縮短育種周期 改寫未來農(nóng)業(yè)
——揭秘山農(nóng)大團(tuán)隊(duì)揭示單個(gè)體細(xì)胞“變”完整植株
2025年12月，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)成果“單個(gè)體細(xì)胞‘變’完整植株奧秘揭示”入選年度國(guó)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(xiàng)目，更被視為解開植物生長(zhǎng)“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(tuán)隊(duì)的這一成果曾在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》上發(fā)表，首次完整揭示了單個(gè)植物體細(xì)胞通過基因重編程“改變命運(yùn)”，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(xì)胞發(fā)育成一粒種子背后的分子機(jī)制問題?！碧K英華說。
對(duì)于農(nóng)業(yè)科學(xué)而言，植物細(xì)胞全能性是一個(gè)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(xì)胞全能性現(xiàn)象：植物的每一個(gè)細(xì)胞都包含著遺傳密碼，擁有長(zhǎng)成完整植株的潛能。然而，理論雖然存在，潛能背后的分子機(jī)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(tuán)隊(duì)踏上了探索“單個(gè)體細(xì)胞如何發(fā)育成完整植株”的道路，一走就是二十年。
2009年，團(tuán)隊(duì)首次在擬南芥中發(fā)現(xiàn)，大量生長(zhǎng)素的積累是細(xì)胞全能性激活的“開關(guān)”；2011年，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)存在一種誘導(dǎo)因子使得幼苗葉片表面單個(gè)細(xì)胞直接長(zhǎng)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(jī)制仍差“臨門一腳”。
經(jīng)過多年反復(fù)的實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證，團(tuán)隊(duì)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(xì)胞特有的基因SPCH與人工誘導(dǎo)高表達(dá)的基因LEC2。觸發(fā)細(xì)胞全能性并非單一基因的獨(dú)角戲，而是一場(chǎng)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(zhǎng)素合成通路，讓生長(zhǎng)素特異性大量積累，致使氣孔前體細(xì)胞成為能夠孕育新生命的全能干細(xì)胞。張憲省說，這就像轉(zhuǎn)動(dòng)一把復(fù)雜的鎖，必須兩把鑰匙同時(shí)插入、同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，缺一不可。
基礎(chǔ)理論的突破，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中有著不可估量的應(yīng)用價(jià)值?！霸趯?shí)驗(yàn)室的培養(yǎng)環(huán)境下，一個(gè)普通的植物體細(xì)胞可以直接變?yōu)橐涣７N子，進(jìn)而長(zhǎng)成完整植株。這個(gè)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(shí)，該技術(shù)在固定雜種優(yōu)勢(shì)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(gè)既高產(chǎn)又抗逆的新品種，往往需要耗費(fèi)8到10年的時(shí)間進(jìn)行多代篩選和穩(wěn)定。而如果植物體細(xì)胞能直接發(fā)育為胚胎，育種的時(shí)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(gè)體細(xì)胞進(jìn)行培育，兩三個(gè)月就能獲得無性繁殖的下一代，一到兩年便可完成整個(gè)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(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)“一個(gè)細(xì)胞變成一粒種子，再長(zhǎng)成一個(gè)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(shí)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?qǐng)?bào)
編輯：李新花 李婕寧
一審：賈春毅
二審：孫瑞永
三審：管延會(huì)
