揭秘植物“隱形鎧甲”的誕生：首次目睹活植物細(xì)胞構(gòu)建細(xì)胞壁

作者段躍初

在植物的微觀世界里，有一個(gè)神秘而關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)——細(xì)胞壁，它如同堅(jiān)固的“隱形鎧甲”，默默守護(hù)著植物細(xì)胞。細(xì)胞壁不僅維持細(xì)胞的形態(tài)，還在植物生長、發(fā)育以及應(yīng)對外界環(huán)境中扮演著重要角色。其中，纖維素作為細(xì)胞壁的主要成分，其合成和組裝過程一直是科學(xué)界探索的焦點(diǎn)。最近，一項(xiàng)發(fā)表于《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）的研究取得了重大突破，首次成功觀察到活體植物細(xì)胞構(gòu)建細(xì)胞壁的微觀過程，為我們揭開了這一神秘面紗的一角。

植物細(xì)胞壁是包圍在質(zhì)膜外的一層堅(jiān)硬而略有彈性的硬壁，是植物細(xì)胞區(qū)別于動物細(xì)胞的主要特征之一 ，由中膠層、初生壁及次生壁三部分組成。中膠層又稱胞間層，位于兩個(gè)相鄰細(xì)胞之間，主要成分為果膠質(zhì)，有助于將相鄰細(xì)胞粘連在一起，并可緩沖細(xì)胞間的擠壓；初生壁在胞間層內(nèi)側(cè)，是細(xì)胞分裂后最初由原生質(zhì)體分泌形成的細(xì)胞壁，存在于所有活的植物細(xì)胞，通常較薄，約1 - 3微米厚，具有較大的可塑性，既可使細(xì)胞保持一定形狀，又能隨細(xì)胞生長而延展，主要成分為纖維素、半纖維素，并有結(jié)構(gòu)蛋白存在；次生壁則是部分植物細(xì)胞在停止生長后，其初生壁內(nèi)側(cè)繼續(xù)積累的細(xì)胞壁層，位于質(zhì)膜和初生壁之間，主要成分為纖維素，并常有木質(zhì)存在，通常較厚，約5 - 10微米，而且堅(jiān)硬，使細(xì)胞壁具有很大的機(jī)械強(qiáng)度，大部分具次生壁的細(xì)胞在成熟時(shí)，原生質(zhì)體死亡 。

纖維素是世界上最豐富的多糖，在細(xì)胞壁中起著關(guān)鍵作用，為細(xì)胞壁提供了抗張強(qiáng)度。然而，新合成的纖維素如何在細(xì)胞表面組裝成復(fù)雜的纖維網(wǎng)絡(luò)，長期以來一直是個(gè)未解之謎。

在過去，科學(xué)家們主要依靠傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室顯微鏡來研究細(xì)胞壁的構(gòu)建過程。但傳統(tǒng)顯微鏡存在諸多局限性，最多只能提供細(xì)胞壁構(gòu)建過程的模糊圖像，無法清晰捕捉到其中精細(xì)的動態(tài)變化。這就好比用一臺像素極低的相機(jī)去拍攝一場精彩的演出，只能看到大致輪廓，卻無法看清演員們細(xì)膩的動作和表情。

而在這項(xiàng)新研究中，研究小組另辟蹊徑，轉(zhuǎn)而使用全內(nèi)反射熒光顯微術(shù)（total internal reflection fluorescence microscopy）。這種技術(shù)就像是為微觀世界帶來了一臺超高清、高靈敏度的攝像機(jī)。它只捕捉細(xì)胞底面的圖像，能夠極大地提高成像的靈敏度。而且，它可以連續(xù)拍攝24小時(shí)而不會使熒光漂白或破壞細(xì)胞，為長時(shí)間觀察細(xì)胞活動提供了可能。

全內(nèi)反射熒光顯微術(shù)的原理基于光線全反射后在介質(zhì)另一面產(chǎn)生的消逝波。當(dāng)光線以特定角度從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，如果入射角大于臨界角，光線將不再穿透界面，而是全部反射回原介質(zhì)，同時(shí)在光疏介質(zhì)一側(cè)會產(chǎn)生一個(gè)呈指數(shù)衰減的消逝波。這個(gè)消逝波雖然能量較弱，但足以激發(fā)樣品表面數(shù)百納米厚薄層內(nèi)的熒光分子。由于只有極靠近全反射面的樣本區(qū)域會產(chǎn)生熒光反射，大大降低了背景光噪聲對觀測標(biāo)的的干擾，使得研究人員能夠清晰地看到樣品表面單分子的活動情況 。

研究團(tuán)隊(duì)選擇了擬南芥作為研究對象。擬南芥是一種廣泛應(yīng)用于植物科學(xué)研究的模式植物，它植株較小，生長周期短，結(jié)實(shí)多，基因組小且易于轉(zhuǎn)化，這些特點(diǎn)使得它成為科學(xué)家們探索植物奧秘的理想材料 。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員將擬南芥的原生質(zhì)體（沒有細(xì)胞壁的細(xì)胞成分）置于特定的環(huán)境中培養(yǎng)。借助全內(nèi)反射熒光顯微術(shù)，他們成功捕捉到了活體植物細(xì)胞在24小時(shí)內(nèi)連續(xù)構(gòu)建細(xì)胞壁的微觀過程的圖像。這一過程就像是一場微觀世界里的神奇“蛻變”。

研究人員觀察到，擬南芥的原生質(zhì)體萌發(fā)出由纖維素構(gòu)成的纖維絲，這些纖細(xì)的纖維素絲就像是一根根微小的建筑材料，在細(xì)胞外表面逐漸自我組裝。它們相互交織、纏繞，如同技藝精湛的工匠編織一張復(fù)雜而又有序的網(wǎng)絡(luò)，最終形成了致密的纖維網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建起了細(xì)胞壁的基本框架。

這項(xiàng)研究首次直接展示了纖維素如何在植物細(xì)胞表面合成并自我組裝成致密的纖維網(wǎng)絡(luò)，填補(bǔ)了植物細(xì)胞壁形成機(jī)制研究領(lǐng)域的重要空白，為我們深入理解植物生長發(fā)育的基本過程提供了全新的視角。

從實(shí)際應(yīng)用的角度來看，該研究成果具有廣闊的應(yīng)用前景。它可能為從植物中提取的日常產(chǎn)品提供新的技術(shù)支持和改進(jìn)方向，包括增強(qiáng)紡織品、生物燃料、生物可降解塑料和新型醫(yī)療產(chǎn)品等 。

在紡織品領(lǐng)域，深入了解纖維素的合成和組裝機(jī)制，有助于開發(fā)出更堅(jiān)韌、更耐用的天然纖維材料，提升紡織品的品質(zhì)和性能；對于生物燃料行業(yè)，研究成果可能為提高植物生物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率提供新思路，降低生物燃料的生產(chǎn)成本，促進(jìn)可再生能源的發(fā)展；在生物可降解塑料方面，有望利用植物細(xì)胞壁的構(gòu)建原理，開發(fā)出性能更優(yōu)良、降解速度更可控的生物可降解塑料，減少傳統(tǒng)塑料對環(huán)境的污染；在醫(yī)療領(lǐng)域，或許可以借鑒植物細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)和功能，開發(fā)新型的生物醫(yī)用材料，用于組織工程、藥物輸送等方面。

這項(xiàng)關(guān)于活植物細(xì)胞產(chǎn)生纖維素并形成細(xì)胞壁的研究，是植物科學(xué)領(lǐng)域的一次重大突破。它不僅讓我們對植物微觀世界的奧秘有了更深入的認(rèn)識，也為眾多相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇和希望。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，相信我們還將揭開更多關(guān)于植物的神秘面紗，為人類社會的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

Time-resolved tracking of cellulose biosynthesis and assembly during cell wall regeneration in live Arabidopsis protoplasts｜Science Advances