山东农业大学李传友教授团队揭示植物再生新机制
通讯员 翟荣惠 中青报·中青网记者 邢婷
近日，山东农业大学李传友教授团队在植物再生领域研究取得重大突破，成功发现细胞受伤而产生的再生因子REF1，是引发组织修复和器官再生的原初受伤信号分子，在植物再生中发挥了巨大作用，并在植物转基因、基因编辑领域有巨大应用价值。北京时间2024年5月22日23时，国际顶尖学术期刊Cell在线发布这一成果。
在大自然中，无法移动的植物，在长期进化过程中形成了令人叹为观止、动物不可比拟的应对损伤的能力，它们不但能快速激活防御反应以抵御病虫侵害，还能轻松自如进行组织修复、器官乃至整个生命体的再生。
“是什么控制着器官再生”，这是Science杂志在2005年创刊125周年之际提出的125个人类未知的重大科学问题中最重要的25个科学问题之一。
20世纪70年代，著名美国学者Clarence Ryan教授，在模式植物番茄中，发现了植物对机械损伤的系统性防御现象，并发现小肽信号系统素和植物激素茉莉酸通过共同的信号通路来调控植物的系统性防御反应。接下来几十年，对植物这种积极系统性防御的信号转导过程，科学家们开展了大量研究，对其信号转导机理有了深入认识，但对于植物损伤修复和器官再生的机理却所知甚少。
据介绍，细胞损伤是触发生命体（无论植物还是动物）启动再生程序的原初物理诱因。据此人们推断一定存在一种由细胞损伤诱发的信号分子在再生过程中发挥重要调控作用，但对这种信号分子的化学本质却无从知晓。
李传友团队长期以番茄为模式，用遗传学手段解析由系统素和茉莉酸共同调控的植物系统性防御信号通路。深耕收获，团队获得了一系列系统素信号通路发生变化的番茄突变体，几年前又从中鉴定到在防御和再生方面同时表现缺陷的突变体spr9。
进一步的基因克隆结果表明，SPR9编码小肽SlPep（23个氨基酸）的前体蛋白。敲除SPR9会使番茄丧失受伤诱导的愈伤组织形成能力和器官再生能力，而过量表达SPR9则可显著提高番茄的再生能力。此外，外源施加SPR9编码的小肽可以显著提高番茄的再生能力，因此团队将该小肽重新命名为再生因子REF1。
研究证实，富含亮氨酸重复序列的受体激酶PORK1是REF1的受体。当植物发生细胞损伤时，REF1作为原初受伤信号分子被受体PORK1识别，并转录激活下游细胞重编程关键调控因子SlWIND1，进而启动植物的组织修复和器官再生进程。与此同时，SlWIND1还结合到REF1前体基因的启动子区激活其表达，从而产生更多的REF1小肽，放大REF1信号。这些表明，REF1以类似于模式动物中“细胞因子”的作用方式调控植物的再生过程。
尤为重要的是，他们发现，REF1的作用在植物界是保守的，几乎在所有双子叶植物和单子叶植物中都能找到对应的REF1小肽及其受体。外施REF1不仅可以显著提高番茄（包括一些难以转化的野生番茄）的再生能力和遗传转化效率，还可以将学界公认难以转化的大豆、小麦和玉米等作物的再生能力提高6~9倍，遗传转化效率提高4~5倍。
相关方法目前已申请国际PCT专利。
在该项研究中，李传友团队创造性地提出了防御和再生是植物受伤反应的两个密不可分的方面的全新理念。他们不仅找到了诱发植物再生的原初受伤信号分子REF1，破解了困扰科学界几个世纪的难题，而且为生物育种中解决作物遗传转化效率低、基因型依赖严重等瓶颈问题提供了便捷普适的方案。
中国科学院院士许智宏认为，植物再生因子REF1的发现，对于植物如何识别损伤刺激并启动组织修复和器官再生过程这一植物生命科学领域长期悬而未决的问题，是一重大进展，属于生命科学领域的标志性成果。
中国科学院院士种康评价：该研究对细胞分化与再生领域的基础科学研究和生物技术应用都具有突破性意义。植物再生因子REF1的发现和利用，对我国用好基因编辑这把剑打赢种业翻身仗、加快国家生物育种产业化步伐意义重大。
该研究也是山东省高校以通讯作者单位发表的首篇植物科学领域的Cell论文。李传友团队的中国科学院遗传与发育生物学研究所博士生杨文韬、山东农业大学翟华伟副教授、中国科学院遗传与发育生物学研究所吴芳明副研究员和山东农业大学邓磊教授为论文共同第一作者。李传友教授和邓磊教授为共同通讯作者。
