在高中課本上我們就學習過：植物細胞具有全能性，在離體培養并提供適當條件時可以經過脫分化、再分化形成完整植株。早在1958年，科學家就通過體外培養韌皮部細胞獲得了胡蘿卜植株。一系列先前研究顯示，植物激素在植物細胞全能性的調控過程中很重要。在植物組織培養過程中，施加外源植物激素控制脫分化和再分化的工序已經非常成熟。但是在自然狀態下植物調控內源激素分泌并控制細胞分化的機制仍不清楚。這個過程中在組織和細胞內具體發生了什么？這個問題曾被Science雜志列入“世界125個最具挑戰的科學問題”?，F在，來自中國的科學家們給出了自己的答案。

科學家選擇了擬南芥子葉中的分生組織母細胞進行研究。在正常發育路徑中，這類細胞將分化成為組成葉片氣孔的保衛細胞，但只要上調LEC2基因的表達，這些細胞就會改變命運，分化成類似胚胎細胞的全能細胞：體細胞胚。這個過程是通過植物激素的合成和分泌實現的嗎？科學家將細胞中生長素合成和響應相關分子開關與能顯示綠色熒光的報告基因GFP耦聯，讓細胞內生長素的合成可視化，再通過單細胞級別的顯微技術對子葉組織進行動態觀察。結果顯示LEC2啟動表達后能觀察到生長素啟動合成。這說明在植物細胞全能性的調控過程中生長素起到關鍵作用，并且整個過程在單個細胞內即可完成。有趣的是，生長素和原本調控分生組織母細胞分化為保衛細胞的核心分子SPCH之間不是相互對抗的關系，反而起到協同作用。一旦細胞中SPCH表達缺失，體細胞胚就無法形成。原本我們認為SPCH在氣孔發育過程中是一個“保持直行”的信號，現在看來它更像是一個站在路口的交警，根據不同的路況指揮著細胞走向不同的分化路徑。

圖：生長素合成基因+綠色熒光蛋白基因，用綠色熒光可視化生長素合成

到此為止，我們已經積累了很多證據，表明LEC2表達可以啟動細胞內生長素合成，并且這個過程依賴于SPCH。這些分子之間具體是如何相互作用，實現對應功能的呢？先前已經有研究顯示，LEC2和SPCH可以作為轉錄因子調控特定的基因表達。那么他們在調控生長素合成相關基因時是否共同發揮作用呢？科學家分別將黃色熒光蛋白的兩個部分與LEC2和SPCH融合，如果這兩個分子在細胞內相互接近甚至發生結合，就會發出黃色熒光。結果顯示當LEC2基因表達上調時，細胞核內出現黃色熒光，證明LEC2和SPCH在細胞核內結合，很有可能共同發揮作用，調節某些基因的表達。后續研究顯示，單獨表達LEC2就可以啟動細胞內生長素合成基因的表達，但SPCH存在時基因表達顯著上調，將生長素合成維持在較高水平，確保形成體細胞胚所需的局部高濃度生長素環境。

圖：上調LEC2表達時在細胞核內觀察到黃色熒光

除了最核心的生長素合成基因外，LEC2還啟動了細胞內哪些基因的表達呢？科學家用激光捕獲顯微切割技術將誘導早期就表達出指示體細胞胚相關基因的細胞“選擇”出來進行單細胞RNA分析。分析結果顯示在這些轉向體細胞胚發育路徑的細胞中，不僅生長素相關基因表達得以增強，它們的染色質被重塑，氣孔分化被抑制，從多個方面指導細胞走上另一條分化道路。

當然，“單個細胞如何發育成完整生物體”是個龐大科學的問題，這項研究不可能將每一個細節一一回答，反而越研究，新的問題就越多。除擬南芥外，其他的生物也具有類似的調控機制嗎？會不會有什么不同？染色質重塑、氣孔分化抑制等過程之間是否具有更復雜的相互調控機制？但在回答這些問題的過程中，每一個小進展都在向我們展示：細胞的命運調控是多么精密，生物體作為一個生命系統是多么神奇！

作者：何一文 清華大學本碩，中學教師

審核：李旭 中國科協研究員，中國科學技術大學副教授

分享讓更多人看到