在植物科学领域，一个困扰学界百余年的核心问题——“单个体细胞如何发育成完整植株”，终于迎来重大突破。由山东农业大学张宪省教授和苏英华教授领衔的研究团队，首次完整解析了植物体细胞通过基因重编程实现“命运逆转”的分子机制，相关成果于国际顶级学术期刊《细胞》在线发表。
这一发现源于对植物细胞“再生”能力的深度探索。自1902年“植物细胞全能性”概念提出以来，学界已知植物细胞具有脱分化形成全能干细胞并发育为完整植株的特性，但其分子调控网络始终未被破解。研究团队以拟南芥为模型，历经20年攻关，通过构建单细胞诱导体系，首次捕捉到单个细胞分裂形成胚胎的全过程：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，证实了植物细胞全能性的“单细胞起源”。
研究的关键突破在于发现了触发细胞全能性的“分子开关”。团队通过单细胞测序和活体成像技术发现，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协同作用，激活生长素合成通路，导致生长素特异性积累。这种积累使前体细胞脱离气孔发育路径，转而成为全能干细胞。研究人员将这一关键过渡状态命名为“GMC-auxin”中间态，在此状态下细胞发生深度染色质重塑，大量沉默基因被激活，为全能性建立打开通道。
实验进一步证明，阻断细胞内源生长素合成会使重编程过程完全停滞，而单纯添加外源激素无法替代这一过程。这表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。《细胞》杂志审稿人评价该研究“首次定义了气孔前体细胞向全能干细胞转变的分子路径”，为理解植物再生潜能提供了重要理论支撑。
这项突破不仅具有理论价值，更在农业生产中展现出广阔前景。研究团队正在小麦、玉米和大豆等作物中验证该体系，试图通过精准调控细胞全能性实现作物优良品种的“快速克隆”。以水稻为例，传统杂交育种需8-10年，即使采用南繁技术缩短周期，仍需4-5年。而结合单细胞“再生”方法，可在实验室完成杂交优势后代的无性繁殖，大幅缩短育种周期。
“就像孙悟空拔猴毛变猴子，看似简单，但揭示其机制却需要长期探索。”张宪省教授比喻道。研究团队自2005年起以拟南芥为模型，2009年发现生长素积累是细胞全能性激活的“开关”，2011年通过意外发现建立单细胞诱导体系，最终在2024年完成分子机制解析。这一历程印证了基础研究的长期性与重要性。
目前，该技术已进入作物应用实验阶段。研究人员表示，这将为珍稀植物种质资源保护、植物合成生物学提供新工具，同时助力我国种业自主创新。“种子是农业的‘芯片’，必须掌握在自己手中。”张宪省教授强调，通过中国科学家的自主创新，有望为保障国家粮食安全注入新动力。
