Cell | 破解世纪难题！山东农大张宪省/苏英华团队二十年磨一剑，揭示植物单个体细胞如何发育为完整植株！
2025-09-30
中科新生命
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全能性使单个细胞能够再生一个生物体，但分化了的体细胞如何重新获得这种潜能仍不清楚。山东农业大学张宪省和苏英华研究团队9月16日在Cell上发表题为：Time-resolved reprogramming of single somatic cells into totipotent states during plant regeneration的研究，通过单细胞测序和空间转录组等技术发现拟南芥子叶中，LEAFY COTYLEDON2（LEC2）使表达SPEECHLESS（SPCH）的分生组织母细胞（MMCs）偏离气孔谱系的进展，驱动它们转化为全能的体细胞胚起始细胞（SEFCs）。该研究结果阐明从表皮体细胞到全能状态的直接发育途径，并揭示了转录和激素信号如何相互作用以解锁植物再生的可塑性。
研究材料
雌二醇诱导后约 60、72、84、96 和 108 小时收集的 LEC2-iOX 子叶
研究步骤
步骤1：LEC2通过特异性积累内源生长素的刺激，直接将单个子叶表皮细胞重编程为SEFCs；
步骤2：LEC2 和 SPCH 协同激活 TAA1 和 YUC4，从而促进 SEFC 的形成；
步骤3：snRNA-seq 和 LCM-RNA-seq 分析描绘 SEFC 形成的细胞谱系；
步骤4：转录重排以及动态协同调控的基因模块促使细胞命运发生分支，从而走向体细胞胚胎生成过程。
研究结果
1. LEC2通过特异性积累内源生长素的刺激，直接将单个子叶表皮细胞重编程为SEFCs
作者通过实验证明LEC2 能够直接将单个子叶表皮细胞重新编程为体细胞胚，其重编程受到局部、内源性且高效极性运输的生长素生物合成影响，且只有在子叶发育早期表达时才能重新引导表皮细胞的分化命运。即LEC2 通过激活局部生长素生物合成将表达 SPCH 的 MMCs 重新编程为全能的 SEFCs。
图1 LEC2诱导的体细胞胚胎起源于单子叶表皮细胞
2. LEC2 和 SPCH 协同激活 TAA1 和 YUC4，以驱动局部的生长素生物合成，从而促进 SEFC 的形成
TAA1 和 YUC4 这两种酶对内源性生长素的合成至关重要。作者通过一系列实验，结果表明LEC2和SPCH构成了一个协同的转录模块：LEC2 与 SPCH 相互作用，通过不同的但相互依存的顺式调控元件激活 TAA1 和 YUC4。这种协同作用确保了必要的、局部的生长素生物合成，对SEFC 的转化是至关重要的。
图2 TAA1/YUC 介导的生长素生物合成对于 LEC2 诱导的侧芽形成至关重要
图3 SPCH 活性对于LEC2诱导的、不依赖于生长素的全能性胚性愈伤组织的形成是必需的
图4 LEC2 和 SPCH 共同调控 TAA1 和 YUC4 以诱导 SEFC 的形成
3. snRNA-seq 和 LCM-RNA-seq 分析描绘 SEFC 形成的细胞谱系
对在雌二醇诱导后约 60、72、84、96 和 108 小时收集的 LEC2-iOX 子叶进行了 snRNA-seq，聚类分析cluster 7（高表达MYB118、SERK1、FUS3和 LEC1等）具有独特的体细胞胚胎样特征。对SEFCs进行LCM-RNA-seq，GSVA分析表明cluster 7与SEFC 转录组特征最匹配，推测cluster 7是在 LEC2 诱导的重编程过程中出现中间状态。作者通过重新聚类与气孔谱系相关联的clusters（8-10）和cluster7，表明从 GMC 类型的中间体到全能型 SEFC 是一个连续的过程，通过Monocle 3 进行的轨迹推断表明起源于MMC细胞，一条分支通过cluster 7向胚胎细胞发展，而另一条分支则通过常规的气孔谱系路径产生MGCs。
图5 snRNA-seq揭示LEC2 引发的细胞命运转变及向体细胞胚胎发育的系谱重编程过程
4. 转录重排以及动态协同调控的基因模块促使细胞命运发生分支，从而走向体细胞胚胎生成过程
差异基因分析cluster 7（简称为 GMC-auxin）显著上调了 YUC4、TAA1、MP/ ARF5、PIN1、SERK1等，表明其处于一个关键的转变状态，为侧生分生组织的特化做好了准备。GO分析显示GMC-auxin高度富集了参与生长素信号传导、染色质重塑和翻译的基因，表明它整合了多种调控途径，以实现一种可重编程的允许状态。综上，这些结果明确指出GMC-auxin 处于一种独特的调控状态，由生长素驱动、以 MP 为中心的网络驱动 SEFC 趋势发生。通过基于模块的共表达分析表明模块 6 对于GMC-auxin高度特异性，并包含与生长素反应、染色质重塑、翻译和胚胎模式相关的基因，将其定义为一个独特的发育中间体，在激素和染色质机制的共同作用下启动重新编程。接下来作者通过转录因子网络分析，揭示了 11 个核心转录因子，包括 LEC2、SPCH 和 MP 等。综上，该研究描绘了一个多层次的调控网络，在该网络中，转录、染色质和生长素介导的途径相互作用，重新调整气孔前体细胞以实现全能性。
图6 气孔前体细胞向体细胞胚发生的分化过程的调控网络
总结
该研究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。
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