LEC2通过激活SPCH介导的局部生长素合成重编程气孔谱系细胞获得全能性

本研究揭示了植物体细胞胚胎发生的细胞起源和分子机制。研究人员发现LEC2通过激活SPCH表达的气孔母细胞中的TAA1/YUC4介导的生长素生物合成，驱动这些细胞转变为全能性体细胞胚胎奠基细胞。该研究阐明了转录因子与激素网络的协同作用在细胞命运重编程中的关键作用，为植物再生生物学提供了重要见解。

　　

植物具有惊人的再生能力，体细胞能够在特定条件下重获全能性，形成完整的胚胎结构。然而，这一过程的细胞起源和分子机制长期以来并不清楚。植物如何从已分化的体细胞重新获得发育全能性，是发育生物学领域的一个核心问题。在拟南芥中，LEAFY COTYLEDON 2 (LEC2) 是一个关键的胚胎发生调节因子，其过表达能够诱导体细胞胚胎形成，但具体的细胞来源和分子通路仍待阐明。

为了回答这些问题，研究人员开展了一项系统性的研究，结合多种先进技术手段揭示了LEC2诱导的体细胞胚胎发生机制。研究发现发表在《Cell》杂志上，为理解植物细胞重编程提供了重要见解。

研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：利用雌激素诱导的LEC2过表达系统进行时间进程分析；通过扫描电子显微镜(SEM)和共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)进行高分辨率成像；运用单核RNA测序(snRNA-seq)和激光捕获显微切割RNA测序(LCM-RNA-seq)进行转录组分析；采用染色质免疫沉淀(ChIP)、双分子荧光互补(BiFC)和电泳迁移率变动分析(EMSA)等技术研究蛋白质-DNA和蛋白质-蛋白质相互作用；使用各种报告基因株系（如DR5::GFP、YUC4::GFP、SERK1::GFP等）追踪细胞命运转变。

LEC2诱导的体细胞胚胎起源于单个子叶表皮细胞

研究人员首先建立了LEC2诱导的体细胞胚胎发生系统，发现LEC2过表达能够在拟南芥子叶中特异性诱导体细胞胚胎形成。这些体细胞胚胎能够发育成完整可育的植株，证明其具有真正的全能性。通过时间进程的扫描电镜观察，研究人员发现体细胞胚胎起源于子叶远轴表皮层的单个表皮细胞，这些细胞在LEC2诱导后约96小时开始出现形态学变化。

细胞特异性生长素生物合成介导向全能状态的转变

研究表明，LEC2诱导后，游离生长素(IAA)水平随时间显著增加。利用YUC4::GFP（生长素生物合成报告基因）和DR5::GFP（生长素响应报告基因）进行活体成像，发现生长素生物合成和响应在约84小时后在特定表皮细胞中被激活，这些细胞后来发育成体细胞胚胎。SERK1::GFP（体细胞胚胎标志物）的表达在约96小时后出现，且仅限于YUC4::GFP和DR5::GFP阳性细胞。

SPCH表达的气孔母细胞通过细胞特异性生长素生物合成被重编程为SEFCs

研究发现，LEC2特异性地重编程SPCH表达的气孔母细胞(MMCs)，而不是更成熟的气孔谱系细胞。在spch-4突变体中，LEC2无法诱导体细胞胚胎形成，而超活性SPCH2-4A变体的过表达则显著增强体细胞胚胎发生。时间推移成像显示SPCH表达先于YUC4::GFP、DR5::GFP和SERK1::GFP的表达，支持SPCH在指定全能性获得中的先导作用。

LEC2和SPCH协同调控TAA1和YUC4激活以驱动局部生长素生物合成促进SEFC形成

分子机制研究表明，LEC2和SPCH物理相互作用形成转录复合物。SPCH结合到TAA1和YUC4启动子的E-box元件(CANNTG)上，而LEC2则通过RY motifs (CATGCA)结合。两者协同激活TAA1和YUC4的表达，促进局部生长素生物合成。荧光素酶报告基因实验和ChIP-qPCR分析证实了这种协同调控关系。

snRNA-seq和LCM-RNA-seq解析导致SEFC形成的谱系分叉

单核转录组分析揭示了12个转录不同的细胞簇，其中簇7高表达MYB118、SERK1、FUS3和LEC1等全能性标志基因。通过激光捕获显微切割分离SERK1表达细胞，研究人员获得了SEFC的特异性转录组特征。轨迹分析显示从MMC/M样细胞出发存在明显的谱系分叉：一支通过GMC样中间态向SEFCs发展，另一支通过常规气孔谱系途径产生成熟保卫细胞。

转录重编程和动态共调控基因模块驱动细胞命运分叉向体细胞胚胎发生

差异表达分析显示，GMC-auxin亚簇（代表重编程中间态）富含生长素信号、染色质重塑和翻译相关基因，而常规气孔谱系细胞则主要富含细胞分裂基因。转录因子网络分析鉴定出11个核心调控因子，包括LEC2、SPCH、MP、FUS3、AGL15、MYB118等，这些因子共同调控生长素响应、染色质重塑和胚胎发生相关基因的表达。

研究结论与意义

这项研究系统地阐明了LEC2诱导的体细胞胚胎发生的细胞起源和分子机制。研究发现SPCH表达的气孔母细胞是体细胞胚胎奠基细胞的来源，LEC2通过与SPCH相互作用，协同激活TAA1/YUC4介导的生长素生物合成通路，从而驱动这些细胞向全能性状态转变。

该研究的重要意义在于：首先，明确了植物体细胞胚胎发生的具体细胞来源，解决了长期以来关于其细胞起源的疑问；其次，揭示了转录因子与激素网络协同作用在细胞命运重编程中的关键机制；第三，提供了从单细胞水平理解植物再生过程的详细图谱；最后，这些发现为改善作物遗传转化和再生效率提供了理论依据和技术支撑。

研究人员还发现，这种重编程过程需要通过一个GMC-auxin中间状态，该状态具有独特的转录特征，包括生长素信号、染色质重塑和翻译相关基因的上调。这一中间状态的发现为理解细胞命运转变的分子过程提供了重要见解。

此外，研究还鉴定了一个核心转录调控网络，包括LEC2、SPCH、MP、FUS3、AGL15、MYB118等多个关键因子，这些因子共同调控体细胞胚胎发生过程。这些发现不仅深化了对植物发育生物学的理解，也为未来通过合成生物学方法操控植物细胞命运提供了可能。

总之，这项研究通过多学科方法的整合，从细胞水平到分子机制全面揭示了植物体细胞重获全能性的过程，为植物再生生物学和发育生物学领域做出了重要贡献。