細胞分裂是所有生命形式存在的基礎。對於多細胞生物生物來說，不管是植物，還是動物，都是從單個細胞發育而來，該細胞分裂數十億次以構建複雜的生物。植物中未分化的幹細胞可作為新細胞的儲存庫，植物可從中生長並發育出專門的組織。新的莖、新的葉、新的根和新的花都起源於生長區域中被稱為頂端分生組織的幹細胞小簇。
這些生長區域中的細胞在稱為有絲分裂的過程中不斷分裂，該過程建立了植物的結構。長期以來，科學家一直知道細胞分裂素是這些細胞分裂行為的核心，但並不確切知道它如何刺激細胞增殖。
在2021年2月25日星期四發表在Science上的一篇論文中，劍橋大學塞恩斯伯裡（Sainsbury）實驗室和加州理工學院的研究小組首次發現了細胞分裂素如何激活植物中的幹細胞分裂。
他們使用擬南芥這種模式植物，發現細胞分裂素直接促進轉錄因子MYB3R4從細胞質向細胞核的轉運，並在其中激活關鍵細胞周期基因的表達。
該論文的主要作者，現為植物與微生物科學卓越中心（Centre of Excellence for Plant and Microbial Science ，CEPAMS）的小組負責人楊偉兵（Yang Weibing）博士表示：「了解如何控制幹細胞的自我更新對於理解植物的生長和發育至關重要。我們知道植物激素——細胞分裂素很重要，我們的研究現在解釋了細胞分裂素調節幹細胞分裂的機制-它通過將蛋白質穿梭到細胞核中來激活有絲分裂相關基因的機制。」
在有絲分裂中，染色體複製，然後平均分配給兩個子細胞。塞恩斯伯裡實驗室成像核心設施經理Raymond Wightman博士補充說：「使用延時共焦顯微鏡研究活的植物細胞，我們能夠捕獲被發現對引發有絲分裂很重要的蛋白質的細胞動力學。」
楊博士進一步解釋道：「對單個細胞的時間推移觀察表明，MYB3R4蛋白的位置發生了快速變化。在細胞分裂之前，蛋白質主要存在於細胞質中，並且在有絲分裂開始時，MYB3R4在細胞核中迅速積累，然後在細胞分裂完成後又被輸出回到細胞質中。已知40多年來，植物內源性細胞分裂素水平在細胞周期中波動，並在G2/M過渡期達到峰值。我們現在表明，該細胞分裂素峰值的直接反應是MYB3R4核運輸。」
進一步的實驗表明，細胞分裂素起觸發正反饋迴路的「分子開關」作用——促進MYB3R4核定位，激活輸入蛋白（importin）基因IMPA3和IMPA6的轉錄，進而促進MYB3R4的核輸入。 通過數學建模，證明了這種正反饋可以使MYB3R4核運輸變得越來越快。
楊博士補充道：「我們的發現可能具有實際應用價值，通過突變核輸出信號，我們能夠對組成型核定位的MYB3R4蛋白進行工程改造，發現它可以極大地增強幹細胞的增殖和分生組織的生長，部分類似於細胞分裂素治療的效果。」
分生組織中細胞分裂素的增加是增加根部氮素營養的結果之一。能夠增加分生組織中細胞分裂素的細胞分裂反應，可能提供一種使植物像受精後一樣生長的方法，即使 土壤中的氮水平不是最理想的。
通過深入了解植物細胞如何在生長中分裂，像改研究這樣的基礎植物科學可以幫助確定增強植物生長的新方法，並為可能影響植物健康和農業產量的未來工作奠定基礎。