科學網—植物幹細胞:從實驗室走向產業

2020-11-23 科學網

 

張憲省（左二）與團隊成員分析植物分生組織關鍵蛋白的功能。楊宇攝

近十幾年來，張憲省團隊圍繞激素對植物幹細胞的調控機理開展了深入研究，已經發現了生長素和細胞分裂素調控幹細胞的機理。根據他們的研究結果，生長素和細胞分裂素的響應信號在莖端分生組織重塑呈現出十分有規律的變化過程，逐漸從相互重疊的均勻分布變成相互拮抗的分布模式，最終細胞分裂素分布在原分生組織的中心，生長素在細胞分裂素的上方周圍區域呈環狀分布。

■本報記者 李晨 通訊員 楊宇

「海棠苗木繁育仍採用扦插、嫁接等老辦法，樹苗的脫毒、品質控制等方面還存在一些問題和困難。聯盟成立後，我們將建立山東農業大學組培實驗室，依靠科學技術和專家力量來提高海棠組培苗木品質和生產水平。」

「育苗是果樹產業發展的關鍵。我們希望參加這個聯盟後，利用最先進的組培等技術提高苗木繁育和生產水平，促進蘋果產業的轉型升級。」

……

近日，山東農業大學作物生物學國家重點實驗室與來自4省區的12家苗木企業、科研單位聯合成立植物幹細胞與生物技術創新戰略聯盟（以下簡稱聯盟）。山東省聊城綠澤園林科技有限公司總經理李群述和甘肅省靜寧縣果樹果品研究所所長李建明等與會者希望，通過此舉加強產學研合作，用最新的科研成果推動植物組織培養產業健康可持續發展。

高價值物種難以組培的謎團

植物特別是木本植物的有性生殖獲得的後代往往性狀雜亂不一；而營養繁殖是對親本的「克隆」，優良性狀得以完全保留。

組織培養（簡稱「組培」）就是一種營養繁殖方式。相對於扦插、壓條等，組培苗有生長勢更好、更加整齊、生產過程更容易控制、佔地面積小、速度快、不受季節限制、適合工廠化大規模高效生產等優勢。組培還是植物基因工程操作和分子設計育種的必要步驟。

「組織培養已經成為農業科學研究和農業現代化生產的手段和重要途徑。」 山東農業大學作物生物學國家重點實驗室主任張憲省教授告訴《中國科學報》，目前蘋果、櫻桃和一些花卉、林木可以通過組織培養來進行工廠化生產，實現快速繁殖，但還有許多經濟價值高的物種或性狀優異的品種難以實現組織培養。

例如，很多生物技術企業組培生產的花卉僅限於非洲菊、蝴蝶蘭、紅掌等，而牡丹、芍藥、玫瑰、月季等經濟價值更高、市場更大的花卉卻從未見有人利用組培進行生產。原因就在於它們再生困難，很難建立組培再生體系。

再如，很多公司利用組培生產大櫻桃矮化自根砧苗木，基本都生產吉塞拉等幾個品種。原因就是其他品種，哪怕是性狀更加優良的品種，也很難建立組培體系。

為什麼會產生上述情況？

科學家認為，只有搞清楚外源細胞分裂素和生長素誘導莖端幹細胞再生的作用機制，才能徹底揭開這個謎團。

揭開謎團的重要一步

近十幾年來，張憲省團隊圍繞激素對植物幹細胞的調控機理開展了深入研究，已經發現了生長素和細胞分裂素調控幹細胞的機理。

山東農業大學作物生物學國家重點實驗室教授桑亞林告訴《中國科學報》，根據他們的研究結果，生長素和細胞分裂素的響應信號在莖端分生組織重塑呈現出十分有規律的變化過程，逐漸從相互重疊的均勻分布變成相互拮抗的分布模式，最終細胞分裂素分布在原分生組織的中心，生長素在細胞分裂素的上方周圍區域呈環狀分布。

「這一特定模式是誘導幹細胞產生的必要條件。」桑亞林說。

他們經過進一步的分析發現，這一特定模式是生長素和細胞分裂素信號轉導和合成途徑中的基因相互抑制造成的，而其中細胞分裂素信號轉導通路中的B類響應因子直接啟動幹細胞調控基因的轉錄。

「這些結果為我們進一步提高難再生物種和品種的再生能力，進而建立組培體系奠定了理論基礎。」張憲省說，從理論上講，植物的所有器官都可以誘導產生，這與使用的培養材料，以及激素的種類、激素的水平等都有密切的關係。

過去一般都是利用莖、葉通過誘導愈傷組織來進行組織培養，而該團隊最近的研究發現，用根經過轉分化過程培養產生的芽不僅數量多，而且時間短。

科研人員介紹說，隨著研究的進一步深入、拓展，將來有可能直接產生花瓣、心皮、雄蕊，甚至果實，建立真正的「植物工廠」：生產心皮和雄蕊，從而直接在培養基上結出大米；生產果實，讓太空人只帶接種了植物組織的培養基上飛船，便可以在太空中吃到新鮮的番茄……可以說，組織培養為現代農業帶來美好的前景。

產學研合作提高創新水平

「基礎研究要為技術創新提供指導。我們剛申報了山東省植物幹細胞與生物技術創新研究中心，目的是讓這些最新研究成果在推動農業產業發展中發揮作用。我們不僅希望通過與國內外頂尖科研單位加強合作取得一流研究成果，而且希望與企業加強合作，讓這些研究成果接地氣、指導生產實踐，用科技提高我國農業生產的水平。」張憲省說。

記者注意到，聯盟中既有山東豐沃農業有限公司、山東聊城綠澤科技有限公司等國內苗木行業的知名企業，也有地方科研和推廣單位。

桑亞林認為，企業最想看到的就是越來越多的重要物種或品種建立組培體系，由它們來進行工廠化的生產。而科研工作者最看重的是揭示某個生物學過程的機理。「聯盟的意義在於，讓企業告訴高校，哪些物種或品種經濟價值最大；由高校根據自己的基礎研究積累，去建立這些物種或品種的組培體系；再由高校和企業一道，優化方案，降低成本，建立可商業化的成熟體系。」

著名果樹專家、中國工程院院士束懷瑞指出，幹細胞和組織培養研究是作物生物學國家重點實驗室的特色優勢方向，已經取得的重要成果要想應用於生產，必須與企業結合。通過建立聯盟，把創新能力強的相關單位聯合起來，強強聯合，形成合力，這樣才能保證研究成果和產品是高水平、高效益的。

「希望這個聯盟瞄準生產需要來研究問題，爭取大項目、出大成果，推動產業做大做強，這樣我們的產學研結合才有力量。」束懷瑞說。

《中國科學報》 (2019-06-11 第6版 農業科技)

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