自然界中不乏千年古樹，植物似乎總是生命力的代名詞，它在生命周期中持續不斷地產生新的枝、葉、花與果實。而這一切生命律動，都源于一類核心的細胞群——植物干細胞。它們分布于莖頂端、根尖等“生長中樞”，通過精確的分裂與分化，繪制出植物生長的藍圖。也正是由于干細胞活性的精妙調控，塑造了全球約39萬種植物的多樣形態。

植物是如何維持其干細胞功能以實現強大的再生能力？這一核心問題是植物科學研究的重要前沿，從劍橋到上海，從博士后到研究員，中國科學院分子植物科學卓越創新中心研究員楊衛兵在這一研究方向上鉆研十年，又一次帶領研究團隊取得了重要進展。

北京時間2025年12月5日，楊衛兵團隊在國際權威學術期刊Science發表論文，為這一謎題提供了關鍵答案。中國科學院分子植物科學卓越創新中心博士研究生朱先苗和陳興為該論文的共同第一作者，楊衛兵為通訊作者。

一直以來，細胞壁都被認為是被動、靜止的植物細胞“外骨骼”，但這項研究成果或許顛覆了人們對于細胞壁的傳統認知。

研究發現，細胞壁的力學特性在干細胞調控中扮演著核心角色。在植物莖尖干細胞區域，細胞壁的主要成分果膠（pectin）呈現出獨特的“二元分布”模式：新形成的細胞橫壁偏“軟”，富含去甲酯化果膠；而成熟的細胞壁則更“硬”，以高度甲酯化的果膠為主。這種“軟硬兼備”的時空構型，對維持干細胞微環境穩態至關重要。

擬南芥分生組織干細胞的細胞壁“二元修飾”模式。本文圖片均為 中國科學院分子植物科學卓越創新中心 供圖

細胞壁超微結構調控干細胞穩態模型。

研究進一步發現，植物能夠通過精確控制某些mRNA（信使分子）在特定時間和位置的分布，來精細調節細胞壁的微觀結構。這種調控幫助干細胞在合適的時間、以正確的方式進行分裂，從而確保植物正常發育和形態構建。在新生的細胞壁中，果膠成分的去甲酯化過程使其變得較為柔軟、易調整，從而幫助細胞靈活確定分裂的方向和位置；而在成熟的細胞壁中，果膠保持高甲酯化狀態，則有利于維持干細胞持續分裂的能力以及組織的穩定。因此，細胞壁結構的動態變化，實際上像是控制干細胞命運的一個“核心開關”，引導其在分裂、分化等不同狀態間轉換。

對這一“核心開關”的運作機制進一步解析，會發現一個有趣的“例外”：PME5是負責催化果膠“軟化”的關鍵酶，其信使RNA（mRNA）在轉錄后并不立即進入細胞質，而是被特異性滯留于細胞核內，形成一個與細胞周期同步的mRNA儲備庫。只有當細胞分裂啟動、核膜解體之際，這些被禁錮的mRNA才被同步釋放，迅速翻譯為功能蛋白，精準作用于新生細胞壁，實現細胞壁局部的、定時定點的“軟化”調控。

PME5轉錄本（mRNA）的細胞核定位。

這種mRNA的核內隔離機制，猶如一個預設的“時間膠囊”，確保了細胞壁修飾程序僅在細胞分裂的關鍵時間窗口被激活，從而實現新舊細胞壁性質的精確區分。該機制也完美解釋了植物如何在緊密相鄰的細胞區域維持截然不同的細胞壁力學特性。

研究證實，一旦該調控機制遭到破壞，植物會表現出細胞分裂模式紊亂、干細胞活性降低、分生組織發育終止等一系列缺陷，從而確立了細胞壁的精細構造對干細胞的活性起著關鍵作用。本研究不僅回答了植物干細胞命運決定這一核心科學問題，也揭示了一種全新的基因表達調控模式——mRNA核滯留。PME5 mRNA在細胞內的位置和出現時間被精細調控，這就像一套內在的“時空協調程序”，巧妙地將干細胞增殖與細胞壁重建兩個過程緊密聯系起來，從而精準引導干細胞該何時分裂、何時分化。

值得關注的是，該調控機制在玉米、大豆、番茄等多種作物中高度保守。作物的株高、分蘗數、穗型和果實大小等關鍵農藝性狀，都與干細胞活力密切相關。基于“細胞壁精準設計”策略，該研究成果有望助力提升作物分生組織活性和產量潛力，為培育高產高效作物、保障國家糧食安全、助力“雙碳”目標實現，提供關鍵的理論支撐和技術路徑。