来源：iNature（ID：Plant_ihuman）
细胞多能性是生物学的基础。人们早就知道，分化的植物体细胞可能会重新获得多能性，但潜在的机制仍然难以捉摸。在许多植物物种中，单个分离的叶肉原生质体可以再生为完整的植物，这被广泛用于基因转化。植物单细胞再生在农业、园艺上具有广泛应用价值，是遗传转化的常用途径。虽然很多种类的植物均实现了单个分化体细胞的再生，获得了完整植株，但关于植物单细胞再生机制目前仍然知之甚少。
2021年8月11日，中国科学院遗传与发育生物学研究所焦雨铃研究组与中国科学院大学生命科学学院汪颖研究组合作在Science Advances在线发表题为“Stochastic gene expression drives mesophyll protoplast regeneration”的研究论文，该研究确定了WUS与DRN两种转录因子，其异位激活促进原生质体再生。此外，该研究发现它们的表达是由原生质体分离诱导的，但频率非常低。使用实时成像和单细胞转录组学，该研究表明分离原生质体会在基因组水平上诱导增强的表达变异。分离原生质体还导致染色质可及性的全基因组增加，从而促进基因表达的随机激活并增强原生质体再生。该研究提出，随着细胞间表达变异性的增加，转录组混乱创造了一个细胞水平的进化驱动选择再生细胞。
总之，该研究提出了单细胞再生的“转录组选择”模型：原生质体化后的基因随机表达在单细胞水平创造了演化的基础，培养条件选择出能够再生的基因表达组合。这一研究为植物单细胞再生机制提供了新思路。该机制可能在哺乳动物多能干细胞的诱导中发挥作用，也为动物体细胞再生研究提供借鉴。
不同于高等动物，高等植物细胞命运可塑性高，分化的植物体细胞可以获得全能性，再生出完整可育植株。植物单细胞再生在农业、园艺上具有广泛应用价值，是遗传转化的常用途径。
虽然很多种类的植物均实现了单个分化体细胞的再生，获得了完整植株，但关于植物单细胞再生机制目前仍然知之甚少。在Science创刊125周年列出的125个未知问题中，“单个体细胞如何再生整个植物”是排在首位的植物领域问题。
生物学中的一个基本问题是分化的细胞如何重新编程以获得多能性或全能性。植物具有广泛的组织再生能力。根和芽分生组织的损伤会迅速触发相邻的有效细胞类型分裂并获得特定的细胞身份；例如，去除整个根干细胞生态位允许通过整合生长素和细胞分裂素信号对多种相邻细胞类型进行重新指定，从而产生类似胚胎的发育程序。
在分生组织之外，某些细胞类型是全能或多能的，并保留再生能力。根木质部极周轮细胞是与脉管系统相关的薄壁细胞，当补充有生长素和细胞分裂素时，可以形成愈伤组织并随后产生芽或根分生组织。在气生器官中，表达木质部周轮细胞标记 J0121 并围绕中脉的周轮样细胞具有愈伤组织分裂的潜能。此外，周轮细胞在正常发育过程中会启动侧根和不定根。
上述再生源自现有的干细胞，即保留在分生组织区域内或专门保留多能性的祖细胞。相比之下，人们对分化细胞如何重新编程和再生知之甚少。植物具有从完全分化的体细胞再生出完整的可育植物的能力。叶肉细胞再生很好地说明了这一点，其中完全分化的叶肉细胞通过原生质体分离去除细胞壁，重新进入细胞周期，增殖并形成愈伤组织。随后从愈伤组织建立分生组织或体细胞胚，并且可以再生成整株植物。
尽管原生质体再生已广泛用于基因转化，但分化细胞如何获得全能性仍不清楚 。值得注意的是，这种令人印象深刻的再生能力在正常生长过程中受到严格抑制。据报道，原生质体分离会引起核仁结构域外观的微观变化，包括异染色质的去凝聚。然而，尚不清楚这些变化是否与再生有关。
在这里，该研究确定了不仅需要而且极大地促进原生质体再生的基因，特别是愈伤组织形成。它们的表达可以通过原生质体分离以低频激活，表明基因表达变异增强。通过将标记分析与单细胞基因表达谱相结合，该研究表明原生质体分离诱导转录组混乱，具有广泛的随机基因表达。这伴随着染色质可及性的全基因组增加，这促进了随机表达和原生质体再生。这些结果提供了对干细胞诱导的见解，并揭示了随机基因表达在细胞命运重编程中以前未被认识的作用。
已毕业的研究生徐梦雪博士和杜青伟博士为该论文的共同第一作者，焦雨铃教授和汪颖副教授为共同通讯作者。该研究获得了国家重点研发计划项目和国家自然科学基金的资助。
参考消息：
https://advances.sciencemag.org/content/7/33/eabg8466
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