再生是動(dòng)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(dòng)物細(xì)胞，植物細(xì)胞被普遍認(rèn)為具有更強(qiáng)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(gè)個(gè)體。因此，再生可能是植物應(yīng)對其無法移動(dòng)而進(jìn)化出的一種補(bǔ)償機(jī)制。由于細(xì)胞譜系研究工具的缺乏，有關(guān)植物再生時(shí)的細(xì)胞命運(yùn)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(xì)胞譜系追蹤則更具挑戰(zhàn)。此外，器官再生中一個(gè)值得探索的問題是每個(gè)再生植物所需要的祖先細(xì)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(xì)胞，但并不清楚以多細(xì)胞外植體作為再生的初始材料時(shí)，植物再生是單細(xì)胞還是多細(xì)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xì)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(xì)胞均起源于外植體中的同一個(gè)細(xì)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(xì)胞身份的DNA序列標(biāo)記。通過對再生植株在器官水平上進(jìn)行取樣和條形碼檢測，發(fā)現(xiàn)再生植物的各個(gè)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(xì)胞譜系。通過在單細(xì)胞水平進(jìn)一步驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)不同組織來源的細(xì)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(gè)祖先細(xì)胞。
為了可視化的持續(xù)追蹤擬南芥再生過程中的細(xì)胞分裂、分化以及分布，該研究還開發(fā)了適用于植物細(xì)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(dá)以及不同熒光蛋白之間的隨機(jī)組合，對細(xì)胞進(jìn)行可視化標(biāo)記。結(jié)果表明，根外植體中的祖先細(xì)胞在愈傷組織形成時(shí)會分裂形成細(xì)胞群，同一個(gè)細(xì)胞群內(nèi)表現(xiàn)相同的熒光信號，表明其中的細(xì)胞具有相同祖先來源。部分細(xì)胞群內(nèi)會進(jìn)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(xì)胞進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)所有的細(xì)胞都表現(xiàn)相同的熒光，再次證明擬南芥再生起源于單個(gè)細(xì)胞。
為了進(jìn)一步探究參與擬南芥再生的祖先細(xì)胞類型，劉啟昆團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用堿基編輯工具修復(fù)特定類型細(xì)胞中的GFP編碼框，使之獲得可遺傳的熒光標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)對特定類型細(xì)胞分裂后代的持續(xù)追蹤。研究發(fā)現(xiàn)并證實(shí)了Xylem Pole Pericycle 細(xì)胞能作為祖先細(xì)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(xì)胞譜系追蹤工具，在單細(xì)胞水平實(shí)現(xiàn)了對擬南芥再生過程中干細(xì)胞分裂分化的全生命周期追蹤。這種由多細(xì)胞供體向再生植物轉(zhuǎn)變的“單細(xì)胞通道”可能代表了一種通過細(xì)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(jī)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xiàng)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。