再生是动物和植物共同具有的保守的生物学现象和关键生存策略。相较动物细胞，植物细胞被普遍认为具有更强的全能性。这体现在植物不仅能够通过胚后发育分化形成一系列的组织器官，也能够通过再生产生各种类型的组织器官乃至整个个体。因此，再生可能是植物应对其无法移动而进化出的一种补偿机制。由于细胞谱系研究工具的缺乏，有关植物再生时的细胞命运决定及其发育谱系长期以来一直未被揭示。而跨植物全生命周期的细胞谱系追踪则更具挑战。此外，器官再生中一个值得探索的问题是每个再生植物所需要的祖先细胞的最少数量。虽然植物的胚后发育可能涉及不同数量的细胞，但并不清楚以多细胞外植体作为再生的初始材料时，植物再生是单细胞还是多细胞起源。
2024年11月25日，北京大学现代农学院、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室刘启昆课题组在Developmental Cell上在线发表了题为“Development of an inducible DNA barcoding system to understand lineage changes in Arabidopsis regeneration”的研究论文，该研究开发了全新的植物细胞谱系追踪工具，发现经由愈伤组织再生形成的拟南芥个体中不同器官和组织的细胞均起源于外植体中的同一个细胞。
图片摘要（图源自Developmental cell）
该研究以拟南芥根外植体作为再生材料，首先利用DNA条形码技术在愈伤组织阶段诱导 CRISPR-Cas9编辑，人为引入可标记不同细胞身份的DNA序列标记。通过对再生植株在器官水平上进行取样和条形码检测，发现再生植物的各个组织器官具有几乎相同的一套DNA条形码，这表明再生植物并没有组织器官特异性的细胞谱系。通过在单细胞水平进一步验证，发现不同组织来源的细胞含中的DNA条形码信息是一致的，说明拟南芥器官再生起源于单个祖先细胞。
为了可视化的持续追踪拟南芥再生过程中的细胞分裂、分化以及分布，该研究还开发了适用于植物细胞标记的多色荧光标记系统XVE-Brainbow，利用多种荧光蛋白的选择性表达以及不同荧光蛋白之间的随机组合，对细胞进行可视化标记。结果表明，根外植体中的祖先细胞在愈伤组织形成时会分裂形成细胞群，同一个细胞群内表现相同的荧光信号，表明其中的细胞具有相同祖先来源。部分细胞群内会进一步分裂和分化产生茎尖分生组织，再生出完整的再生植物。通过对再生植株不同部位的细胞进行观察，发现所有的细胞都表现相同的荧光，再次证明拟南芥再生起源于单个细胞。
为了进一步探究参与拟南芥再生的祖先细胞类型，刘启昆团队进一步利用碱基编辑工具修复特定类型细胞中的GFP编码框，使之获得可遗传的荧光标记，实现对特定类型细胞分裂后代的持续追踪。研究发现并证实了Xylem Pole Pericycle细胞能作为祖先细胞参与拟南芥愈伤组织的发生以及芽的再生。
拟南芥器官再生的模式图
综上所述，该研究开发并优化了多种植物细胞谱系追踪工具，在单细胞水平实现了对拟南芥再生过程中干细胞分裂分化的全生命周期追踪。这种由多细胞供体向再生植物转变的“单细胞通道”可能代表了一种通过细胞间竞争而产生最具有适应性的后代的策略，以此优化植物生存的机会。
北京大学现代农学院博士生逯新月和博士后张启燕为论文的共同第一作者。北京大学现代农学院刘启昆研究员为论文的通讯作者。北京大学现代农业研究院张华伟研究员为本研究提供了重要技术支持。该研究得到了北京大学蛋白质与植物基因研究国家重点实验室、国家自然科学基金、北京大学现代农学院的资助。此外多位老师为此项研究提供了技术指导和帮助，包括：中国科学院遗传与发育生物学研究所曹晓风院士、北京大学汤富酬教授、焦雨铃教授、何跃辉教授、南京大学王龙教授、中国科学院植物研究所胡玉欣研究员、徐重益研究员、中国科学院分子植物科学卓越创新中心徐麟研究员、山东大学丁兆军教授等。
