與動物類似，植物的再生依賴于細胞全能性和多能性。2005年，Science雜志公布了125個最具挑戰性的科學問題，其中“植物體細胞的命運如何在激素作用下進行重程式設計，通過細胞分裂和分化發育成為一個獨立的植株或器官”被列為最重要的25個科學問題之一。闡明植物細胞全能性和多能性是建立植物高效再生方法的理論基礎，相關理論突破将有助于利用基因組編輯技術創造高産、多抗、環境友好的未來作物，進而保證大陸和世界農業的可持續發展。
近日，SCIENCE CHINA Life Sciences（SCLS）線上發表了由中國、美國、日本、印度等13位一線科學家共同撰寫的植物再生機理及應用的系統性綜述Plant regeneration in the new era: from molecular mechanisms to biotechnology applications。該綜述長文囊括了380多篇植物幹細胞、再生與組織培養的研究文獻，以18000多字的篇幅，配以6張插圖，從8個方面詳細地總結了相關領域在過去20年中取得的重要進展，并對未來的研究方向進行了展望與探讨。
這篇綜述長文的第一部分為“Overview of meristems in plants”，詳述了植物莖尖和根尖分生組織的基本結構以及參與分生組織維持的基因調控網絡。
綜述第二部分是“Root tip regeneration”，總結了根尖修複再生的發現及研究體系和手段，并細緻描述了生長素、茉莉素和鈣離子如何通過下遊ERF類轉錄因子協同調控根尖修複再生的分子機制（圖1）。
圖1拟南芥根尖損傷修複再生的細胞和分子基礎
綜述第三部分是“De novo root regeneration in cuttings”，聚焦植物在受到損傷後，傷口處再生出根的研究進展。這一部分系統總結了傷口信号如何調動激素（生長素和茉莉素）的合成和積累，引起傷口處細胞命運的轉變，進而實作根尖分生組織從頭建立的過程（圖2）。同時，還探讨了植物年齡對根再生能力的調控作用以及根再生機制的進化保守性。
圖2拟南芥葉片傷口處根再生的細胞和分子基礎
綜述第四部分是“De novo shoot regeneration”。該部分首先詳述了植物愈傷組織（外植體在激素作用下形成的具有細胞多能性或全能性的細胞團）的研究進展，分别從傷口誘導的愈傷組織和激素介導的愈傷組織兩個方面進行了詳細的總結，歸納了生長素和細胞分裂素如何實作外植體體細胞命運的改變，并獲得細胞多能性的基本理論架構（圖3）。進一步對愈傷組織在高細胞分裂素環境下誘導生芽的研究進展進行了系統梳理，其中包括了莖尖分生組織核心基因WUS如何被細胞分裂素時空特異性誘導，WUS+細胞如何決定莖尖分生組織建立以及芽再生能力如何調控等幾個方面（圖4）。
圖3拟南芥愈傷組織形成的細胞和分子基礎
圖4 拟南芥芽再生的細胞和分子基礎
綜述第五部分“Somatic embryogenesis”分别從植物體細胞胚現象的發現、體細胞胚實作路徑和應用，植物細胞全能性決定因子的發現及等級調控網絡鑒定等幾個方面進行了詳細的歸納總結（圖5），并讨論了轉錄因子和表觀修飾在植物細胞全能性獲得過程中的作用。
圖5 拟南芥體細胞胚胎發生的分子架構
綜述第六部分“Protoplast regeneration”聚焦另一類植物再生過程，即植物從原生質體（沒有細胞壁的植物細胞）再生出完整的組織和器官的過程。這部分介紹了原生質體再生的發現曆程和目前的研究進展，并提出了該方向亟需回答的科學問題。
綜述第七部分是“Evolutionary view of plant regeneration”，重點從進化角度讨論了植物再生路徑與再生能力的差異性。分别對苔藓類植物（地錢和小粒碗藓）以及農作物的再生研究進展進行了總結和歸納，提出了不同植物在再生路徑和分子機制上的保守性和差異性（圖6）。
圖6 苔藓植物的再生
綜述的最後一部分是“Crop regeneration: from molecular mechanisms to applications”。該部分首先總結了作物再生能力提升的幾項挑戰，進一步提出了作物再生能力有效提升的實作路徑，并對未來研究方向進行了展望。
該綜述通訊作者為陳春麗、胡玉欣、Momoko Ikeuchi（日本）、焦雨鈴、Kalika Prasad（印度）、蘇英華、肖軍、徐麟、楊衛兵、趙忠、周文焜、Yun Zhou（美國）和王佳偉等13位教授。
原文連結：
http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11427-024-2581-2