楊衛(wèi)兵研究員（中）和論文主要作者朱先苗（右）、陳興（左）觀察植物干細(xì)胞

為何有些植物壽命可長(zhǎng)達(dá)千年，種子沉睡千年也能萌發(fā)？這種綿延不絕的生命力源于一類(lèi)核心的細(xì)胞群——植物干細(xì)胞。那么，植物是如何讓其干細(xì)胞長(zhǎng)期維持強(qiáng)大再生能力的？今天凌晨，國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》發(fā)表來(lái)自上海的研究成果，科學(xué)家解開(kāi)了其中的謎團(tuán)，將為提高作物產(chǎn)量、改良果蔬品質(zhì)、增強(qiáng)林木環(huán)境適應(yīng)性開(kāi)辟全新的理論框架與技術(shù)途徑。

植物干細(xì)胞堪稱(chēng)“頭發(fā)絲上的生長(zhǎng)宇宙”，在植物莖頂端、根尖等“生長(zhǎng)中樞”所占區(qū)域直徑不到0.1毫米，卻可使植物在整個(gè)生命周期中都持續(xù)抽枝、發(fā)芽、開(kāi)花。而且，它們?nèi)缤胖糜跁r(shí)間膠囊中一般，不懼歲月風(fēng)霜，相時(shí)而動(dòng)，展現(xiàn)生機(jī)。

植物細(xì)胞與動(dòng)物細(xì)胞的最大區(qū)別就是擁有細(xì)胞壁，會(huì)不會(huì)奧秘就藏在細(xì)胞壁中？為此，從2014年起，論文通訊作者、中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員楊衛(wèi)兵開(kāi)始了長(zhǎng)達(dá)十年的探索之路——在英國(guó)攻讀劍橋大學(xué)博士后探索6年，來(lái)到上海建立獨(dú)立研究組又進(jìn)行4年系統(tǒng)性研究，他終于帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)解開(kāi)了這個(gè)謎團(tuán)。

“我們發(fā)現(xiàn)，植物干細(xì)胞的細(xì)胞壁有著一套與眾不同的‘二元密碼’。”楊衛(wèi)兵說(shuō)，他們?cè)谖⑿〉姆稚M織內(nèi)，觀察到植物干細(xì)胞的細(xì)胞壁內(nèi)，果膠會(huì)有兩種不同的修飾形態(tài)——在成熟細(xì)胞壁中，果膠呈現(xiàn)硬硬的高度甲酯化狀態(tài)；而在新生細(xì)胞壁中，果膠則是軟軟的去甲酯化狀態(tài)。

細(xì)胞壁與植物干細(xì)胞命運(yùn)決定。左圖顯示擬南芥花序和莖頂端分生組織。洋紅色標(biāo)記細(xì)胞壁，綠色指示正在分裂的干細(xì)胞。右圖為植物初生細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)示意圖。

是誰(shuí)讓果膠發(fā)生了改變？原來(lái)，植物干細(xì)胞的細(xì)胞核內(nèi)，有一種專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)給“軟化”細(xì)胞壁的酶（PME5）傳遞消息的mRNA。當(dāng)外界條件適宜植物生長(zhǎng)時(shí)，mRNA就會(huì)被釋放到細(xì)胞質(zhì)中，讓PME5去軟化細(xì)胞壁，從而開(kāi)啟細(xì)胞分裂生長(zhǎng)的過(guò)程。

PME5轉(zhuǎn)錄本（mRNA）的細(xì)胞核定位

“這個(gè)傳遞信號(hào)的過(guò)程非常短，通常只有幾百毫秒。”楊衛(wèi)兵解釋?zhuān)@也是為何過(guò)去科學(xué)家一直沒(méi)發(fā)現(xiàn)這個(gè)神奇的過(guò)程。他們利用分子植物創(chuàng)新中心的高端儀器平臺(tái)，清楚“看”到了mRNA從細(xì)胞核跑去“傳令”的過(guò)程。

根據(jù)經(jīng)典的生命中心法則，mRNA在細(xì)胞核里被合成出來(lái)后，就都被趕去細(xì)胞質(zhì)。“但這種mRNA卻被發(fā)現(xiàn)滯留在細(xì)胞核里，或許中心法則也有例外。”楊衛(wèi)兵覺(jué)得，這或許會(huì)為人類(lèi)研究RNA的行為打開(kāi)一個(gè)新的視角。

不過(guò)，又是誰(shuí)把mRNA“鎖”在細(xì)胞核內(nèi)？研究團(tuán)隊(duì)又開(kāi)展了一場(chǎng)艱苦的“海選”，最終找到了核內(nèi)RNA結(jié)合蛋白R(shí)Z-1B/1C。又經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)數(shù)月的投稿和修改，論文終于在今天凌晨發(fā)表。

植物干細(xì)胞在細(xì)胞壁的軟硬轉(zhuǎn)換間，完美保存了“生命火種”，而這一機(jī)制在玉米、大豆、番茄等重要作物中廣泛存在。因此，未來(lái)育種家或可像編程一樣，通過(guò)對(duì)細(xì)胞壁的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化作物的干細(xì)胞活性，讓植物產(chǎn)出更飽滿(mǎn)的穗、更大的果實(shí)。

更值得一提的是，植物細(xì)胞壁還是地球上規(guī)模最大、儲(chǔ)量最驚人的生物質(zhì)形式，其儲(chǔ)碳量是整個(gè)人類(lèi)的7500倍。因此，若可實(shí)現(xiàn)細(xì)胞壁的精準(zhǔn)調(diào)控，讓植物長(zhǎng)得更大、更繁茂，未來(lái)還可大幅提升植物固碳能力，為碳中和做出貢獻(xiàn)。