细胞壁作为植物细胞的外骨架

2025-12-06 10:26:05来源:分类:汽车评测

作者 :江庆龄 来源:中国科学报 发布时间 :2025/12/5 8:48:46
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颠覆传统认知 !时间胶囊植物干细胞中藏着“时间胶囊”

 

“细胞壁是颠覆质膜外具有一定硬度和弹性的细胞结构 ,广泛存在于植物 、传统藏细菌和真菌中。认知”这是植物中国科学院院士邹承鲁主编的《当代生物学》中对细胞壁的定义 。

这是干细一个相当“古早”的词汇 。1665年 ,胞中列文虎克使用自制的新闻显微镜观察木栓组织时 ,发现许多小室结构。科学由此 ,时间胶囊“细胞”这一概念首次被提出 。颠覆事实上 ,传统藏这些结构是认知细胞的细胞壁 。

往后很多年间 ,植物人们对细胞壁进行了更系统的干细研究 。人们逐渐得出结论 ,在植物细胞中,细胞壁作为植物细胞的外骨架,不仅维持细胞形态,还参与细胞间的信号传递和机械应力的调控。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心(以下简称分子植物卓越中心)研究员杨卫兵团队却发现,细胞壁不仅扮演了植物“外骨骼”的角色 ,还能充当“指挥官”,影响并引导植物干细胞的命运 。12月5日,相关研究成果发表于《科学》。

杨卫兵(中)和论文主要作者朱先苗(右)、陈兴(左)观察植物干细胞。

找到“核心开关”

植物为何能展现出如此绵延不绝的生命力?为何能够在整个生命周期中持续不断地产生新的枝、叶、花与果实?

秘密就在于植物中直径不足0.1毫米的区域。在植物茎顶端、根尖等“生长中枢”,分布着一群活跃的植物干细胞 ,它们通过精确的分裂与分化 ,绘制出植物生长的蓝图。也正是由于干细胞活性的精妙调控,塑造了全球约39万种植物的多样形态。

自2014年在剑桥大学做博后起 ,杨卫兵便开始关注这群类特殊的细胞  。

“最初受到了动物干细胞的启发。”杨卫兵介绍 ,动物干细胞虽然没有细胞壁,但细胞外包裹着一层细胞外基质 。

科学家逐渐发现,细胞质基质的“软硬”特性对于动物干细胞的命运具有重要的引导作用 。当把干细胞放在坚硬的基质上培养 ,最终会分化为骨细胞;放置在中等硬度的基质上是 ,会得到肌肉细胞;倘若基质很“松软”,则会发育为神经细胞。

考虑到细胞壁同样位于细胞外部 ,且主要成分也为多糖和蛋白质,杨卫兵推测,植物细胞壁可能也发挥着类似的作用 。于是 ,杨卫兵开始把目光锁定在植物干细胞细胞壁上 。

博士后期间,他花费了6年时间 ,系统分析了干细胞的细胞壁组成,并初步明确了细胞壁合成调控。相关论文先后发表于《当代生物学》《科学》 。

2020年 ,回国加入分子植物卓越中心独立组建实验室后 ,杨卫兵又带领着团队持续深挖 。

随着研究逐渐深入,他们发现 ,在植物茎尖干细胞区域,细胞壁的主要成分果胶呈现出独特的“二元分布”模式。具体而言,新形成的细胞横壁偏“软”,富含去甲酯化果胶;而成熟的细胞壁则更“硬”,以高度甲酯化的果胶为主。

拟南芥分生组织干细胞的细胞壁“二元修饰”模式。

那么 ,这里的“软”“硬”有什么用呢?

“细胞壁结构的动态变化,就像是控制干细胞命运的一个‘核心开关’ ,引导其在分裂 、分化等不同状态间转换 。”杨卫兵解释,在新生的细胞壁中 ,果胶成分的去甲酯化过程使其变得较为柔软 、易调整,从而帮助细胞灵活确定分裂的方向和位置。在成熟的细胞壁中  ,果胶保持高甲酯化状态,则有利于维持干细胞持续分裂的能力以及组织的稳定。值得一提的是,当团队采用遗传学方法,使得果胶无法形成高甲酯化状态时  ,植物就无法生长了 。

备好“储备粮”

在微小的分生组织中,果胶的修饰状态竟然同时呈现为两种截然不同的状态 。杨卫兵的第一反应是“很矛盾”,第二反应是“应该存在一套精细的调控机制”。

幸运地是  ,杨卫兵团队不久后就在一次实验中偶然发现了端倪 。结合荧光定量分析等方法 ,他们找到了负责“软化”细胞壁的关键酶PME5,并顺带发现了一个不同于传统中心法则的新现象  。

一般而言,信使RNA(mRNA)在体内转录后,会被立即转运到细胞质中进行翻译。但他们却在显微镜下看到了不同的现象。PME5转录的mRNA并不会立即进入细胞质 ,而是被RNA结合蛋白RZ-1B“抓住”,在细胞核内“滞留”,形成一个与细胞周期同步的“mRNA储备库”。

只有当细胞分裂启动、核膜解体之际  ,这些被禁锢的mRNA才被同步释放 ,迅速翻译为功能蛋白 ,精准作用于新生细胞壁  ,实现细胞壁局部的、定时定点的“软化”调控。

细胞壁超微结构调控干细胞稳态模型 。图片均由分子植物卓越中心提供

在杨卫兵看来 ,这种mRNA的核内隔离机制 ,就像一个预设的“时间胶囊”  ,确保细胞壁修饰程序仅在细胞分裂的关键时间窗口被激活,从而实现新旧细胞壁性质的精确区分。

“植物干细胞分裂时,形成细胞壁的时间只有20分钟 ,如果完整走完转录到翻译的过程 ,可能来不及给细胞‘塑性’ 。”杨卫兵说道 。而提前在核内备好mRNA这一“储备粮” ,在需要时即可释放出来 ,确保植物干细胞分裂过程十分高效 。

开辟“育种新途”

中国科学院院士、分子植物卓越中心主任韩斌强调:“植物生长有其自身规律,我们只有知道了哪些环节‘可控’ ,才能进一步在特定条件下人工改造植物。”

因此,在解决基础科学问题的同时  ,杨卫兵团队也初步探索了该研究成果的应用潜力。在模式植物拟南芥中 ,一旦该调控机制遭到破坏  ,植株就会表现出细胞分裂模式紊乱、干细胞活性降低、分生组织发育终止等一系列缺陷 。

更为重要的是,细胞壁“软硬兼备”的时空构型,在演化中高度保守。目前,团队已经在玉米 、大豆、番茄等多种作物中发现了同样的调控机制 。而作物的株高、分蘖数 、穗型和果实大小等关键农艺性状,都与干细胞活力密切相关 。

杨卫兵表示:“未来,基于‘细胞壁精准设计’策略,有望提升作物分生组织活性和产量潜力,为培育高产高效作物、保障国家粮食安全提供关键的理论支撑和技术路径。”

同时,植物细胞壁也是地球上规模最大、存储量最惊人的生物质形式。通过提高植物分生组织的活性 ,可以增加生物质产量,将更多的大气二氧化碳固定为有机物 ,从而提升植物的碳汇能力 。

“这项研究更多是从固碳的角度服务于‘双碳’目标。”分子植物卓越中心研究员 、植物高效碳汇重点实验室(中国科学院)主任王佳伟补充道 ,“简单来说 ,让一棵树长得更大一些 、活得更久一些 ,就能固定更多的碳。”

相关论文信息  :http://doi.org/10.1126/science.ady4102

 
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