再生的本质是受伤后细胞通过命运转变得到修复，体现了细胞的多能性和可塑性。在严酷的自然环境下，植物能够通过“器官从头再生”这一方式实现自我修复，甚至进行营养繁殖。虽然再生现象的发现及在农业生产中的应用历史悠久，但其细胞学和分子机理的研究仍处于起步阶段。利用拟南芥叶片作为外植体，我们改进了愈伤组织再生和根从头再生的研究体系，发现愈伤组织的细胞学本质类似于根原基，并揭示了Polycomb、WOX11和ISWI等关键因子在再生过程中控制干细胞命运从“原形成层”经历“根母细胞”到“根原基细胞”的转变。在此基础上，我们拟展开的研究工作包括溯源引发再生的伤口信号，解析内源激素在控制再生过程中的的分子机理，探索再生过程关键转录因子的分子功能，以及从干细胞演化角度比较单、双子叶植物再生机理的异同及原因。通过这些研究，我们期望系统地揭示植物器官从头再生的机理，期待为农业生产中实现分子控制再生技术奠定理论基础。

The phenomenon of plant regeneration, which allows plants for self-repairing when wounded or for surviving from severe natural conditions by vegetative reproduction, was recognized centuries ago. The key point in plant regeneration is the cell fate transition. Regeneration is also a frequently used technology in modern agriculture, such as cuttage, layering, grafting and tissue culture. Despite the long history of agricultural uses of plant regeneration, studies on the cellular and molecular mechanisms which control the regeneration appear only at the initial stage. This proposed research project is focused on de novo organogenesis, a major regeneration type in higher plants, using the model plant Arabidopsis thaliana. Based on our regeneration systems, we demonstrated that callus formation and de novo root organogenesis are similar processes; revealed the Polycomb-controlled genome-wide change of gene expression during callus formation and de novo root organogenesis; and clarified the WOX11- and ISWI-directed stem cell lineage of fate transition from procambium to root founder cells and then to root primordium cells. Our current research plan will mainly focus on the identification of wound signals that trigger the regeneration, the molecular mechanism of the endogenous hormone actions, and the role of key transcription factors in cell fate transition. In addition, we will also explore the difference in regeneration between monocots and dicots. These researches may gain insights into the molecular mechanism guiding de novo organogenesis, and provide with new ideas in improvement of plant regeneration technology for agricultural applications.

植物再生是植物体普遍具有的能力，它是指受伤后自我修复的过程。再生的本质是伤口诱导的细胞命运转变。再生不仅是自然环境下植物实现自我修复的过程，也在农业生产中有着广泛的应用。本项目的研究旨在揭示植物器官从头再生的机制，为农业生产中实现分子手段控制再生技术奠定理论基础。项目执行期间，我们的主要研究内容集中在解析植物再生过程中的伤口信号、激素行为、命运转变机制和再生能力的演化。我们利用两套研究体系进行实验：根从头再生体系是利用模式植物拟南芥的离体叶片进行不定根从头再生；组织培养体系是利用拟南芥和水稻的外植体进行体外培养，实现芽从头再生。基于这两个研究体系，我们取得了一系列的研究进展。在伤口信号和激素控制植物再生的生理与分子机制研究方面，我们发现ROS信号主要通过控制生长素的内源合成来启动再生过程。在根从头再生过程中的细胞命运转变机制方面，我们揭示了WOX11-LBD16/WOX5为核心的再生通路，并描绘了细胞命运转变的谱系。在组织培养过程中愈伤组织多能性和器官从头再生机制的研究方面，我们揭示WOX11-LBD16是愈伤组织多能性的分子基础，也是芽再生的必要条件。在单、双子叶植物再生能力的比较方面，我们分析了单子叶植物水稻和双子叶植物拟南芥在干细胞发育方面的区别，暗示再生能力的差异。这些研究为植物器官从头再生领域提供了理论基础，也为将来将分子手段应用到再生技术提供了线索。