【Science】打破认知！植物细胞壁既坚固又可延伸的分子机制被揭示！

Science杂志在线发表了来自宾夕法尼亚州立大学Daniel Cosgrove课题组与 Sulin Zhang课题组合作题为“Molecular insights into the complex mechanics of plant epidermal cell walls”的研究论文。该研究根据对细胞壁建模发现，纤维素链在细胞壁内捆绑在一起，提供强度，并在拉伸细胞时彼此滑动，从而提供了可扩展性，因此纤维素是细胞壁具备坚固和可塑性的关键。这项新研究提出了植物细胞壁的新概念，深入了解了植物细胞的生长机制，并为高分子材料的设计提供灵感。

对于植物来说，细胞壁对其生长发育极其重要，可以保护植物不被外界环境所影响。细胞壁分为初生细胞壁与次生细胞壁两种。初生细胞壁是一种相对动态的结构，能够支持细胞生长，并随着细胞生长扩张。其扩张对于决定植物的形态起了决定性作用。初生细胞壁一般比较薄，主要由不同种类的半纤维素和果胶形成的网状结构，其中会嵌有纤维素。而次生细胞壁是在细胞生长之后才开始形成的一种结构，可以最终对植物起到定型和支撑的作用。次生细胞壁是主要由纤维素，半纤维素和木质素组成。

植物细胞壁具有独特的特性，首先它们必须非常坚固以帮助保护和支持植物，同时又必须具有可塑性，能在植物生长时得到扩展。纤维素微纤维可以拉伸或弯曲，改变其首尾相连的长度，还可以彼此滑过，重新定向相对方向，并与邻近的微纤维捆绑在一起。长期以来，主流观点认为植物细胞壁的纤维素只负责细胞的坚固，就像水泥中的钢筋一样，提供了支撑作用。而细胞壁其他成分对其可塑性起作用。然而，植物如何解决细胞壁强度和可扩展性之间的转变，仍然不是很清楚。

该研究对洋葱细胞壁（初生细胞壁）的各个层进行了建模，以便可以将其力学特性的建模值与实际洋葱皮进行的实验进行比较。通过以几种方式拉伸洋葱细胞壁并利用模型中的分子动力，探索了负责细胞壁独特机械特性的结构。与许多其他模型不同，该研究通过对分子之间的非共价键进行建模来说明分子相互粘附的趋势，使能够研究链之间相互作用的结果。

该模型表明纤维素微纤维承担了大部分压力，并且是维持细胞壁强度和延伸性的关键。该研究确定单个纤维素纤维相互对齐并相互粘着，从而形成束状网络。一束中的超细纤维会拉直，并且可以以一种伸缩的方式彼此滑动，当细胞被拉伸时，它们之间会传递力并导致细胞延伸。同时该研究还阐明了植物细胞壁中各种成分的作用，即基质多糖可能通过调节纤维素微纤维如何组装成网络并限制纤维素修饰蛋白的作用来影响拉伸机制。

综上所述，该研究表明了植物如何调节其细胞壁特性，表明了纤维素网络是植物细胞壁具有坚固和可塑性这种独特结合的关键，打破了原有的认知。另外植物表皮细胞壁的巧妙的微结构和设计，为未来通过多功能应用工程化获得坚固而可延伸的纤维材料提供了灵感。

论文链接：

https://science.sciencemag.org/content/372/6543/706

转自：“iPlants”微信公众号

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