科学家揭示禾本科作物成熟器官无法产生愈伤组织的原因

禾本科作物的成熟器官无法进行组织培养，这是组织培养技术应用的一个困扰。2017年9月28日《Regeneration》杂志以封面文章发表了我所徐麟研究组题为“Divergent regeneration-competent cells adopt a common mechanism for callus initiation in angiosperms”的研究论文，解释了禾本科作物成熟叶片无法产生愈伤组织的原因。

组织培养中可以利用生长素诱导外植体产生愈伤组织，再利用细胞分裂素诱导愈伤组织再生出不定芽，这一过程称为器官从头再生。拟南芥是双子叶模式植物，水稻和玉米是单子叶禾本科作物的代表。拟南芥的器官在成熟后都能进行组织培养产生愈伤组织。然而水稻和玉米成熟的叶片无法产生愈伤组织，只有幼嫩叶片基部约2毫米区域（叶片的非成熟区域）才能产生愈伤组织。

通过组织学分析发现，拟南芥叶片维管中的原形成层和一些薄壁细胞作为再生潜能细胞（regeneration-competent cell），是愈伤组织产生的源头；水稻和玉米幼嫩叶片基部中的维管束鞘和一些未成熟维管细胞可以作为再生潜能细胞产生愈伤组织。在根中，拟南芥以木质部侧的中柱鞘细胞作为再生潜能细胞产生愈伤组织，而水稻和玉米则以韧皮部侧的中柱鞘细胞作为再生潜能细胞产生愈伤组织。因此，拟南芥和禾本科作物利用了不同类型的再生潜能细胞进行再生。

通过分子标记的方法发现，这些不同物种中不同的再生潜能细胞，都要使用WOX11-WOX5分子通路来起始愈伤组织。WOX11的表达在这些物种中标记了愈伤组织创始细胞（founder cell），WOX5标记了新生的愈伤组织细胞。以上结果说明这一分子通路是被子植物进入愈伤再生的通用机制。

不是每一个植物细胞都能再生出愈伤组织，而只有具有成体干细胞属性的再生潜能细胞才能进入再生过程产生愈伤组织。拟南芥的再生潜能细胞（如原形成层）在成熟叶片中终身维持，因此能够在叶片的任何发育时期对其进行组织培养。但是禾本科作物的成熟叶片不再保留再生潜能细胞（如维管束鞘），这些细胞充分分化形成具有特定功能的组织，比如玉米的维管束鞘分化成了花环结构进行光合作用，水稻的维管束鞘分化为大型薄壁组织。因此在禾本科作物种，这些被分化的细胞丧失了成体干细胞属性，也就丧失了再生的潜能。拟南芥和禾本科作物在器官成熟过程中对维持再生潜能细胞采取的不同策略是它们成熟器官具有不同再生能力的原因。

该研究与我所张一婧研究组和湖南农业大学阮颖研究组合作，胡博、张贵芳、刘武、史坚敏和王华为并列第一作者。研究得到了国家自然科学基金委、科技部和中科院项目的资助。