重磅！植物“再生指挥官”被山农大团队发现！成果在《细胞》在线发表

“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。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，国际高水平学术期刊Cell（《细胞》）在线发布这一成果。

业内专家认为，这是再生领域的重要发现，解决了植物受伤后如何启动再生过程这一世纪之问，对解决植物再生和生物育种两个领域的根本问题具有突破性意义。

再生因子REF1

在大自然中，无法移动的植物，经常会遭受损伤。不管是被挤压、被害虫咬，还是遭受病原菌危害，植物研究领域统称为机械性损伤。受伤时，植物不但能快速激活防御反应以抵御侵害和防止感染，还能轻松自如进行组织修复、器官乃至整个生命体的再生。

20世纪70年代，美国华盛顿州立大学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，对植物的系统性防御信号转导过程，科学家们进行了非常深入的研究。

众所周知，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。遭受损伤时，除了防御反应之外，它们还需要再生出新的组织或者器官让自己活下去。因此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作用，但对这种信号分子的化学本质，人们却无从知晓。

李传友团队长期以番茄为模式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，又从中鉴定到在防御和再生方面同时发生缺陷的突变体spr9。

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，因此研究团队将该小肽重新命名为再生因子REF1。

研究证实，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。

无法回补的突变体

博士生杨文韬是论文第一作者，也是重要实验环节的主要完成人。

20多年前，李传友在美国密歇根州立大学做博士后期间，主攻方向就是以番茄为模式研究植物防御咀嚼式昆虫的信号转导途径。他博士后合作导师的导师就是著名植物研究学者Clarence Ryan。Ryan教授开创了植物小肽类激素研究领域，找到了系统素和茉莉酸两个信号分子，并提出系统素是远距离运输的信号分子。李传友在美国期间的工作则证实，茉莉酸才是远距离运输的信号分子，系统素的作用是在受伤部位将茉莉酸的浓度激活到可以引起系统性防御反应的阈值。2002年文章发表时，Ryan在美国科学院报上高度评价李传友的发现，这项成果也被Science杂志评为“年度重要突破”。

回国后，李传友团队的工作继续聚焦于以番茄为模式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。2018年，博士生杨文韬进入实验室，李传友给她安排的科研课题，主要就是从分析番茄突变体spr9的抗性表型入手，分离背后的基因并系统研究其生物学功能。

spr9突变体丧失了受伤诱导的愈伤组织形成能力和器官再生能力，这是一个期待的正常结果。根据通常程序，杨文韬需要把SPR9基因回补到spr9突变体中，让它重新拥有防御能力。

意外出现了，杨文韬一直无法完成后一半实验。她日夜不停反复做，找专家请教，让同学替自己重复，就是无法让这个spr9突变体再生出新的植株。

李传友经常询问实验进程，实在瞒不下去的杨文韬，决定坦白自己的“失败”。

“为什么不早点告诉我？你知道这个发现有多重要吗？”李传友的惊喜让杨文韬有些意外。

李传友告诉她，“我一直认为，防御和再生是植物受伤反应两个密不可分的方面，这就是有力的证据。这个spr9，就是我们一直要找的在防御和再生方面同时有缺陷的突变体。”

“我们有一个表征防御缺陷的marker基因（蛋白酶抑制剂）。番茄植株遭受机械损伤后，通过检测marker基因的表达，与正常植株相比，spr9表达明显降低，证明防御有缺陷。SPR9过表达番茄植株中，SPR9基因的表达水平越高，植株表现出的再生能力越强，这就是再生因子的力量。”杨文韬解释。

“我从小在农村长大，入冬前麦苗长得比较旺的时候，看见父亲拿着锄头去锄地，我就很纳闷，根都断了，麦子还怎么长？没想到来年，麦子还是大丰收。来到山东农业大学农学系，听余松烈院士讲小麦的深耘断根，开始明白其中的科学道理，知道断根能让小麦根系发达，麦苗健壮，进而提高产量。然而，其间，细胞是如何反应的，深层次的科学原理到底是什么，一直是我心中的困惑。如今我们创造性地提出防御和再生是植物受伤反应两个密不可分的方面，既是一个全新的科学理念，更是对我心中疑惑的科学解答。”李传友告诉记者。

应用于再生领域前景广阔

植物的再生能力千差万别，并且因基因型不同而有显著差异，严重制约着转基因和基因编辑等突破性技术在生物育种中的应用潜力。如何通过一种简单直接的方法提高植物的再生能力，一直是现代生物育种领域面临的重大难题。

目前国际上大多采用共表达发育调控基因的策略来提高植物再生能力，但这种方法对提升作物遗传转化效率作用有限，还经常导致转基因植物的发育缺陷表型。李传友团队发现的再生因子REF1，不仅能成功克服上述局限，而且使用起来便捷高效。

发现外源施加REF1可以显著提高难以转化番茄品种的再生以及遗传转化效率后，李传友团队继续在更多植物上试验，并同时给多个研究团队提供相应物种的再生因子REF1，开展更广泛的物种试验。因为REF1本质上是一种小肽，一种小的蛋白，在单子叶和双子叶植物中保守存在，可以人工合成，外源施加，大幅提升转化效率，而且不存在基因型依赖性。

再生因子REF1，在小麦、玉米、大豆、土豆、向日葵以及果树等多种植物中，都表现出了极强的战斗力。大豆、小麦和玉米等是公认的难转化作物，外源施用了再生因子REF1后，转化能力提高了6-9倍，遗传转化效率提高4-5倍。

“我们做植物的遗传转化，简单说就是转进目标基因，得到新的植株材料。原来我处理100个叶片，能长出20个新植株就不错了。但是添加上这种小肽以后，我再做100个叶片，它可以再生出八九十个新植株，效率就提高了四五倍。”杨文韬向记者举例解释。

据了解，目前，再生因子REF1及其方法已成功申请了国际专利。

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道，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。

（大众日报·大众新闻客户端记者 王洪涛 通讯员 张钦龙 翟荣惠 报道）