自然界中不乏千年古樹，植物似乎總是生命力的代名詞，它在生命周期中持續(xù)不斷地產(chǎn)生新的枝、葉、花與果實。而這一切生命律動，都源于一類核心的細(xì)胞群——植物干細(xì)胞。它們分布于莖頂端、根尖等“生長中樞”，通過精確的分裂與分化，繪制出植物生長的藍(lán)圖。也正是由于干細(xì)胞活性的精妙調(diào)控，塑造了全球約39萬種植物的多樣形態(tài)。

植物是如何維持其干細(xì)胞功能以實現(xiàn)強(qiáng)大的再生能力？這一核心問題是植物科學(xué)研究的重要前沿，從劍橋到上海，從博士后到研究員，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員楊衛(wèi)兵在這一研究方向上鉆研十年，又一次帶領(lǐng)研究團(tuán)隊取得了重要進(jìn)展。

北京時間2025年12月5日，楊衛(wèi)兵團(tuán)隊在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Science發(fā)表論文，為這一謎題提供了關(guān)鍵答案。中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士研究生朱先苗和陳興為該論文的共同第一作者，楊衛(wèi)兵為通訊作者。

一直以來，細(xì)胞壁都被認(rèn)為是被動、靜止的植物細(xì)胞“外骨骼”，但這項研究成果或許顛覆了人們對于細(xì)胞壁的傳統(tǒng)認(rèn)知。

研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞壁的力學(xué)特性在干細(xì)胞調(diào)控中扮演著核心角色。在植物莖尖干細(xì)胞區(qū)域，細(xì)胞壁的主要成分果膠（pectin）呈現(xiàn)出獨特的“二元分布”模式：新形成的細(xì)胞橫壁偏“軟”，富含去甲酯化果膠；而成熟的細(xì)胞壁則更“硬”，以高度甲酯化的果膠為主。這種“軟硬兼?zhèn)洹钡臅r空構(gòu)型，對維持干細(xì)胞微環(huán)境穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。

擬南芥分生組織干細(xì)胞的細(xì)胞壁“二元修飾”模式。本文圖片均為 中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心 供圖

細(xì)胞壁超微結(jié)構(gòu)調(diào)控干細(xì)胞穩(wěn)態(tài)模型。

研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，植物能夠通過精確控制某些mRNA（信使分子）在特定時間和位置的分布，來精細(xì)調(diào)節(jié)細(xì)胞壁的微觀結(jié)構(gòu)。這種調(diào)控幫助干細(xì)胞在合適的時間、以正確的方式進(jìn)行分裂，從而確保植物正常發(fā)育和形態(tài)構(gòu)建。在新生的細(xì)胞壁中，果膠成分的去甲酯化過程使其變得較為柔軟、易調(diào)整，從而幫助細(xì)胞靈活確定分裂的方向和位置；而在成熟的細(xì)胞壁中，果膠保持高甲酯化狀態(tài)，則有利于維持干細(xì)胞持續(xù)分裂的能力以及組織的穩(wěn)定。因此，細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，實際上像是控制干細(xì)胞命運的一個“核心開關(guān)”，引導(dǎo)其在分裂、分化等不同狀態(tài)間轉(zhuǎn)換。

對這一“核心開關(guān)”的運作機(jī)制進(jìn)一步解析，會發(fā)現(xiàn)一個有趣的“例外”：PME5是負(fù)責(zé)催化果膠“軟化”的關(guān)鍵酶，其信使RNA（mRNA）在轉(zhuǎn)錄后并不立即進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，而是被特異性滯留于細(xì)胞核內(nèi)，形成一個與細(xì)胞周期同步的mRNA儲備庫。只有當(dāng)細(xì)胞分裂啟動、核膜解體之際，這些被禁錮的mRNA才被同步釋放，迅速翻譯為功能蛋白，精準(zhǔn)作用于新生細(xì)胞壁，實現(xiàn)細(xì)胞壁局部的、定時定點的“軟化”調(diào)控。

PME5轉(zhuǎn)錄本（mRNA）的細(xì)胞核定位。

這種mRNA的核內(nèi)隔離機(jī)制，猶如一個預(yù)設(shè)的“時間膠囊”，確保了細(xì)胞壁修飾程序僅在細(xì)胞分裂的關(guān)鍵時間窗口被激活，從而實現(xiàn)新舊細(xì)胞壁性質(zhì)的精確區(qū)分。該機(jī)制也完美解釋了植物如何在緊密相鄰的細(xì)胞區(qū)域維持截然不同的細(xì)胞壁力學(xué)特性。

研究證實，一旦該調(diào)控機(jī)制遭到破壞，植物會表現(xiàn)出細(xì)胞分裂模式紊亂、干細(xì)胞活性降低、分生組織發(fā)育終止等一系列缺陷，從而確立了細(xì)胞壁的精細(xì)構(gòu)造對干細(xì)胞的活性起著關(guān)鍵作用。本研究不僅回答了植物干細(xì)胞命運決定這一核心科學(xué)問題，也揭示了一種全新的基因表達(dá)調(diào)控模式——mRNA核滯留。PME5 mRNA在細(xì)胞內(nèi)的位置和出現(xiàn)時間被精細(xì)調(diào)控，這就像一套內(nèi)在的“時空協(xié)調(diào)程序”，巧妙地將干細(xì)胞增殖與細(xì)胞壁重建兩個過程緊密聯(lián)系起來，從而精準(zhǔn)引導(dǎo)干細(xì)胞該何時分裂、何時分化。

值得關(guān)注的是，該調(diào)控機(jī)制在玉米、大豆、番茄等多種作物中高度保守。作物的株高、分蘗數(shù)、穗型和果實大小等關(guān)鍵農(nóng)藝性狀，都與干細(xì)胞活力密切相關(guān)。基于“細(xì)胞壁精準(zhǔn)設(shè)計”策略，該研究成果有望助力提升作物分生組織活性和產(chǎn)量潛力，為培育高產(chǎn)高效作物、保障國家糧食安全、助力“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)，提供關(guān)鍵的理論支撐和技術(shù)路徑。