在植物生命科学领域，有一个悬而未决的世界难题——“单个体细胞如何发育成完整植株”，这一问题早在2005年就被国际著名学术期刊《科学》（Science）在其创刊125周年时，列为最具挑战的125个关键科学问题之一。近日，这道世纪之问终于迎来了来自中国科学家的答案。
山东农业大学张宪省教授和苏英华教授研究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”，最终发育为完整植株的全过程。该成果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。9月16日，这一成果在国际著名学术期刊《细胞》（Cell）在线发表。
研究团队应用扫描电镜及激光共聚焦活体成像等技术，首次捕捉到单个植物细胞的分裂全过程：从1个细胞分裂为2个，再以“3个一组”的特殊模式逐步形成12个细胞的胚体，直观证实了植物细胞全能性的“单细胞起源”，有力回答了学术界长期存在的疑惑。
团队通过深入研究，找到了触发细胞全能性的“关键钥匙”：叶片气孔前体细胞特有的基因SPCH，与人工诱导高表达的基因LEC2，二者协同作用形成“分子开关”。“就像转动一把锁需要两把钥匙，缺一不可。”张宪省教授形象比喻。
利用先进的单细胞测序、显微切割转录组测序与活体成像等前沿技术，团队完整记录了细胞命运重塑的完整路径，揭示了关键的命运分岔点：一条路径是气孔前体细胞继续分化为气孔；另一条路径是在大量合成内源生长素的推动下，单个体细胞被重编程为全能干细胞，走上胚胎发育之路。
研究人员将这一关键过渡状态命名为“GMC-auxin”中间态。在这一状态下，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。进一步的实验表明，阻断细胞内源生长素合成会使这一重编程过程完全停滞，体细胞胚胎无法形成；而单纯添加外源激素也无法替代这一过程，说明只有细胞自主合成并积累的生长素信号，才能真正触发全能性的开启。
更为重要的是，该研究在世界上首次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，进而激活下游的胚胎发生程序。
《Cell》杂志审稿人认为，该研究揭示的GMC-auxin中间态是“令人兴奋的突破”，首次定义了气孔前体细胞向全能干细胞转变的分子路径，原创性强，意义重大，为理解植物体细胞发育命运改变和再生潜能提供了强有力的科学支撑。
这一理论的解析不仅有助于理解植物细胞发育的根本规律，也为精准调控植物再生和定向改良作物性状提供了全新的思路与技术工具。
目前，该体系在小麦、玉米和大豆等作物的实验正同步推进。“未来或可通过精准调控细胞全能性，实现作物优良品种的‘快速克隆’，大幅度缩短育种周期，服务精准设计育种。”张宪省教授表示，“这也将为珍稀植物种质资源的高效保护、植物合成生物学注入新动力”。
山东农业大学为论文第一完成单位，张宪省教授、苏英华教授和荷兰拉德堡德大学的须健教授以及北京华大生命科学研究院夏科科副研究员为共同通讯作者。山东农业大学唐丽苹副教授、翟立明博士、北京华大生命科学研究院李纪明博士、山东农业大学高月博士生为共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金重点项目、面上项目、山东省自然科学基金重大项目、荷兰拉德堡德大学生物与环境科学研究所的启动基金、国家重点研发计划以及深圳市科技计划的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.08.031
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