植物细胞全能性表达的分子机理研究

Plant Cells have evolved a powerful ability to generate whole plants (cell totipotency). However, a little is known on molecular mechanisms of cell totipotency in plants. Based on previous study, we developed a system to generate somatic embryos from single cells of Arabidopsis cotyledon. The embryonic stem cells marked by SERK1-fluorescence were collected using a Laser Capture Microdissection technique. By RNA-seq analysis, we identified a number of genes (Single-cell specific factors, SSFs) which are specifically expressed in embryonic stem cells. In this project, we will determine functions of SSF genes in induction of somatic embryos and construct a network of cell totipotency. The study might provide novel and critical information for understanding molecular mechanisms of cell totipotency in plants, and lay a theory foundation for plant regeneration.

植物细胞全能性即单个植物细胞具有能够发育成完整植株的潜在能力，然而植物体细胞如何表达全能性的机理目前仍不清楚。本课题组建立了拟南芥子叶诱导体细胞胚胎发生系统，该系统的突出特点是不经过胚性愈伤组织，直接由子叶单个细胞发育成体细胞胚，因此是研究植物细胞全能性表达的理想实验系统。前期工作中，我们利用荧光捕获技术，以合子胚早期特异表达的SERK1作为标记基因，特异获取体细胞胚胎发生早期的单细胞（胚胎干细胞），进行RNA-seq转录组分析，鉴定出一批在胚胎干细胞中特异表达的基因SSF（Single-cell specific factors）。本项目拟进一步分析SSF诱导体细胞胚胎发生的功能，鉴定决定体细胞全能性表达的关键因子，构建植物细胞全能性表达的分子遗传网络。研究结果将阐明体细胞胚胎发生的分子调控网络，为深入理解植物细胞全能性的机理提供新的重要信息。

植物细胞全能性即单个植物细胞具有能够发育成完整植株的潜在能力，然而植物体细胞如何表达全能性的机理目前仍不清楚。本研究揭示了单个子叶细胞如何改变命运，转变成全能细胞，从而进入到胚胎发生程序。本研究还发现生长素在单细胞中的内源合成与积累对于全能细胞的起始是必需的。全能细胞起源于气孔谱系拟分生组织母细胞，且LEC2与气孔谱系拟分生组织母细胞发育关键决定因子SPCH存在蛋白互作，二者通过互作共同激活生长素的合成，从而促进拟分生组织母细胞向全能细胞的转变。研究结果将为深入理解植物细胞全能性的机理提供新的重要信息。另外，研究了顶端分生组织中干细胞的形成和维持，为理解干细胞形成和维持的机理提供了新信息；还改善提升了小麦再生和遗传转化效率。