“上古有大椿者，以八千歲為春，八千歲為秋。”自古以來，植物所展現(xiàn)出的強(qiáng)大生命力，令人們對“永葆青春”“生命永續(xù)”充滿了遐想。在整個(gè)生命周期中，植物能夠持續(xù)不斷地產(chǎn)生新的枝、葉、花與果實(shí)，這源于分布在莖頂端、根尖等“生長中樞”的植物干細(xì)胞。那么，植物是如何維持其干細(xì)胞功能以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的再生能力的?近日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心楊衛(wèi)兵團(tuán)隊(duì)在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》發(fā)表論文，為上述謎題提供了關(guān)鍵答案。
研究發(fā)現(xiàn)，在植物莖尖干細(xì)胞區(qū)域，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(shí)空構(gòu)型對維持干細(xì)胞微環(huán)境穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。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(shí)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(shí)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。因此，細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，實(shí)際上像是控制干細(xì)胞命運(yùn)的一個(gè)“核心開關(guān)”，引導(dǎo)其在分裂、分化等不同狀態(tài)間轉(zhuǎn)換。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步解析這一“核心開關(guān)”的運(yùn)作機(jī)制——負(fù)責(zé)催化果膠“軟化”的關(guān)鍵酶PME5，其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(gè)與細(xì)胞周期同步的mRNA儲備庫。這種mRNA的核內(nèi)隔離機(jī)制猶如一個(gè)預(yù)設(shè)的“時(shí)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(shí)間窗口被激活，從而實(shí)現(xiàn)新舊細(xì)胞壁性質(zhì)的精確區(qū)分。研究證實(shí)，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。該研究不僅回答了植物干細(xì)胞命運(yùn)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。
值得關(guān)注的是，作物的株高、分蘗數(shù)、穗型和果實(shí)大小等關(guān)鍵農(nóng)藝性狀都與干細(xì)胞活力密切相關(guān)。因此，基于“細(xì)胞壁精準(zhǔn)設(shè)計(jì)”策略，該研究有望提升作物分生組織活性和產(chǎn)量潛力，為培育高產(chǎn)高效作物提供關(guān)鍵的理論支撐和技術(shù)路徑。據(jù)了解，團(tuán)隊(duì)下一步會將研究成果應(yīng)用于水稻等作物的育種。
責(zé)任編輯：陸迪
