縮短育種周期 改寫未來農(nóng)業(yè)
——揭秘山農(nóng)大團隊揭示單個體細胞“變”完整植株
2025年12月，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)成果“單個體細胞‘變’完整植株奧秘揭示”入選年度國內(nèi)十大科技新聞，這不僅是當(dāng)年榜單中唯一的生物學(xué)入選項目，更被視為解開植物生長“黑匣子”的關(guān)鍵鑰匙。
此前，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)張憲省教授和蘇英華教授研究團隊的這一成果曾在國際著名學(xué)術(shù)期刊《細胞》上發(fā)表，首次完整揭示了單個植物體細胞通過基因重編程“改變命運”，最終發(fā)育為完整植株的全過程。
“我們解決的是普通植物體細胞發(fā)育成一粒種子背后的分子機制問題。”蘇英華說。
對于農(nóng)業(yè)科學(xué)而言，植物細胞全能性是一個既基礎(chǔ)又核心的概念。早在1902年，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)了植物細胞全能性現(xiàn)象：植物的每一個細胞都包含著遺傳密碼，擁有長成完整植株的潛能。然而，理論雖然存在，潛能背后的分子機制究竟是什么，困擾了科學(xué)家百年之久。2005年，張憲省、蘇英華團隊踏上了探索“單個體細胞如何發(fā)育成完整植株”的道路，一走就是二十年。
2009年，團隊首次在擬南芥中發(fā)現(xiàn)，大量生長素的積累是細胞全能性激活的“開關(guān)”；2011年，團隊發(fā)現(xiàn)存在一種誘導(dǎo)因子使得幼苗葉片表面單個細胞直接長出胚胎結(jié)構(gòu)。這些發(fā)現(xiàn)雖然令人振奮，但距離完全揭示“變身”機制仍差“臨門一腳”。
經(jīng)過多年反復(fù)的實驗與驗證，團隊終于在最新的研究中找到了那兩把至關(guān)重要的“鑰匙”：葉片氣孔前體細胞特有的基因SPCH與人工誘導(dǎo)高表達的基因LEC2。觸發(fā)細胞全能性并非單一基因的獨角戲，而是一場精密的協(xié)同作戰(zhàn)，二者協(xié)同作用形成“分子開關(guān)”，激活生長素合成通路，讓生長素特異性大量積累，致使氣孔前體細胞成為能夠孕育新生命的全能干細胞。張憲省說，這就像轉(zhuǎn)動一把復(fù)雜的鎖，必須兩把鑰匙同時插入、同時轉(zhuǎn)動，缺一不可。
基礎(chǔ)理論的突破，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中有著不可估量的應(yīng)用價值?！霸趯嶒炇业呐囵B(yǎng)環(huán)境下，一個普通的植物體細胞可以直接變?yōu)橐涣７N子，進而長成完整植株。這個過程完全跳過了傳統(tǒng)植物開花結(jié)果的自然階段，未來極有可能在無土栽培技術(shù)、減少耕地占用等方面發(fā)揮重要作用?！碧K英華說。
同時，該技術(shù)在固定雜種優(yōu)勢方面展現(xiàn)出巨大潛力。在傳統(tǒng)的農(nóng)作物雜交育種中，想要獲得一個既高產(chǎn)又抗逆的新品種，往往需要耗費8到10年的時間進行多代篩選和穩(wěn)定。而如果植物體細胞能直接發(fā)育為胚胎，育種的時間成本將大大壓縮?！爸恍枰坏絻赡昴玫筋A(yù)期的雜合后代，取其一個體細胞進行培育，兩三個月就能獲得無性繁殖的下一代，一到兩年便可完成整個品種的選育過程，這是現(xiàn)階段我們努力的方向。”蘇英華說，團隊的最終目標(biāo)是將這套理論遷移到小麥、大豆、玉米等主要農(nóng)作物上。
蘇英華坦言，要真正實現(xiàn)“一個細胞變成一粒種子，再長成一個植株”在農(nóng)作物上的應(yīng)用，還需要解決很多未知的難題，實現(xiàn)縮短育種周期、快速繁殖并減少耕地的使用，依然是未來努力的方向。
來源：大眾新聞·大眾日報
編輯：李新花 李婕寧
一審：賈春毅
二審：孫瑞永
三審：管延會
