2005年，植物细胞全能性和再生被Science期刊列为最重要的最具挑战性的25个科学问题之一。
植物体细胞在哪些因素的作用下可以发生重编程再生出新的器官或独立植株，一直是植物科学领域的研究热点之一。
DNA损伤是生物体无法避免的，因为它可以由细胞内源的反应造成，也可以由外界环境中的各种胁迫造成。
由于DNA储存着生物体生存和繁衍的遗传信息，一般认为DNA损伤破坏了基因组完整性从而影响细胞生活力，在动物多能干细胞的诱导和再生过程中起负面作用。
北京时间2020年8月17日晚23时，《自然—植物》在线发表了华中农业大学陈春丽课题组与日本合作者的最新研究成果。
研究人员发现DNA损伤可以诱导早期陆生模式植物小立碗藓的叶片细胞重新编程为干细胞（视频1），然后再生出新的植株，而且这个再生过程不依赖于死细胞。
这是一种全新的植物适应胁迫环境的策略，也是首次发现DNA损伤在细胞重编程中有积极的诱导作用。
视频1：DNA损伤试剂zeocin处理后，小立碗藓叶片细胞再生为原丝体干细胞的过程。左，明场下的叶片；右，叶片细胞核的荧光信号。华中农业大学生命科学技术学院陈春丽副教授和日本基础生物学研究所进化生物学实验室长谷部光泰（Mitsuyasu Hasebe）教授为论文共同通讯作者。
陈春丽课题组与日本基础生物学研究所联合培养博士生顾南、日本基础生物学研究所助教玉田洋介（Yosuke Tamada）为论文共同第一作者，捷克国家科学研究院Karel J. Angelis教授为该研究提供了部分技术支持。
在动物细胞中，大量的DNA损伤通常被认为抑制动物细胞的重编程，因为DNA损伤会导致细胞周期停滞和细胞凋亡等现象。
早期陆生植物小立碗藓（Physcomitrella patens）是植物干细胞再生和基因功能研究的一种模式植物。
小立碗藓在物理损伤信号的诱导下可以重编程分化的茎叶体叶片细胞再生出原丝体干细胞，且不依赖于外源添加植物激素。
本文报道的研究发现，短暂诱导 DNA 链断裂可以诱导分化的叶片细胞重编程再生出原丝体顶端干细胞（图1）。
图1:DNA损伤诱导试剂引起小立碗藓叶片细胞重编程为原丝体干细胞（标尺：1 mm）
小立碗藓的叶片细胞被DNA损伤诱导试剂浸泡6小时后，首先会导致基因组DNA链的断裂。
彗星实验检测发现，在该研究报道的实验条件下，DNA损伤试剂 Zeocin 和Camptocecin 主要诱导 DNA 单链断裂，DNA损伤试剂Bleomycin 会同时诱导大量的 DNA 单链和双链断裂（图2）。
图2:彗星电泳检测DNA损伤试剂造成的小立碗藓叶片细胞DNA损伤类型
随后受损的DNA在一天左右被修复到原先的状态。这一修复过程依赖于DNA损伤响应因子蛋白激酶ATR，但不依赖同为DNA损伤响应因子的蛋白激酶ATM。
之后，STEMIN1，一个物理损伤诱导的重编程调节因子被触发工作。STEMIN1积累表达的叶片细胞会重编程再生出绿丝体顶端干细胞（图3），且再生出的绿丝体干细胞可以继续生长发育并形成新的具有茎和叶的完整植株，类似于受精卵。
图3:DNA损伤诱导小立碗藓干细胞转录因子STEMIN1表达（标尺：100 µm）
通过 PI 染色观察，发现 DNA 链断裂诱导的小立碗藓干细胞再生过程并不依赖于死细胞（图4）。
图4:PI染色显示再生的干细胞相邻细胞为活细胞（标尺：100 µm）
这个结果令人震惊，因为面对大量的DNA损伤动物细胞选择死亡，而植物细胞选择重编程产生新的后代。
植物不能像动物一样迅速地逃离不利环境。因此，我们会经常看到植物产生伤口后，伤口处的死细胞可以诱导其周围分化的细胞转化为干细胞。
然而，这里报道的DNA损伤诱导植物体细胞转变成干细胞的整个过程并不依赖于死细胞，这是一个新的发现。研究人员提出该发现应该是一种全新的植物应对逆境的策略。
图5:DNA损伤试剂Zeocin引起植物干细胞再生的分子机制模式图
该发现和研究揭示的分子机制（图5），为深入理解植物细胞的全能性和植物再生技术提供了新的理论基础。
编辑 | 余 荷
