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植物细胞壁的研究进展
生工04.2 赵中华
摘要: 本文综述了植物细胞壁的结构, 化学组成及功能。在光学显微镜下, 植物细胞壁可分为初生壁和次生壁, 相邻两个细胞的初生壁之间存在中层——胞间层, 根据纤维组成的微纤丝排列方向的不同, 并将次生壁分出外层( S1) 、 中间层( S2) 和内层( S3) 。细胞壁主要由纤维素、 半纤维素、 果胶以及蛋白质等组成, 主要起着机械支持, 参与物质运输和防御反应, 还可作为信号分子, 促进植物细胞的分裂增殖, 决定细胞的分化方向, 参与细胞的识别过程等。
关键词: 细胞壁结构 纤维素 细胞壁蛋白 细胞壁功能
在植物进行正常的生命活动时, 细胞壁是植物细胞不可缺少的重要部分, 全世界范围内, 植物细胞壁物质的年产量约为1012吨, 能够说, 植物细胞壁与人类的物质生活密切相关。几百年来, 研究者对细胞壁的形态、 结构、 化学组成和生物功能等方面进行了大量研究, 本文从解剖学、 生物化学及分子生物学等方面简略综述了植物细胞壁的研究结果。
1．植物细胞壁的解剖结构
对植物细胞壁结构进行研究最早能够追溯到植物细胞的发现, 自从Robert Hooker 在1665年用她自制的复式显微镜观察切成薄片的软木时, 发现软木有许多排列紧密的蜂窝状”小室”——细胞壁, 后来者对细胞壁进行了大量的解剖学研究 , 研究结果表明, 细胞壁是具有一定弹性和硬度, 存在于细胞质外并界定细胞形状的复杂结构。
在光学显微镜下, 细胞壁可分为初生壁( primary wall) 和次生壁( secondary wall) , 相邻两个细胞的初生壁之间存在中层( middle lay-er) ——胞间层。胞间层是相邻两细胞所共有, 起粘结和缓冲机械挤压的作用; 初生壁是原生质体分泌的纤维素、 半纤维素、 果胶质加附在胞间层内侧构成的, 可塑性较大; 次生壁是细胞停止增大以后, 在初生壁内侧继续形成的壁层。一般, 厚壁组织细胞才具有次生壁, 可是在木质部或其它一些组织中, 也有木质化加厚的薄壁组织细胞, 其细胞壁往往具有次生壁。
本世纪三十年代中期, 应用X-光衍射分析和在偏光显微镜、 荧光显微镜及暗视野显微镜下观察, 能够观察到细胞壁很多细微结构, 发现细胞壁上微纤丝的排列方向各层很不一样, 一般初生壁上的微纤丝多呈不规则交错的网状, 而在次生壁上则往往比较有规则。根据纤维组成的微纤丝排列方向的不同, 并将次生壁分出外层( S1) 、 中间层( S2) 和内层( S3) 。其中S2层最厚, 一般次生壁的厚壁几乎全有S2层的厚度决定。
细胞壁上还存在胞间连丝和胞质通道这样的共质连接, 它们为来自其它细胞的具位置信息的细胞命运决定因子在细胞间转递提供了必要的通道。另外, 在细胞壁上常常具有附属结构。一般在细胞壁上常见初生纹孔场、 纹孔、 导管分子底壁上的穿孔以及细胞壁内表面的各种增厚——眉条、 横条和瘤结构, 这些特有的附属结构不但参与构建细胞壁, 并在植物体正常的生长发育过程中辅助细胞壁发挥其特有的功能。而且植物体的某些细胞在特定的生长阶段常可形成特殊的细胞壁, 譬如植物的花粉壁由孢粉素质的覆盖层和基粒棒层构成花粉外壁外层和外壁内层I, 由纤维素层构成外壁内层II及内壁。
2．植物细胞壁的化学组成
植物细胞的细胞壁主要由纤维素、 半纤维素、 果胶以及蛋白质等组成。双子叶植物细胞壁大约有30 %纤维素、 30 %半纤维素、 35 %果胶和5 %蛋白质。植物细胞壁的结构和化学组成与动物的细胞壁存在明显区别, 可是二者的大分子都排列成三维网状结构。不同类型细胞,不但组成细胞壁的基本成分如纤维素、 木质素等的分布具有差异, 而且不同的糖蛋白( 如阿拉伯半乳聚糖蛋白(AGPs) 、 富含羟脯氨酸糖蛋白(HRGPs) 、 富含甘氨酸的蛋白( GRPs) 、 富含脯氨酸的蛋白(PRPs)) 在细胞壁不同层次上分布并非均一。果实细胞壁中果胶含量相对较高,而蛋白质含量相对较低, 几乎所有的果实细胞壁均有一个形态上不同的中间薄层,位于邻近细胞的初生壁之间,形成一个连续的胞间基质,又称胞间层,它富含果胶多糖,对成熟中的果实细胞壁影响最大。
2.1 纤维素
占初生壁物质的20%～30% , 它是线性β-1, 4 键连接的D-葡聚糖(Glucan) 链状分子, 另外还可能有甘露糖残基。一般地, 纤维素分子以伸展的方式存在, 大约有30-100个这样的链状分子”并肩”排列, 形成微纤丝( microfibril) 。纤维素分子以微纤丝(m icrof ib ril) 的结构形式存在于壁内, 纤维素微纤丝借助于大量的链间氢键由纤维长链结合而成,大量链间和链内的氢键使其具高度的稳定性和抗化学降解能力,不易被细胞内的水解酶降解。不同组织纤维素的差异在于葡聚糖链的聚合度, 以及微纤丝内晶体化程度的不同, 初生壁内纤维素多聚化程度较低, 排列也较疏散。纤维素是植物细胞壁的重要化学组份之一, 不同植物的相同部位, 或同一植物的不同组织或器官的细胞壁中, 纤维素的含量存在差异。
2.2 半纤维素
一般认为, 纤维素是细胞内的结构多糖, 而半纤维素则是基质多糖。半纤维素的主要成分为木聚糖( xylan) 、 木葡聚糖( xyloglucan) 、 葡糖甘露聚糖( glucomannan) 、 甘露聚糖( manna) 、 葡糖醛酸甘露聚糖( galactomannan) 、 胼胝质( callose) 等, 但其含量因植物种属不同、 组织或器官不同、 细胞类型的变化等因素而在较大范围内发生变化。所有细胞壁模型都被认为是半纤维素以单分子层与纤维素微纤丝间以氢键相连。双子叶植物细胞初生壁中,主要的半纤维素是中性的木葡聚糖(XG) 和酸性的阿拉伯木聚糖 。
2.3 果胶多糖
果胶多糖是存在于高等植物初生壁和细胞间隙的一组密切相关的多糖, 已经证实其主要化学成份为鼠李半乳糖醛酸聚糖( rhamnogalacturonan) 、 同型半乳糖醛酸聚糖( homogalacturonan) 、 阿拉伯聚糖( arabinan) 和半乳聚糖( galactan) 等。现有的研究结果表明, 果胶多糖不但是细胞壁的重要结构成分, 而且参与植物水势的调节和抗御病菌侵染及昆虫危害。
2.4 木质素
一般认为木质是一类与细胞壁机械强度密切相关的特殊化合物。木质素的主要基本结构单位是笨丙烷( phenylpropane) , 苯丙烷残基以多种连接方式形成多聚体。
2.5 细胞壁蛋白
早在1924年就开始了细胞壁蛋白的研究工作, 经过研究者多年的努力, 在此领域已取得大量研究成要。根据其生理功能, 细胞壁中的蛋白质大致能够分为3类。其一是结构蛋白, 为细胞壁蛋白的主要部分; 其二是酶蛋白, 包括数十种具有各种酶活性的蛋白质; 其三是功能尚未完全确定的蛋白质, 其中一些在植物的生长发育中充当重要的发育信使, 主要具有参与细胞识别,促进细胞分裂增殖以及调控植物发育等重要作用。富含羟脯氨酸糖蛋白(HRGPs) 、 富含甘氨酸的蛋白(GRPs) 、 富含脯氨酸的蛋白( PRPs)和阿拉伯半乳聚糖蛋白(AGPs)是当前研究最为详细和深入的几种细胞壁蛋白。
　阿拉伯半乳聚糖蛋白( AGPs )是一种胞外的糖蛋白,在有性生殖特别是胚胎发生过程中扮演重要角色,其在植物发育调控上的重要性受到广泛关注。它在发育的不同阶段,不同的器官、 组织、 细胞中分别表示,从而使不同时间、 空间存在的细胞甚至同一细胞的不同位置都具有异质性。
富含羟脯氨酸糖蛋白( HRGPs) 的合成及其在细胞壁中的交联程度直接影响细胞壁的强度和细胞壁的伸展, 因此在调节植物细胞生长的过程中发挥很重要的作用。伸展蛋白(extensin)是HRGP家族中的一员。
富含甘氨酸的蛋白( GRPs) 是发现较晚的一类细胞壁蛋白, 其一级结构含有70% 的甘氨酸, 二级结构有几股反平行的β折叠片, 因而在维管的发育过程中赋予细胞壁张力和弹性。
扩张蛋白(expansin)是近年来从黄瓜下胚轴细胞壁分离出来的一类不含糖链的细胞壁蛋白, 能够使提取的细胞壁在酸性条件下伸展,具有细胞壁松驰酶的特性,这种在酸性条件下能使热失活的细胞壁恢复伸展活性的蛋白质被命名为Expansin,中文译为扩张蛋白,又名膨胀素在细胞生长过程中,膨胀素蛋白能够解开细胞壁的多糖网络,促进细胞伸长。在生长的组织中,细胞壁若要打破约束而扩展体积,必须取决于细胞壁的生物合成与维持结构完整性及强度的壁松弛协调机制。Expansin参与了细胞增大,花粉管及根系生长等众多生长发育过程。
植物细胞壁中最重要的结构蛋白为伸展蛋白类, 伸展蛋白是一类富含羟脯氨酸的糖蛋白, 最早由Lamport发现并命名。此后其研究的热点集中于利用生物化学及分子生物学手段研究伸展蛋白的化学结构、 控制植物伸展蛋白的基因及其表示的调控。30年来, 关于伸展蛋白结构的研究已取得突破性进展, 对其功能的认识也已比较深刻、 全面。李雄彪等提出伸展蛋白一级结构特点具有Ser-Hyp-Hyp-X-Hyp-Hyp肽段, 其中( X) 为不固定个数的氨基酸残基。而有关伸展蛋白的高级结构研究的重点在于伸展蛋白的交联。有关研究资料表明伸展蛋白不但在分子内, 而且在分子间存在异二酷氨酸( isodityrosine,IDT) 。大量的比较系统的研究表明, 伸展蛋白主要是作为细胞壁的结构成分和在细胞的防御及抗菌抗逆性中起作用。
Lamport等提出了”经纬模型”能较好地解释伸展蛋白的作用, 这一模型的要点是: ( 1) 可溶性的伸展蛋白前体从垂直于细胞壁平面的方向( 纬向) 由细胞质分泌到细胞壁中; ( 2) 在平行于细胞壁的方向( 经向) , 纤维素一层一层地缚着到细胞壁上并形成独立的微纤丝网; ( 3) 横向进入即内填入细胞壁的伸展蛋白前体之间以异二酷氨酸为联键形成伸展蛋白网; ( 4) 经向的纤维素网和纬向的伸展蛋白网相互交织; ( 5) 结合在纤维素上的木葡聚糖和以离子键结合在伸展蛋白上的果胶像闩塞一样能够可逆地松弛或固定两网的联结。伸展蛋白的防御和抗菌抗逆功能主要表现在机械损伤、 真菌感染、 植物抗毒诱导处理、 甚至热处理都能引起细胞壁中的伸展蛋白反应。分子生物学的研究还表明, 不同植物中伸展蛋白基因各不相同, 同一种植物中存在多种不同的伸展蛋白, 编码伸展蛋白的基因不是一个, 而是一族。控制伸展蛋白表示的基因受到遗传密码使用的倾向性、 发育程序、 机械损伤、 乙稀、 病源和植物抗毒诱导剂等的调节, 只是关于其作用机理的可用的资料还不多, 要阐明伸展蛋白的防御和抗病抗逆机理的本质, 还必须进行更深入的研究。
植物细胞壁中的另一类蛋白质则为酶蛋白, 在细胞中发现的酶蛋白已近30种, 大都属于水解酶类或氨化还原酶类。研究表明细胞壁酶活性受一些生理活性物质( 如生长素、 赤霉素、 乙烯、 6-BA) 的影响而调节细胞的扩大生长。
3．植物细胞壁的发生和发育
植物细胞壁的形成最早可追溯到细胞分裂的末期, 由末期所产生的细胞板将产生的两个子细胞隔开, 这是最初的细胞壁。当前流行的看法认为细胞板的形成主要由要由微管和高尔基体的小泡组成, 而且微管控制了小泡沉积的方向, 使它们沉积在赤道面上, 继而形成初生壁。关于细胞壁的生长机制, 近百年来逐渐形成了四种不同的理论: 内填生长、 敷着生长、 嵌合生长和多网生长学说。依照内填生长学说的观点, 细胞壁的新材料是填充在扩展的细胞内已有的物质质点之间。敷着生长学说则认为细胞壁的生长是由于壁物质一层一层加上去的结壁。嵌合生长认为正在生长的初生壁上较薄的区域能够渗入细胞质, 并在这些区域发生细胞质的合成。不过, 现在最广泛接受的是多网生长学。按照这一学说, 初生壁的增厚和表面积的增加大多是由于在最早形成的片层上交叉排列的微纤线的分离和改变了它们方向的结果。即细胞壁的生长是由最初具有较浓密而交叉、 差不多成横向排列的微纤丝片层, 向心地沉积, 后来由于里面层不断敷着生长, 一层层地被推向外面和被拉伸, 逐渐趋于纵向。
4、 细胞壁的功能
由于细胞壁是植物生活细胞的重要组成部分, 因此它的功能几乎与植物的一切生命活动都有关联, 而且有的功能主要由细胞壁各组分的理化性质所决定。当前已经发现的细胞壁功能有以下几个方面。
( 1) 增加植物的机械强度, 决定和维持细胞的形态。细胞壁具有抵抗细胞内静态压力的能力, 细胞壁对机械形变的抗力决定细胞内的压力。因细胞壁张力改变而产生的刺激也可引发级联信号转导, 最终使特异的细胞产生特异的应答(反应)。
( 2) 涉及植物的物质运输。植物的质外体和共质体运输两种形式均与细胞壁密切相关, 特别是质外体运输的速率很大程度上取决于细胞壁中和种组分的分子结构。
( 3) 抵御病菌危害及逆境影响。植物的防御体系有被动和主动之分, 这两种体系均与细胞壁有关, 完整的细胞壁对微生物的侵害是极其有效的物理屏障, 另一方面, 当受到感染和创伤时, 能积极参与防御反应, 这包括几个方面: ①细胞壁中酶水解真菌病原体细胞壁中的多糖成分, 其水解碎片中的活性成分诱导植物抗毒素合成酶基因的表示。②病原菌在入侵植物时必须水解植物细胞壁中的结构多糖, 其降解产物也有类似植物抗毒素诱导物的活性; 另外植物在受到侵染时, 细胞壁中产生抑制物能抑制病原体释放的酶。③在没有病原体入侵, 但受到创伤时, 植物自身也会产生一些水解酶, 降解细胞壁的组分, 诱导防御反应, 以及修复创口。④被侵染的细胞壁迅速进行木质化形成死细胞层, 不但有效地将被侵染细胞与健康细胞隔离开来, 而且将侵染的病菌局限于尽可能小的范围内不致于加剧侵染。
( 4) 调控细胞的生长速度。植物细胞的生长, 归根结底是由于原生质的增加, 可是原生质均由一层细胞壁所界定, 因此细胞壁的伸展性与细胞生长相关, 这一结果已由大量植物激素对细胞生长的作用的研究结果所证实。
( 5) 细胞壁上还存在胞间连丝和胞质通道这样的共质连接, 它们为来自其它细胞的具位置信息的细胞命运决定因子在细胞间转递提供了必要的通道。在过去相当长的一段时期内, 胞间连丝一直被认为是一个静态的结构, 而且只能允许水分子、 离子、 氨基酸等小于1 kDa 的物质经过。近年来, 关于胞间连丝的研究取得了两个重大突破, 一是自然的(非病毒感染的)胞间连丝不再被认为是一种静态的结构, 而被认作是一种极其复杂的高度动态的胞间细胞
器, 其形态、 结构、 组成、 S E L 、 数目、 分布因组织和细胞的类型、 发育阶段和环境因子的变化而变化; 二是越来越多的证据表明, 一些外源的(如GFP)和内源蛋白(如转录因子)以及RNA, 如mRNA、 基因沉默信号都能经过胞间连丝进行细胞-细胞运动。
( 6) 可作为信号分子, 促进植物细胞的分裂增殖, 决定细胞的分化方向, 参与细胞识别过程, 这些信号分子主要包括几丁质酶、 阿拉伯半乳聚糖蛋白、 木葡聚糖内转葡糖基酶、 病程相关蛋白、 过氧化物酶等。
钙调素( CaM) 是细胞内信使的重要多功能受体蛋白。研究表明, CaM也以盐键方式与植物细胞壁相连接, 或以可溶形式存在于细胞壁周围的液相, 并具有胞外位点促进植物细胞分裂增殖等作用。她们首先发现细胞外CaM能够促进百芷悬浮细胞增殖, 在植物西取得了西外CaM影响细胞增殖的第一个证据。继而又发现外源CaM同样能够促进白芷原生质体活力, 加速体壁再生及第一次分裂。总之, CaM对植物体细胞和性细胞的增殖和分裂均有促进作用。
植物病理学家早就观察到, 当植物抵御微生物侵害时, 细胞壁片段能够影响细胞的行为。研究小组在研究墨角藻的胚发育时发现, 一旦酶解掉细胞壁, 墨角藻就丧失了何处生假根的”记忆力”; 如果除去细胞壁, 再用定向光照射, 具有再生壁的胚会沿新方向重新长出假根。此项试验表明了细胞壁中隐藏着引导假根生长方向的信号。
Berger进一步在高等模式植物拟南芥的根上进行了试验, 拟南芥的根毛只产生于两表层细胞相接处外面的表皮细胞。她们经过一系列试验发现决定细胞发育命运的信号是由表层细胞壁发布的, 因为即使将皮层细胞杀死, 只留下空细胞壁, 皮层细胞连接处外面的表皮细胞仍将长出根毛。这个试验结果表明, 细胞壁释放着有助于决定相邻细胞及其自身细胞发育命运的信号, 同时也说明皮层细胞壁的组成成分不是均匀一致的, 皮层连接处附近喊有一些其它壁片段没有的, 还未被”验明正身”的信号分子。
参与细胞间的识别反应, 如豆科植物与其根瘤菌建立共生固氮关系时, 根瘤菌与豆科植物根之间的识别与宿主细胞壁中凝集素和细胞表面的多糖相互作用有关。以及花粉和柱头的相互作用, 另外还有砧木和接穗之间细胞壁的密切接触等等。
5结束语
关于细胞壁的研究, 无论是在解剖学水平, 还是在生物化学或分子生物学水平, 都已取得了重要结果。现在细胞壁的基础结构以及化学组成已经比较清楚了, 可是在细胞壁的研究领域还是有许多问题需要研究。
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