摘要：一株柳树的枝条，随手插入湿润的土壤，便能生根发芽，长成一棵参天大树；一片落地生根的叶片，其边缘能“凭空”冒出无数新的植株。这种强大的再生能力，似乎是植物与生俱来的“超能力”，让它们在生机与死寂的边缘反复横跳。与此形成鲜明对比的是，动物的再生能力则显得极为有限。

一株柳树的枝条，随手插入湿润的土壤，便能生根发芽，长成一棵参天大树；一片落地生根的叶片，其边缘能“凭空”冒出无数新的植株。这种强大的再生能力，似乎是植物与生俱来的“超能力”，让它们在生机与死寂的边缘反复横跳。与此形成鲜明对比的是，动物的再生能力则显得极为有限。这背后隐藏着一个深刻的生命科学问题：一个已经分化、承担着特定功能的成熟体细胞，例如一片叶子中的表皮细胞，是如何忘记自己的“职业”，逆转命运的时钟，重新获得创造一个完整生命体的“全能性”(totipotency)的？

9月16日，《Cell》的研究报道“Time-resolved reprogramming of single somatic cells into totipotent states during plant regeneration”，为我们揭开了这一神秘过程的冰山一角。研究人员利用巧妙的实验设计和前沿的技术手段，以前所未有的清晰度，实时追踪并描绘了一个普通植物细胞“返老还童”，最终发育成一个完整胚胎的壮丽图景。这不仅仅是一个关于植物再生的故事，更是一场对细胞命运、身份认同和生命可塑性边界的深刻探索。

要解开一个复杂的生命谜题，首先需要一个理想的“舞台”。研究人员选择的舞台是模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)的子叶，也就是植物的第一对“假叶”。他们手中握有一个关键的“遥控器”，一个名为`LEAFY COTYLEDON2` (LEC2)的转录因子。LEC2被誉为植物胚胎发育的“主调节因子”，拥有启动胚胎程序的强大能力。

然而，在正常情况下，LEC2只在胚胎发育的特定时期活跃。为了能随心所欲地控制它的“开关”，研究人员构建了一个雌二醇诱导型LEC2表达系统(LEC2-iOX)。简单来说，他们给拟南芥的细胞装上了一个“按钮”，只有当培养基中加入了雌二醇这种“钥匙”时，LEC2基因才会启动表达。这套系统，就如同导演手中的场记板，一声“Action！”，就能在指定的时间和地点，精确地启动细胞重编程的“拍摄”。

当研究人员按下这个启动键后，奇妙的事情发生了。在扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy, SEM)的高倍视野下，一场微观世界的“创世纪”被实时记录下来。最初，子叶的表皮看起来像一片由不规则拼图紧密拼接而成的地面。启动LEC2表达大约96小时后，某个单一的表皮细胞开始了它的“叛逆之旅”。它不再安于现状，而是启动了分裂程序，先是进行了一次对称分裂，形成两个大小相仿的子细胞。紧接着，其中一个子细胞又进行了一次不对称分裂，形成了一个三细胞的结构。

这个过程没有丝毫的犹豫和混乱。这些细胞的分裂和组织，并非毫无章法地堆砌成一团愈伤组织(callus)，而是遵循着类似受精卵发育成早期胚胎的精确蓝图，一步步从球形胚、心形胚，最终发育成具有完整结构的体细胞胚(somatic embryo)。更令人惊叹的是，当研究人员将这些在子叶上“无中生有”的微小胚胎移植到新的培养基中，它们能够顺利地发育成功能齐全、能够开花结果的成熟植株。

这一系列观察有力地证明，LEC2的激活，确实能够让一个已经分化的体细胞，跳过所有中间步骤，直接、高效地被重编程为具有全能性的胚胎创始细胞(somatic embryo founder cell, SEFC)。问题随之而来：LEC2这位“总导演”，究竟是如何指挥这场精妙绝伦的细胞命运大逆转的？它施展的“魔法”又是什么？

在植物的生长发育调控网络中，生长素(auxin)无疑是核心角色。它如同一位技艺高超的调酒师，通过调控不同浓度和分布，塑造着植物的根、茎、叶、花、果。研究人员猜测，这场由LEC2导演的细胞重编程大戏，生长素可能就是那杯决定命运走向的“鸡尾酒”。

为了验证这一猜想，他们首先检测了LEC2诱导后子叶中活性生长素（indole-3-acetic acid, IAA）的含量。结果显示，在诱导后约60到108小时之间，IAA的水平出现了显著且持续的升高。这说明，重编程过程确实伴随着生长素的“波涛汹涌”。

然而，平均含量的升高只是一个宏观现象，细胞命运的抉择发生在微观的单细胞尺度。生长素是在哪里产生的？又是在哪里发挥作用的？为了回答这个问题，研究人员动用了两个巧妙的“荧光探针”：YUC4::GFP和DR5::GFP。YUC4是生长素合成途径中的一个关键酶，YUC4::GFP可以实时报告YUC4基因的表达位置，也就是生长素的“生产车间”。而DR5是一个人工合成的启动子，它能被高浓度的生长素激活，因此DR5::GFP则可以标记出细胞内生长素响应活跃的“热点区域”。

在共聚焦显微镜下，一幅动态的画卷徐徐展开。在诱导后大约84小时，研究人员观察到，在那些未来将发育成胚胎的单个表皮细胞中，YUC4::GFP的绿色荧光率先被点亮，紧接着，DR5::GFP的信号也在同一位置闪耀。这清晰地表明，一场局部的、细胞自发的“生长素风暴”正在酝酿。这个细胞不仅在响应生长素，更在主动地为自己“酿造”生长素。

更有趣的是，研究人员引入了另一个胚胎身份的早期标记物——SERK1::GFP。他们发现，SERK1::GFP的荧光信号出现的时间点，总是在YUC4和DR5信号亮起之后，大约在诱导后96小时。这个时间差虽然只有短短的12个小时，却揭示了一个至关重要的因果链条：首先，细胞被某种信号触发，开始在局部大量合成并积累生长素；随后，这个高浓度的生长素微环境，才真正赋予了该细胞开启胚胎发育程序的“身份许可”。

为了进一步确认这个因果关系，研究人员进行了釜底抽薪式的验证。他们使用了生长素合成抑制剂L-犬尿氨酸(L-kynurenine, KYN)，或者利用了yuc1,4,10,11四突变体，从源头上阻断了内源生长素的合成。结果，LEC2的诱导变得毫无用处，胚胎的形成被完全抑制。更有说服力的是，即便在培养基中添加外源的生长素类似物2,4-D，也无法挽救这一败局。这说明，这场重编程所依赖的，并非是环境中普遍存在的生长素，而是细胞在特定时间和特定地点，为自己精准定制的、高浓度的局部生长素信号。这杯命运的“鸡尾酒”，必须是“现场调制”，才能发挥其神奇的魔力。

我们现在知道了，LEC2通过掀起一场局部的生长素风暴来启动重编程。但一个新的问题浮出水面：并非所有的子叶表皮细胞都能响应LEC2的号召。究竟是哪些“幸运儿”被选中，成为了这场命运逆转的主角？

拟南芥的叶片表皮主要由两种细胞组成：形态不规则、相互锁合的铺路细胞(pavement cells)和负责气体交换的气孔(stomata)。气孔由两个保卫细胞(guard cells)构成，它的形成过程遵循着一条严谨的发育路径：由原表皮细胞(protodermal cells)分化为分生组织母细胞(meristemoid mother cells, MMC)，MMC经过不对称分裂产生分生体(meristemoids)，分生体再分化为保卫细胞母细胞(guard mother cell, GMC)，最后GMC对称分裂形成一对保卫细胞。这条“气孔发育流水线”上的每一个步骤，都由一系列关键的转录因子精确调控，其中，SPEECHLESS (SPCH)负责第一步，即从原表皮细胞到MMC的转变。

研究人员注意到，在LEC2诱导后，表皮细胞的形态发生了显著变化，成熟的气孔数量减少，取而代之的是大量圆形的、分裂活跃的细胞。这让他们将目光锁定在了气孔发育谱系上。他们提出了一个大胆的假设：胚胎创始细胞，会不会就起源于这些正在走向气孔命运的“半成品”细胞？

为了验证这个假设，他们进行了一系列精彩的遗传学实验。首先，他们在一个完全无法启动气孔发育的spch-4突变体中诱导LEC2的表达。在这个突变体的表皮上，只有铺路细胞，没有任何MMC或其后的细胞类型。结果，LEC2的魔力完全消失了，无论如何诱导，都无法形成任何体细胞胚。这表明，SPCH基因的存在，以及它所定义的细胞类型，是重编程发生的必要前提。

反过来，如果人为地增强SPCH的活性呢？研究人员使用了一个持续激活的SPCH版本(SPCH2-4A)。令人惊讶的是，过表达这个版本的SPCH，极大地促进了LEC2诱导的胚胎发生，甚至在通常很难形成胚胎的根和下胚轴中，也出现了大量的胚胎结构。

最直接的证据来自于荧光标记的共定位实验。研究人员将胚胎身份标记SERK1::DsRed（红色荧光）与气孔发育不同阶段的标记物（绿色荧光）组合在一起观察。他们发现，SERK1的红色荧光，完美地与SPCH的绿色荧光重叠，但却与更下游的MUTE（调控GMC形成）和FAMA（调控保卫细胞成熟）标记物分离开。

所有的证据都指向一个结论：被LEC2选中的“天选之子”，正是在气孔发育谱系源头，表达着SPCH的分生组织母细胞(meristemoid mother cells, MMC)。一个原本注定要分化成叶片“呼吸孔”一部分的细胞，在命运的十字路口，被LEC2“劫持”，踏上了一条截然不同，却也更为波澜壮阔的“创生”之路。

现在，故事的两位主角，LEC2和SPCH，都已经登场。一位是胚胎发育的“总导演”，一位是气孔发育的“急先锋”。它们是如何跨界合作，共同谱写这曲生命重塑的乐章的？研究人员深入到分子层面，探索它们之间的“合作密码”。

首先，他们想知道LEC2和SPCH这两个蛋白质是否会直接“见面”。通过双分子荧光互补(BiFC)、免疫共沉淀(Co-IP)和体外pull-down等一系列蛋白质相互作用实验，研究人员证实，LEC2和SPCH确实能够在细胞核内紧密地结合在一起，形成一个“功能复合体”。它们不是各自为战，而是并肩作战的“战友”。

那么，这对“战友”的共同目标是什么？我们已经知道，局部的生长素合成是关键。而TAA1和YUC4是生长素合成的两个关键基因。研究人员自然地想到，LEC2和SPCH复合体的目标，可能就是这两个基因的启动子区域，也就是基因的“开关”部分。

通过染色质免疫沉淀后进行定量PCR(ChIP-qPCR)的技术，他们发现，在LEC2诱导后，SPCH蛋白确实结合到了TAA1和YUC4基因的启动子区域。有趣的是，这种结合只在LEC2存在时才显著发生。同时，LEC2蛋白自身也能在这些区域被检测到。这表明，LEC2可能通过与SPCH的相互作用，将SPCH“招募”到这些通常不属于它的调控靶点上，或者稳定了SPCH的结合。

在体外细胞系统中进行的荧光素酶报告实验(Luciferase reporter assay)，则更直观地展示了它们的合作模式。LEC2单独存在时，能微弱地激活TAA1和YUC4的表达；SPCH单独存在时，几乎没有激活效果。然而，当LEC2和SPCH共同存在时，这两个基因的表达水平出现了“爆炸性”的增长，呈现出明显的协同效应(synergistic effect)。1+1的效果远大于2。

通过对启动子序列的精细分析和定点突变，研究人员发现SPCH和LEC2分别识别并结合在启动子上不同的DNA元件上（SPCH结合E-box基序，LEC2结合RY基序）。它们就像两位需要同时插入各自钥匙的“保险柜管理员”，只有当两者协同作用时，基因表达的“宝库”才能被完全打开。

至此，一个完整的分子调控链条被清晰地构建起来：雌二醇诱导LEC2表达 -> LEC2进入细胞核，与气孔发育谱系中的SPCH蛋白“握手”，形成功能复合体 -> 该复合体以协同的方式，高效地结合并激活生长素合成基因TAA1和YUC4的表达 -> 细胞内生长素被大量合成，形成局部高浓度微环境 -> 最终触发细胞命运的转变，启动胚胎发生程序。

上述的分子机制虽然清晰，但仍是基于对特定基因的“管中窥豹”。在一个细胞决定“重生”的瞬间，其内部成千上万个基因的表达状态会发生怎样的“海啸”？为了获得一幅全局性的、无偏见的细胞命运转变图谱，研究人员祭出了终极“大杀器”——单细胞核RNA测序(single-nucleus RNA sequencing, snRNA-seq)。

这项技术可以捕捉并读取成千上万个独立细胞核中的所有基因转录信息，相当于为每个细胞制作了一张详细的“工作日志”。研究人员在LEC2诱导后的不同时间点，对子叶中的细胞进行了测序，最终获得了近7万个细胞的基因表达数据。

通过复杂的生物信息学算法，这些高维数据被投射到一个二维的UMAP图上。在这张图中，每一个点代表一个细胞，基因表达模式相似的细胞会聚集在一起，形成不同的“细胞岛屿”。研究人员成功地识别出了表皮细胞、叶肉细胞、维管组织细胞以及处于不同发育阶段的气孔谱系细胞。

最引人注意的是，他们发现了一个全新的细胞类群，第7类细胞。这类细胞的“工作日志”非常独特，它们一方面表达着一些气孔谱系晚期的基因，另一方面，又高水平地表达着SERK1、FUS3等一系列经典的胚胎发育和全能性相关的标志性基因。这无疑就是他们苦苦寻找的，处于从气孔谱系向胚胎命运转变过程中的“过渡态”细胞。

为了看得更清楚，研究人员将所有与气孔发育和胚胎发生相关的细胞“捞”出来，进行了更高精度的“重新聚类”分析。这一次，他们构建了一条清晰的细胞发育轨迹。这条轨迹的起点，正是表达SPCH的MMC细胞（亚群4）。从这个起点出发，细胞的命运出现了明确的分岔：

一条路径，是“常规路线”。细胞会进入亚群2，这里的细胞高表达MUTE等基因，它们是典型的GMC细胞，最终会不可逆地分化成保卫细胞，完成它们作为气孔的使命。

另一条路径，则是LEC2开辟的“重生之路”。细胞会进入亚群7，这是一个关键的过渡状态，研究人员将其命名为“GMC-auxin”状态。这个状态下的细胞，其基因表达特征被彻底重塑：生长素合成和响应通路被全面激活，染色质重塑相关基因活跃，大量与胚胎模式建成相关的基因开始表达。它们就像一辆在高速公路上即将变换车道的汽车，已经打起了转向灯，做好了变道的万全准备。最终，这些细胞会驶入亚群0和亚群3，成为真正的、具有全能性的胚胎创始细胞。

这张基于单细胞测序数据绘制的“命运地图”，以前所未有的分辨率，精准地标示出了细胞命运的“岔路口”和关键的“中间站”。它告诉我们，细胞的重编程并非一蹴而就的“突变”，而是一个程序化的、渐进的、存在着关键检查点和过渡状态的生物学过程。

这项研究，为我们完整呈现了一个植物细胞“返老还童”的全过程。它揭示了LEC2和SPCH这两个来自不同发育领域的转录因子，如何通过“跨界合作”，协同激活局部的生长素合成，从而在一个注定分化的细胞谱系中，硬生生开辟出一条通往全能性的新路径。

这一发现，不仅加深了我们对植物再生机制的理解，更为农业生物技术领域带来了新的启示。长期以来，提高作物在组织培养中的再生效率，是遗传改良和快速繁殖中的一个巨大挑战。通过精确调控LEC2、SPCH以及下游的生长素通路，我们或许能够开发出更高效的植物再生技术，让那些难以再生的“顽固”物种或品种，也能轻松地实现克隆和遗传转化。

更深层次地，这项研究也引导我们重新思考“细胞身份”和“生命可塑性”的本质。一个细胞的命运，并非像刻在石头上的铭文一样永恒不变。它更像是一段被反复演奏的乐谱，在特定的“指挥家”（如LEC2）和“环境氛围”（如生长素）的引导下，可以随时切换到全新的乐章。植物之所以拥有如此强大的再生能力，或许正是因为它们的细胞在演化中保留了更多这种“切换乐章”的内在潜能。

当然，许多谜题仍有待解开。在动物细胞中，是什么样的“分子刹车”机制，阻止了类似的重编程事件的发生？在自然界中，植物在受到损伤后，是否也会利用类似的机制进行修复和再生？LEC2和SPCH的合作，是否只是冰山一角，背后是否还隐藏着更庞大、更复杂的调控网络？

生命，终究是一场关于变化与适应的宏大叙事。从一片叶子到一个新生命的轮回，不仅仅是植物求生的本能，更是对细胞命运边界的一次次试探与超越。而我们，作为这场伟大叙事的观察者和解读人，正站在一个前所未有的起点，准备迎接更多关于生命可塑性的震撼与启迪。

参考文献

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)01020-7

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来源：生物探索一点号1