揭示了单一植物的体细胞如何通过基因重编程“改变命运”，最终长成完整植物的全过程。研究结果发表在在线杂志《Cell》上。与动物细胞相比，植物细胞具有更大的发育可塑性。在一定条件下，无需受精即可成为胚胎，这称为胚体发生。论文通讯作者、山东农业大学教授张显胜表示植物细胞具有独特的“再生”能力。例如，所有类型的体细胞，例如叶子，经过重编程后都可以恢复到原来的干细胞状态，然后进入“体细胞胚胎发生”阶段，最终再生为完整的植物。 1902年，科学家提出“植物细胞全能性”的概念来解释植物细胞的上述能力。也就是说，植物细胞可以去分化形成类似于受精卵的全能干细胞，然后发育成完整的植物。这种现象在整个植物界广泛存在，包括农作物和木本植物。例如，具有肉质叶子的新植物可能会发芽。然而，如果没有 em，其背后的分子机制尚不清楚。为了解开这个谜团，张教授带领的科研团队近20年来，陆续搭建了从单个体细胞直接生成胚胎的实验技术系统以及诱导单细胞起源的稳定“体细胞胚胎发生”系统，并首次发现大量生长素的积累是激活细胞全能性的“开关”。借助先进的科研设备和尖端生物技术，pI研究团队能够重建单个植物细胞的整个分裂过程。我第一次捕捉到尸体。经过进一步研究，研究团队发现叶片气孔祖细胞特有的、触发细胞全能性的“重要钥匙”SPCH基因与人工诱导高表达的LEC2基因共同作用，形成“分子开关”。 “一把是必不可少的，就像开一把锁需要两把钥匙一样。”张先生说。两个关键基因如何“点亮”全能性？论文第一作者、山东农业大学副教授唐立平表示卵细胞胚胎起源于单个全能干细胞，最初注定要成为气孔“祖细胞”。全能调节因子LEC2与气孔发育关键因子SPCH的协同作用，激活生长素合成途径，积累大量特异性生长素，导致祖细胞退出气孔发育途径，转化为产生新生命的全能干细胞。基于上述发现，团队完整记录了整个细胞命运重塑通路，并发现了关键的命运分支点。在“有能力干细胞”从“普通细胞”向“全合一细胞”的关键转变状态期间，细胞经历剧烈的染色质重塑，大量沉默基因逐渐被激活。这使细胞命运轨迹分叉，并为建立全能性打开了大门。对这一理论的分析不仅有助于理解发展的基本规律植物细胞的变化，但也将允许精确控制植物繁殖。这为从生物学角度定向改善作物特性提供了新的思路和技术工具。该系统目前正在小麦、玉米和大豆等作物上同时进行测试。 “未来，我们将能够通过精确控制细胞全能性，实现作物优良品种的快速克隆，显着缩短育种周期，提供精准育种设计，这也将为珍稀植物遗传资源的高效保护和植物合成生物学注入新的动力。”张显生说。 《人民日报》（2025年10月19日第05页）