IT之家 12 月 6 日消息，中國科學院分子植物科學卓越創新中心、植物高效碳匯重點實驗室（中國科學院）楊衛兵團隊在植物干細胞調控領域取得重要進展。

相關成果已于 12 月 5 日發表在《科學》上。該工作首次揭示了細胞壁超微結構對干細胞穩態的決定性作用，破譯了植物細胞命運決定的“細胞壁密碼”。

莖頂端分生組織（shoot apical meristem，SAM）是植物地上器官（如莖、葉、花和果實）的來源。干細胞穩態的維持不僅是植物生長發育的基礎，也直接關系到作物的產量與品質。與動物細胞被細胞外基質（extracellular matrix, ECM）包裹類似，植物細胞由細胞壁環繞。長期以來，細胞壁被認為是提供機械支撐的靜態結構；然而近年來的研究表明，細胞壁結構具有高度可塑性，是植物細胞感知發育和環境信號的樞紐。動物 ECM 的物理特性，如硬度，是調控干細胞分化潛能的重要因素。那么，植物細胞壁的結構與動態是否影響細胞命運決定？其內在機制如何？目前尚不清楚。

楊衛兵團隊圍繞植物干細胞活性調控展開研究，系統解析了細胞分裂素促進干細胞增殖的分子機制，揭示了穗原基干細胞發育與免疫的平衡策略，并發現水分感知和細胞壁重塑在干細胞穩態維持中的重要功能。

在本研究中，團隊聚焦于細胞壁最為復雜的多糖組分 — 果膠（pectin）。果膠的甲酯化修飾，是細胞壁力學特性的決定因子。通過免疫熒光標記結合高分辨率顯微成像，研究團隊繪制了莖頂端分生組織的果膠甲酯化圖譜，發現高度甲酯化的果膠分布于成熟細胞壁，而去甲酯化的果膠則在新生細胞板（cell plate）富集。這種獨特的“二元分布”模式，構成了干細胞區域的力學異質性：低甲酯化賦予了新生細胞板的可塑性，使其可以靈活調整分裂方向；而成熟細胞壁的高甲酯化狀態，則維持了干細胞的活躍增殖能力。

那么，細胞壁這種精確的構型是如何實現的？研究進一步發現，植物干細胞擁有一套精巧的“定時投放系統”。有絲分裂啟動時，轉錄因子 MYB3R4 激活果膠甲酯酶 PME5 基因的轉錄。新生的 PME5 mRNA 并不立即進入細胞質，而是被 RNA 結合蛋白 RZ-1B/1C 滯留于核內，形成一個與細胞周期同步的 mRNA 細胞核儲備庫。在核膜解體（nuclear envelope breakdown，NEBD）的瞬間，大量的 PME5 mRNA 被釋放到細胞質，快速翻譯成蛋白，從而催化新生細胞板的去甲酯化。

通過系列截短實驗，該研究鑒定到 PME5 mRNA 的細胞核定位信號。缺失該序列的 mRNA 彌散于細胞質，而將該區段與報告基因融合仍不足以驅動細胞核定位，表明亞細胞定位也受到高級結構的影響。當干擾 PME5 mRNA 的細胞核定位使其蛋白提前表達時，成熟細胞壁發生過度去甲酯化，最終引起干細胞活性喪失、莖頂端分生組織提前終止等嚴重發育缺陷。

本研究不僅解答了植物干細胞命運決定這一核心科學問題，也揭示了一種全新的基因表達調控模式 —mRNA 核滯留。PME5 mRNA 在亞細胞層面的時空動態，巧妙地將干細胞增殖與細胞壁重塑過程相耦合，從而精確調節細胞的分裂與分化模式。

值得注意的是，該機制在玉米、大豆、番茄等多種作物中高度保守。作物株高、分蘗數、穗型以及果實大小等農藝性狀，均與干細胞活性密切相關?；凇凹毎诰珳试O計”策略，有望促進分生組織干細胞活性，為作物高產優質高效育種和“雙碳”目標實現提供新的理論支撐與技術路徑。

中國科學院分子植物科學卓越創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，楊衛兵研究員為通訊作者。南方科技大學吳柘教授為本研究提供了重要材料支持。該研究得到了中國科學院基礎與交叉前沿科研先導 B 專項、中國科學院基礎研究青年團隊項目、科技部重點研發計劃以及國家自然科學基金等項目資助。

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https://www.science.org/doi/10.1126/science.ady4102