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亮点文章 | 细胞全能性转录因子调控植物组培再生的分子机制研究进展

来源：花匠小妙招时间：2025-11-03 10:08

细胞全能性转录因子调控植物组培再生的分子机制研究进展

王迪，张晓宇，宋宇鑫，郑东然，田静，李玉花，王宇，吴昊

DOI: 10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2023-1164

植物器官修复和再生是适应外界环境变化，完成生命周期的一种关键生存策略。植物的细胞、组织或器官在离体条件下，经过无菌操作接种至特定培养基中，在人工控制的条件进行培养，使其再生成完整植株的生物技术被称为植物组织培养（简称为组培）。植物细胞所具备的全能性是植物可重复再生的基础，基于植物细胞全能性的组织培养技术已在植物快速克隆繁殖及基于遗传转化的遗传改良领域得到广泛应用。

生长素诱导的多能性愈伤组织形成是离体再生的第一步，对于不定芽或根的从头再生是必需的，但其具体详细的细胞和分子机制研究还尚不明确。近年来的研究表明：一些关键的转录因子在生长素和细胞分裂素等激素信号的刺激下，启动并调控下游基因表达，从而诱导植物细胞实现全能性。基于细胞全能性转录因子调控植物再生的机理，将这些基因应用于组织培养技术中能够显著提升植物的再生效率，能够在更广泛的物种和不同基因型植物中实现转基因和基因编辑，进而缩短育种周期。

近日，《生物技术通报》在线发表了题为《细胞全能性转录因子调控植物组培再生的分子机制研究进展》的文章。本文在系统总结植物细胞全能性转录因子的分类与特征的基础上，对其在植物组培再生过程中的作用机制进行深入论述，并进一步综合评述细胞全能性转录因子在提升植物遗传转化效率方面的应用价值，以供相关领域研究人员参考借鉴。

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本文主要包括以下几部分内容：

1 植物细胞全能性在组织培养再生过程中的体现

2 植物细胞全能性转录因子的分类与特征

2.1LEC类转录因子

2.2 Homeobox类转录因子

2.3AP2/ERF类转录因子

2.4LOB类转录因子

3植物细胞全能性转录因子在植物组培再生过程中的调控机制

3.1愈伤组织的形成

3.2不定芽的再生

3.3根再生

3.4体细胞胚胎发生

4细胞全能性转录因子在植物遗传转化中的应用进展

5结论与展望

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近年来，创伤处理和激素介导途径中，植物在分子水平上如何促进愈伤再生、根再生、芽再生以及体胚发生方面的研究取得了前所未有的进展。其中，植物细胞全能性转录因子在植物组织培养过程中起到关键作用，不同类型的转录因子在离体再生过程中存在着顺序的基因表达及复杂的串扰调控，形成一个复杂的转录调控网络。目前尚未解决的问题是，这些全能性转录因子如何促进如此多样化的再生过程，即从组织修复到新芽、根或胚胎的产生，这不仅取决于使用的组织或器官以及它们在体外培养的方式，同时生长素和细胞分裂素反应在决定未来根或茎分生组织的形成过程中也起着核心作用，进一步阐明了全能性转录因子的作用机制在植物组培再生过程中重塑新的细胞命运至关重要。

近年来，随着高通量测序技术的不断发展及测序成本的不断降低，多种组学技术，如RNA-seq、ATAC-seq以及CUT&Tag等，被逐步应用于植物细胞全能性转录因子的鉴定及其调控机制的解析，同时，这些方法的进一步完善，也有助于更精确地提高植物再生效率。在这一过程中，表观调控因子也发挥了重要作用，在愈伤诱导过程中，H3K36me3甲基转移酶ATXR2与ARF7/19相互作用，从而激活LBD16/29基因的表达。而在芽诱导培养基（SIM）上，ATXR2还能与type-BARR1互作，激活typeAARR的表达，同时抑制WUS基因的表达，进而阻碍芽的再生。与此相反，H3K4me3甲基转移酶ATX4则能抑制愈伤的形成，但同时促进芽的再生。此外，DNA甲基转移酶MET1在抑制愈伤组织中WUS表达的过程中也发挥着重要作用，这一过程受到细胞分裂素-CYCD3-E2FA模块的调控。除此之外，microRNA（miRNA）作为基因表达的重要调控因子，其在调控植物细胞全能性、细胞分化与再生过程中也有着十分重要的作用。miRNA作为内源基因表达的调控因子，被广泛认为在柑橘、落叶松和龙眼等多种植物的体胚发生过程中发挥重要作用。因此，表观遗传学为我们提供了一个重要的研究视角，对于深入理解植物细胞全能性及其再生能力的调控机制具有重要意义。

基于这些组学技术的兴起，植物基因组编辑体系已经逐渐发展成熟，然而高效广谱植物再生体系以及其背后的分子机制仍不清楚。目前单细胞测序及基因编辑等技术已经越来越广泛地应用于植物细胞的谱系追踪及细胞分化命运的研究中，今后需要利用这些先进技术并结合传统研究方法，分析植物再生过程中的基因表达谱，鉴定决定体细胞全能性表达的关键因子，以解析植物细胞全能性和多能性诱导表达的分子遗传网络。未来的研究需要继续深入探索表观遗传调控网络如何与细胞全能性转录因子相互作用，以及如何利用它们的调控机制来改进植物的组织培养和遗传转化技术，进一步了解这些复杂的调控网络如何调控植物细胞命运的转变和再生潜能,为建立一套普适的植物再生方法提供理论基础。另外，通过整合组学数据和精确的分子生物学工具，将作物的分子育种技术提升到一个新的水平，并在此基础上建立一套高效的再生系统，提高作物的再生效率。我们有望在不远的将来实现高效、可控的植物遗传转化，为农业生产和植物生物技术的发展开辟新的可能。

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