再生是動物和植物共同具有的保守的生物學(xué)現(xiàn)象和關(guān)鍵生存策略。相較動物細胞，植物細胞被普遍認為具有更強的全能性。這體現(xiàn)在植物不僅能夠通過胚后發(fā)育分化形成一系列的組織器官，也能夠通過再生產(chǎn)生各種類型的組織器官乃至整個個體。因此，再生可能是植物應(yīng)對其無法移動而進化出的一種補償機制。由于細胞譜系研究工具的缺乏，有關(guān)植物再生時的細胞命運決定及其發(fā)育譜系長期以來一直未被揭示。而跨植物全生命周期的細胞譜系追蹤則更具挑戰(zhàn)。此外，器官再生中一個值得探索的問題是每個再生植物所需要的祖先細胞的最少數(shù)量。雖然植物的胚后發(fā)育可能涉及不同數(shù)量的細胞，但并不清楚以多細胞外植體作為再生的初始材料時，植物再生是單細胞還是多細胞起源。
2024年11月25日，北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院、蛋白質(zhì)與植物基因研究國家重點實驗室劉啟昆課題組在Developmental Cell上在線發(fā)表了題為“Development of an inducible DNA barcoding system to understand lineage changes in Arabidopsis regeneration”的研究論文，該研究開發(fā)了全新的植物細胞譜系追蹤工具，發(fā)現(xiàn)經(jīng)由愈傷組織再生形成的擬南芥?zhèn)€體中不同器官和組織的細胞均起源于外植體中的同一個細胞。
圖片摘要（圖源自Developmental cell）
該研究以擬南芥根外植體作為再生材料，首先利用DNA 條形碼技術(shù)在愈傷組織階段誘導(dǎo) CRISPR-Cas9編輯，人為引入可標(biāo)記不同細胞身份的DNA序列標(biāo)記。通過對再生植株在器官水平上進行取樣和條形碼檢測，發(fā)現(xiàn)再生植物的各個組織器官具有幾乎相同的一套DNA 條形碼，這表明再生植物并沒有組織器官特異性的細胞譜系。通過在單細胞水平進一步驗證，發(fā)現(xiàn)不同組織來源的細胞含中的DNA 條形碼信息是一致的，說明擬南芥器官再生起源于單個祖先細胞。
為了可視化的持續(xù)追蹤擬南芥再生過程中的細胞分裂、分化以及分布，該研究還開發(fā)了適用于植物細胞標(biāo)記的多色熒光標(biāo)記系統(tǒng)XVE-Brainbow，利用多種熒光蛋白的選擇性表達以及不同熒光蛋白之間的隨機組合，對細胞進行可視化標(biāo)記。結(jié)果表明，根外植體中的祖先細胞在愈傷組織形成時會分裂形成細胞群，同一個細胞群內(nèi)表現(xiàn)相同的熒光信號，表明其中的細胞具有相同祖先來源。部分細胞群內(nèi)會進一步分裂和分化產(chǎn)生莖尖分生組織，再生出完整的再生植物。通過對再生植株不同部位的細胞進行觀察，發(fā)現(xiàn)所有的細胞都表現(xiàn)相同的熒光，再次證明擬南芥再生起源于單個細胞。
為了進一步探究參與擬南芥再生的祖先細胞類型，劉啟昆團隊進一步利用堿基編輯工具修復(fù)特定類型細胞中的GFP編碼框，使之獲得可遺傳的熒光標(biāo)記，實現(xiàn)對特定類型細胞分裂后代的持續(xù)追蹤。研究發(fā)現(xiàn)并證實了Xylem Pole Pericycle 細胞能作為祖先細胞參與擬南芥愈傷組織的發(fā)生以及芽的再生。
擬南芥器官再生的模式圖
綜上所述，該研究開發(fā)并優(yōu)化了多種植物細胞譜系追蹤工具，在單細胞水平實現(xiàn)了對擬南芥再生過程中干細胞分裂分化的全生命周期追蹤。這種由多細胞供體向再生植物轉(zhuǎn)變的“單細胞通道”可能代表了一種通過細胞間競爭而產(chǎn)生最具有適應(yīng)性的后代的策略，以此優(yōu)化植物生存的機會。
北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院博士生逯新月和博士后張啟燕為論文的共同第一作者。北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院劉啟昆研究員為論文的通訊作者。北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院張華偉研究員為本研究提供了重要技術(shù)支持。該研究得到了北京大學(xué)蛋白質(zhì)與植物基因研究國家重點實驗室、國家自然科學(xué)基金、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院的資助。此外多位老師為此項研究提供了技術(shù)指導(dǎo)和幫助，包括：中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所曹曉風(fēng)院士、北京大學(xué)湯富酬教授、焦雨鈴教授、何躍輝教授、南京大學(xué)王龍教授、中國科學(xué)院植物研究所胡玉欣研究員、徐重益研究員、中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心徐麟研究員、山東大學(xué)丁兆軍教授等。