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植物细胞壁研究进展
生工04.2 赵中华
摘要: 本文综述了植物细胞壁结构, 化学组成及功效。在光学显微镜下, 植物细胞壁可分为初生壁和次生壁, 相邻两个细胞初生壁之间存在中层——胞间层, 依据纤维组成微纤丝排列方向不一样, 并将次生壁分出外层（S1）、 中间层（S2）和内层（S3）。细胞壁关键由纤维素、 半纤维素、 果胶以及蛋白质等组成, 关键起着机械支持, 参与物质运输和防御反应, 还可作为信号分子, 促进植物细胞分裂增殖, 决定细胞分化方向, 参与细胞识别过程等。
关键词: 细胞壁结构 纤维素 细胞壁蛋白 细胞壁功效
在植物进行正常生命活动时, 细胞壁是植物细胞不可缺乏关键部分, 全世界范围内, 植物细胞壁物质年产量约为1012吨, 能够说, 植物细胞壁与人类物质生活亲密相关。几百年来, 研究者对细胞壁形态、 结构、 化学组成和生物功效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研究结果。
1．植物细胞壁解剖结构
对植物细胞壁结构进行研究最早能够追溯到植物细胞发觉, 自从Robert Hooker 在1665年用她自制复式显微镜观察切成薄片软木时, 发觉软木有很多排列紧密蜂窝状“小室”——细胞壁, 以后者对细胞壁进行了大量解剖学研究 , 研究结果表明, 细胞壁是含有一定弹性和硬度, 存在于细胞质外并界定细胞形状复杂结构。
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作用; 初生壁是原生质体分泌纤维素、 半纤维素、 果胶质加附在胞间层内侧组成, 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壁层。通常, 厚壁组织细胞才含有次生壁, 不过在木质部或其它部分组织中, 也有木质化加厚薄壁组织细胞, 其细胞壁往往含有次生壁。
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, 发觉细胞壁上微纤丝排列方向各层很不一样, 通常初生壁上微纤丝多呈不规则交错网状, 而在次生壁上则往往比较有规则。依据纤维组成微纤丝排列方向不一样, 并将次生壁分出外层（S1）、 中间层（S2）和内层（S3）。其中S2层最厚, 通常次生壁厚壁几乎全有S2层厚度决定。
细胞壁上还存在胞间连丝和胞质通道这么共质连接, 它们为来自其她细胞具位置信息细胞命运决定因子在细胞间转递提供了必需通道。另外, 在细胞壁上常常含有隶属结构。通常在细胞壁上常见初生纹孔场、 纹孔、 导管分子底壁上穿孔以及细胞壁内表面多种增厚——眉条、 横条和瘤结构, 这些特有隶属结构不仅参与构建细胞壁, 并在植物体正常生长发育过程中辅助细胞壁发挥其特有功效。而且植物体一些细胞在特定生长阶段常可形成特殊细胞壁, 譬如植物花粉壁由孢粉素质覆盖层和基粒棒层组成花粉外壁外层和外壁内层I, 由纤维素层组成外壁内层II及内壁。
2．植物细胞壁化学组成
植物细胞细胞壁关键由纤维素、 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。植物细胞壁结构和化学组成与动物细胞壁存在显著区分, 不过二者大分子都排列成三维网状结构。不一样类型细胞,不仅组成细胞壁基础成份如纤维素、 木质素等分布含有差异, 而且不一样糖蛋白（如阿拉伯半乳聚糖蛋白(AGPs) 、 富含羟脯氨酸糖蛋白(HRGPs) 、 富含甘氨酸蛋白( GRPs) 、 富含脯氨酸蛋白(PRPs)）在细胞壁不一样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, 几乎全部果实细胞壁都有一个形态上不一样中间薄层,位于邻近细胞初生壁之间,形成一个连续胞间基质,又称胞间层,它富含果胶多糖,对成熟中果实细胞壁影响最大。
2.1 纤维素
占初生壁物质20%～30% , 它是线性β-1, 4 键连接D-葡聚糖(Glucan) 链状分子, 另外还可能有甘露糖残基。通常地, 纤维素分子以伸展方法存在, 大约有30-100个这么链状分子“并肩”排列, 形成微纤丝（microfibril）。纤维素分子以微纤丝(m icrof ib ril) 结构形式存在于壁内, 纤维素微纤丝借助于大量链间氢键由纤维长链结合而成,大量链间和链内氢键使其具高度稳定性和抗化学降解能力,不易被细胞内水解酶降解。不一样组织纤维素差异在于葡聚糖链聚合度, 以及微纤丝内晶体化程度不一样, 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关键化学组份之一, 不一样植物相同部位, 或同一植物不一样组织或器官细胞壁中, 纤维素含量存在差异。
2.2 半纤维素
通常认为, 纤维素是细胞内结构多糖, 而半纤维素则是基质多糖。半纤维素关键成份为木聚糖（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一样、 组织或器官不一样、 细胞类型改变等原因而在较大范围内发生改变。全部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,关键半纤维素是中性木葡聚糖(XG) 和酸性阿拉伯木聚糖 。
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一组亲密相关多糖, 已经证实其关键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。现有研究结果表明, 果胶多糖不仅是细胞壁关键结组成份, 而且参与植物水势调整和抗御病菌侵染及昆虫危害。
2.4 木质素
通常认为木质是一类与细胞壁机械强度亲密相关特殊化合物。木质素关键基础结构单位是笨丙烷（phenylpropane）, 苯丙烷残基以多个连接方法形成多聚体。
2.5 细胞壁蛋白
早在1924年就开始了细胞壁蛋白研究工作, 经过研究者多年努力, 在此领域已取得大量研究成要。依据其生理功效, 细胞壁中蛋白质大致能够分为3类。其一是结构蛋白, 为细胞壁蛋白关键部分; 其二是酶蛋白, 包含数十种含有多种酶活性蛋白质; 其三是功效还未完全确定蛋白质, 其中部分在植物生长发育中充当关键发育信使, 关键含有参与细胞识别,促进细胞分裂增殖以及调控植物发育等关键作用。富含羟脯氨酸糖蛋白(HRGPs) 、 富含甘氨酸蛋白(GRPs) 、 富含脯氨酸蛋白( PRPs)和阿拉伯半乳聚糖蛋白(AGPs)是现在研究最为具体和深入多个细胞壁蛋白。
　阿拉伯半乳聚糖蛋白( AGPs )是一个胞外糖蛋白,在有性生殖尤其是胚胎发生过程中饰演关键角色,其在植物发育调控上关键性受到广泛关注。它在发育不一样阶段,不一样器官、 组织、 细胞中分别表示,从而使不一样时间、 空间存在细胞甚至同一细胞不一样位置都含有异质性。
富含羟脯氨酸糖蛋白（HRGPs） 合成及其在细胞壁中交联程度直接影响细胞壁强度和细胞壁伸展, 所以在调整植物细胞生长过程中发挥很关键作用。伸展蛋白(extensin)是HRGP家族中一员。
富含甘氨酸蛋白（GRPs）是发觉较晚一类细胞壁蛋白, 其一级结构含有70% 甘氨酸, 二级结构有几股反平行β折叠片, 所以在维管发育过程中给予细胞壁张力和弹性。
扩张蛋白(expansin)是多年来从黄瓜下胚轴细胞壁分离出来一类不含糖链细胞壁蛋白, 能够使提取细胞壁在酸性条件下伸展,含有细胞壁松驰酶特征,这种在酸性条件下能使热失活细胞壁恢复伸展活性蛋白质被命名为Expansin,汉字译为扩张蛋白,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多糖网络,促进细胞伸长。在生长组织中,细胞壁若要打破约束而扩展体积,必需取决于细胞壁生物合成与维持结构完整性及强度壁松弛协调机制。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。
植物细胞壁中最关键结构蛋白为伸展蛋白类, 伸展蛋白是一类富含羟脯氨酸糖蛋白, 最早由Lamport发觉并命名。以后其研究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化学结构、 控制植物伸展蛋白基因及其表示调控。30年来, 相关伸展蛋白结构研究已取得突破性进展, 对其功效认识也已比较深刻、 全方面。李雄彪等提出伸展蛋白一级结构特点含有Ser-Hyp-Hyp-X-Hyp-Hyp肽段, 其中（X）为不固定个数氨基酸残基。而相关伸展蛋白高级结构研究关键在于伸展蛋白交联。相关研究资料表明伸展蛋白不仅在分子内, 而且在分子间存在异二酷氨酸（isodityrosine,IDT）。大量比较系统研究表明, 伸展蛋白关键是作为细胞壁结组成份和在细胞防御及抗菌抗逆性中起作用。
Lamport等提出了“经纬模型”能很好地解释伸展蛋白作用, 这一模型关键点是: （1）可溶性伸展蛋白前体从垂直于细胞壁平面方向（纬向）由细胞质分泌到细胞壁中; （2）在平行于细胞壁方向（经向）, 纤维素一层一层地缚着到细胞壁上并形成独立微纤丝网; （3）横向进入即内填入细胞壁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）经向纤维素网和纬向伸展蛋白网相互交织; （5）结合在纤维素上木葡聚糖和以离子键结合在伸展蛋白上果胶像闩塞一样能够可逆地松弛或固定两网联结。伸展蛋白防御和抗菌抗逆功效关键表现在机械损伤、 真菌感染、 植物抗毒诱导处理、 甚至热处理都能引发细胞壁中伸展蛋白反应。分子生物学研究还表明, 不一样植物中伸展蛋白基因各不相同, 同一个植物中存在多个不一样伸展蛋白, 编码伸展蛋白基因不是一个, 而是一族。控制伸展蛋白表示基因受到遗传密码使用倾向性、 发育程序、 机械损伤、 乙稀、 病源和植物抗毒诱导剂等调整, 只是相关其作用机理可用资料还不多, 要说明伸展蛋白防御和抗病抗逆机理本质, 还必需进行更深入研究。
植物细胞壁中另一类蛋白质则为酶蛋白, 在细胞中发觉酶蛋白已近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部分生理活性物质（如生长素、 赤霉素、 乙烯、 6-BA）影响而调整细胞扩大生长。
3．植物细胞壁发生和发育
植物细胞壁形成最早可追溯到细胞分裂末期, 由末期所产生细胞板将产生两个子细胞隔开, 这是最初细胞壁。现在流行见解认为细胞板形成关键由要由微管和高尔基体小泡组成, 而且微管控制了小泡沉积方向, 使它们沉积在赤道面上, 继而形成初生壁。相关细胞壁生长机制, 近百年来逐步形成了四种不一样理论: 内填生长、 敷着生长、 嵌合生长和多网生长学说。依据内填生长学说见解, 细胞壁新材料是填充在扩展细胞内已经有物质质点之间。敷着生长学说则认为细胞壁生长是因为壁物质一层一层加上去结壁。嵌合生长认为正在生长初生壁上较薄区域能够渗透细胞质, 并在这些区域发生细胞质合成。不过, 现在最广泛接收是多网生长学。根据这一学说, 初生壁增厚和表面积增加大多是因为在最早形成片层上交叉排列微纤线分离和改变了它们方向结果。即细胞壁生长是由最初含有较浓密而交叉、 差不多成横向排列微纤丝片层, 向心地沉积, 以后因为里面层不停敷着生长, 一层层地被推向外面和被拉伸, 逐步趋于纵向。
4、 细胞壁功效
因为细胞壁是植物生活细胞关键组成部分, 所以它功效几乎与植物一切生命活动都相关联, 而且有功效关键由细胞壁各组分理化性质所决定。现在已经发觉细胞壁功效有以下多个方面。
（1）增加植物机械强度, 决定和维持细胞形态。细胞壁含有抵御细胞内静态压力能力, 细胞壁对机械形变抗力决定细胞内压力。因细胞壁张力改变而产生刺激也可引发级联信号转导, 最终使特异细胞产生特异应答(反应)。
（2）包含植物物质运输。植物质外体和共质体运输两种形式均与细胞壁亲密相关, 尤其是质外体运输速率很大程度上取决于细胞壁中和种组分分子结构。
（3）抵御病菌危害及逆境影响。植物防御体系有被动和主动之分, 这两种体系均与细胞壁相关, 完整细胞壁对微生物侵害是极其有效物理屏障, 其次, 当受到感染和创伤时, 能主动参与防御反应, 这包含多个方面: ①细胞壁中酶水解真菌病原体细胞壁中多糖成份, 其水解碎片中活性成份诱导植物抗毒素合成酶基因表示。②病原菌在入侵植物时必需水解植物细胞壁中结构多糖, 其降解产物也有类似植物抗毒素诱导物活性; 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酶。③在没有病原体入侵, 但受到创伤时, 植物本身也会产生部分水解酶, 降解细胞壁组分, 诱导防御反应, 以及修复创口。④被侵染细胞壁快速进行木质化形成死细胞层, 不仅有效地将被侵染细胞与健康细胞隔离开来, 而且将侵染病菌局限于尽可能小范围内不致于加剧侵染。
（4）调控细胞生长速度。植物细胞生长, 归根结底是因为原生质增加, 不过原生质均由一层细胞壁所界定, 所以细胞壁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作用研究结果所证实。
（5）细胞壁上还存在胞间连丝和胞质通道这么共质连接, 它们为来自其她细胞具位置信息细胞命运决定因子在细胞间转递提供了必需通道。在过去相当长一段时期内, 胞间连丝一直被认为是一个静态结构, 而且只能许可水分子、 离子、 氨基酸等小于1 kDa 物质经过。多年来, 相关胞间连丝研究取得了两个重大突破, 一是自然(非病毒感染)胞间连丝不再被认为是一个静态结构, 而被认作是一个极其复杂高度动态胞间细胞
器, 其形态、 结构、 组成、 S E L 、 数目、 分布因组织和细胞类型、 发育阶段和环境因子改变而改变; 二是越来越多证据表明, 部分外源(如GFP)和内源蛋白(如转录因子)以及RNA, 如mRNA、 基因缄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, 促进植物细胞分裂增殖, 决定细胞分化方向, 参与细胞识别过程, 这些信号分子关键包含几丁质酶、 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）是细胞内信使关键多功效受体蛋白。研究表明, CaM也以盐键方法与植物细胞壁相连接, 或以可溶形式存在于细胞壁周围液相, 并含有胞外位点促进植物细胞分裂增殖等作用。她们首先发觉细胞外CaM能够促进百芷悬浮细胞增殖, 在植物西取得了西外CaM影响细胞增殖第一个证据。继而又发觉外源CaM一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。总而言之, CaM对植物体细胞和性细胞增殖和分裂都有促进作用。
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行为。研究小组在研究墨角藻胚发育时发觉, 一旦酶解掉细胞壁, 墨角藻就丧失了何处生假根“记忆力”; 假如除去细胞壁, 再用定向光照射, 含有再生壁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信号。
Berger深入在高等模式植物拟南芥根上进行了试验, 拟南芥根毛只产生于两表层细胞相接处外面表皮细胞。她们经过一系列试验发觉决定细胞发育命运信号是由表层细胞壁公布, 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, 细胞壁释放着有利于决定相邻细胞及其本身细胞发育命运信号, 同时也说明皮层细胞壁组成成份不是均匀一致, 皮层连接处周围喊有部分其她壁片段没有, 还未被“验明正身”信号分子。
参与细胞间识别反应, 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识别与宿主细胞壁中凝集素和细胞表面多糖相互作用相关。以及花粉和柱头相互作用, 另外还有砧木和接穗之间细胞壁亲密接触等等。
5结束语
相关细胞壁研究, 不管是在解剖学水平, 还是在生物化学或分子生物学水平, 都已取得了关键结果。现在细胞壁基础结构以及化学组成已经比较清楚了, 不过在细胞壁研究领域还是有很多问题需要研究。
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