长期以来,如何让单个体细胞在体外条件下稳定、可控地发育成完整植株,是植物科学与农业生物技术共同面对的基础难题。
该问题不仅关乎生命如何从“一个细胞”出发组织成复杂个体,也直接影响作物遗传改良、组织培养、性状定向培育等关键环节的效率与成本。
《科学》杂志曾将其列入“最具挑战的关键科学问题”之列,足见其基础性与艰巨性。
问题的难点在于:植物细胞虽然普遍携带完整遗传信息,但从“具备潜力”到“能够实现”,中间存在复杂的调控网络。
早在1902年,植物学家哈伯兰特提出植物细胞全能性概念,认为单个细胞在适宜条件下可转化为类似“全能干细胞”的状态并再生成植株。
然而百余年来,细胞如何跨越命运锁定、重新建立发育程序,缺少清晰的分子层解释。
这一缺口也导致农业生物技术在实践中长期存在“再生难、效率低、稳定性不足”的瓶颈:不少作物或特定基因型难以再生,限制了转基因、基因编辑及快速繁育等技术体系的推广应用。
此次入选国内十大科技新闻的研究,给出了关键机制线索。
报道显示,山东农业大学团队以拟南芥为模型植物,围绕体细胞向“再生能力”重置的条件与路径开展持续探索。
研究团队提出并验证了单细胞“再生”大体遵循“两步走”的机制框架:第一步是普通叶片体细胞必须在细胞内合成大量生长素,才能实现由分化状态向“具备全能性”的状态转变;第二步进一步揭示了生长素高水平合成并非自发发生,而与特定基因协同调控密切相关——在叶片气孔前体细胞特有基因SPCH与人工诱导高表达基因LEC2共同作用下,体细胞才会形成足量生长素,进而推动再生过程。
相关论文已于9月16日在线发表于《细胞》,实现了对单个体细胞发育成完整植株分子机制的首次系统揭示。
从原因层面看,这一突破的取得与长期稳定的基础研究投入密不可分。
报道显示,团队自2005年起围绕同一科学问题持续攻关,累计进行十几万次实验。
对基础科学而言,关键机制往往隐藏于复杂变量之中,只有通过长期积累、反复验证与体系化设计,才能从现象中提炼出可重复、可解释的规律。
这也反映出我国科研在原始创新和“从0到1”领域逐步形成可持续的攻关能力。
从影响层面看,研究的科学价值与应用价值相互叠加。
一方面,阐明细胞全能性核心机理,有助于深化对植物发育可塑性、细胞命运转变与激素调控网络的理解,为相关基础研究提供可检验的新框架。
另一方面,这一机制的明确化,为农业生物技术突破“再生瓶颈”提供理论支撑与潜在技术路线:通过更精准地调控关键基因表达与激素合成,有望提升组织培养与再生体系的效率与稳定性,进而改善基因编辑与分子育种的“最后一公里”问题,推动实验室成果更顺畅走向田间应用。
中国科学院院士种康在相关评价中指出,该发现不仅深化了机理认识,也为开辟新路径提供了启示。
对策层面,面向产业与育种需求的转化仍需系统推进。
其一,应在更多作物上开展跨物种验证与参数优化,形成可推广的再生技术“工具箱”,减少对少数模型体系的依赖。
其二,要推动基础研究与育种企业、种业平台协同,围绕难再生作物、优良品种与关键性状定向攻关,形成从机理—方法—材料—示范的闭环。
其三,建议加强对高水平基础研究的稳定支持与评价导向优化,鼓励长期主义与持续攻关,提升我国在生命科学与农业科技前沿的持续供给能力。
前景判断上,植物细胞全能性机制的清晰化,意味着“可控再生”从经验探索走向机制驱动。
随着多组学、单细胞技术与合成生物学方法进一步发展,细胞命运重编程有望实现更高精度、更低成本、更强可重复性。
可以预期,面向粮食安全、种业振兴与农业绿色发展目标,围绕再生体系升级的技术迭代将加速推进,为作物快速改良、抗逆与高产优质性状培育提供更加坚实的科技支撑。
百年求索,一朝破壁。
这项凝聚数代科研人心血的研究成果,不仅解开了自然界的奥秘,更彰显了我国科技工作者攻坚克难的执着精神。
在建设科技强国的征程上,既需要仰望星空的科学探索,也需要脚踏实地的持续积累。
当更多基础研究"冷板凳"坐出"热效应",中国科技必将为人类文明进步作出更大贡献。