植物細(xì)胞壁的研究進(jìn)展

植物細(xì)胞壁的研究進(jìn)展1．植物細(xì)胞壁的解剖結(jié)構(gòu)對植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究最早可以追溯到植物細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)，自從RobertHooker在1665年用他自制的復(fù)式顯微鏡觀察切成薄片的軟木時，發(fā)現(xiàn)軟木有許多排列緊密的蜂窩狀“小室”——細(xì)胞壁，后來者對細(xì)胞壁進(jìn)行了大量的解剖學(xué)研究，研究結(jié)果表明，細(xì)胞壁是具有一定彈性和硬度，存在于細(xì)胞質(zhì)外并界定細(xì)胞形狀的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。在光學(xué)顯微鏡下，細(xì)胞壁可分為初生壁（primarywall）和次生壁（secondarywall），相鄰兩個細(xì)胞的初生壁之間存在中層（middlelay-er）——胞間層。胞間層是相鄰兩細(xì)胞所共有，起粘結(jié)和緩沖機(jī)械擠壓的作用；初生壁是原生質(zhì)體分泌的纖維素、半纖維素、果膠質(zhì)加附在胞間層內(nèi)側(cè)構(gòu)成的，可塑性較大；次生壁是細(xì)胞停止增大以后，在初生壁內(nèi)側(cè)繼續(xù)形成的壁層。通常，厚壁組織細(xì)胞才具有次生壁，但是在木質(zhì)部或其它一些組織中，也有木質(zhì)化加厚的薄壁組織細(xì)胞，其細(xì)胞壁往往具有次生壁。本世紀(jì)三十年代中期，應(yīng)用X-光衍射分析和在偏光顯微鏡、熒光顯微鏡及暗視野顯微鏡下觀察，可以觀察到細(xì)胞壁很多細(xì)微結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞壁上微纖絲的排列方向各層很不一樣，一般初生壁上的微纖絲多呈不規(guī)則交錯的網(wǎng)狀，而在次生壁上則往往比較有規(guī)則。根據(jù)纖維組成的微纖絲排列方向的不同，并將次生壁分出外層（S1）、中間層（S2）和內(nèi)層（S3）。其中S2層最厚，通常次生壁的厚壁幾乎全有S2層的厚度決定。細(xì)胞壁上還存在胞間連絲和胞質(zhì)通道這樣的共質(zhì)連接，它們?yōu)閬碜云渌?xì)胞的具位置信息的細(xì)胞命運決定因子在細(xì)胞間轉(zhuǎn)遞提供了必要的通道。此外，在細(xì)胞壁上常常具有附屬結(jié)構(gòu)。一般在細(xì)胞壁上常見初生紋孔場、紋孔、導(dǎo)管分子底壁上的穿孔以及細(xì)胞壁內(nèi)表面的各種增厚——眉條、橫條和瘤結(jié)構(gòu)，這些特有的附屬結(jié)構(gòu)不僅參與構(gòu)建細(xì)胞壁，并在植物體正常的生長發(fā)育過程中輔助細(xì)胞壁發(fā)揮其特有的功能。而且植物體的某些細(xì)胞在特定的生長階段?？尚纬商厥獾募?xì)胞壁，譬如植物的花粉壁由孢粉素質(zhì)的覆蓋層和基粒棒層構(gòu)成花粉外壁外層和外壁內(nèi)層I，由纖維素層構(gòu)成外壁內(nèi)層II及內(nèi)壁。2．植物細(xì)胞壁的化學(xué)組成植物細(xì)胞的細(xì)胞壁主要由纖維素、半纖維素、果膠以及蛋白質(zhì)等組成。雙子葉植物細(xì)胞壁大約有30%纖維素、30%半纖維素、35%果膠和5%蛋白質(zhì)。植物細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成與動物的細(xì)胞壁存在明顯區(qū)別，但是二者的大分子都排列成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。不同類型細(xì)胞,不僅組成細(xì)胞壁的基本成分如纖維素、木質(zhì)素等的分布具有差異，而且不同的糖蛋白（如阿拉伯半乳聚糖蛋白(AGPs)、富含羥脯氨酸糖蛋白(HRGPs)、富含甘氨酸的蛋白(GRPs)、富含脯氨酸的蛋白(PRPs)）在細(xì)胞壁不同層次上分布并非均一。果實細(xì)胞壁中果膠含量相對較高,而蛋白質(zhì)含量相對較低，幾乎所有的果實細(xì)胞壁均有一個形態(tài)上不同的中間薄層,位于鄰近細(xì)胞的初生壁之間,形成一個連續(xù)的胞間基質(zhì),又稱胞間層,它富含果膠多糖,對成熟中的果實細(xì)胞壁影響最大。纖維素占初生壁物質(zhì)的20%～30%,它是線性β-1,4鍵連接的D-葡聚糖(Glucan)鏈狀分子,此外還可能有甘露糖殘基。一般地，纖維素分子以伸展的方式存在，大約有30-100個這樣的鏈狀分子“并肩”排列，形成微纖絲（microfibril）。纖維素分子以微纖絲(microfibril)的結(jié)構(gòu)形式存在于壁內(nèi)，纖維素微纖絲借助于大量的鏈間氫鍵由纖維長鏈結(jié)合而成,大量鏈間和鏈內(nèi)的氫鍵使其具高度的穩(wěn)定性和抗化學(xué)降解能力,不易被細(xì)胞內(nèi)的水解酶降解。不同組織纖維素的差異在于葡聚糖鏈的聚合度,以及微纖絲內(nèi)晶體化程度的不同，初生壁內(nèi)纖維素多聚化程度較低,排列也較疏散。纖維素是植物細(xì)胞壁的重要化學(xué)組份之一，不同植物的相同部位，或同一植物的不同組織或器官的細(xì)胞壁中，纖維素的含量存在差異。半纖維素一般認(rèn)為，纖維素是細(xì)胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)多糖，而半纖維素則是基質(zhì)多糖。半纖維素的主要成分為木聚糖（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）、胼胝質(zhì)（callose）等，但其含量因植物種屬不同、組織或器官不同、細(xì)胞類型的變化等因素而在較大范圍內(nèi)發(fā)生變化。所有細(xì)胞壁模型都被認(rèn)為是半纖維素以單分子層與纖維素微纖絲間以氫鍵相連。雙子葉植物細(xì)胞初生壁中,主要的半纖維素是中性的木葡聚糖(XG)和酸性的阿拉伯木聚糖。果膠多糖果膠多糖是存在于高等植物初生壁和細(xì)胞間隙的一組密切相關(guān)的多糖，已經(jīng)證實其主要化學(xué)成份為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?，F(xiàn)有的研究結(jié)果表明，果膠多糖不僅是細(xì)胞壁的重要結(jié)構(gòu)成分，并且參與植物水勢的調(diào)節(jié)和抗御病菌侵染及昆蟲危害。木質(zhì)素一般認(rèn)為木質(zhì)是一類與細(xì)胞壁機(jī)械強(qiáng)度密切相關(guān)的特殊化合物。木質(zhì)素的主要基本結(jié)構(gòu)單位是笨丙烷（phenylpropane），苯丙烷殘基以多種連接方式形成多聚體。細(xì)胞壁蛋白早在1924年就開始了細(xì)胞壁蛋白的研究工作，經(jīng)過研究者多年的努力，在此領(lǐng)域已取得大量研究成要。根據(jù)其生理功能，細(xì)胞壁中的蛋白質(zhì)大致可以分為3類。其一是結(jié)構(gòu)蛋白，為細(xì)胞壁蛋白的主要部分；其二是酶蛋白，包括數(shù)十種具有各種酶活性的蛋白質(zhì)；其三是功能尚未完全確定的蛋白質(zhì)，其中一些在植物的生長發(fā)育中充當(dāng)重要的發(fā)育信使，主要具有參與細(xì)胞識別,促進(jìn)細(xì)胞分裂增殖以及調(diào)控植物發(fā)育等重要作用。富含羥脯氨酸糖蛋白(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)是目前研究最為詳細(xì)和深入的幾種細(xì)胞壁蛋白。阿拉伯半乳聚糖蛋白(AGPs)是一種胞外的糖蛋白,在有性生殖特別是胚胎發(fā)生過程中扮演重要角色,其在植物發(fā)育調(diào)控上的重要性受到廣泛關(guān)注。它在發(fā)育的不同階段,不同的器官、組織、細(xì)胞中分別表達(dá),從而使不同時間、空間存在的細(xì)胞甚至同一細(xì)胞的不同位置都具有異質(zhì)性。富含羥脯氨酸糖蛋白（HRGPs）的合成及其在細(xì)胞壁中的交聯(lián)程度直接影響細(xì)胞壁的強(qiáng)度和細(xì)胞壁的伸展，因此在調(diào)節(jié)植物細(xì)胞生長的過程中發(fā)揮很重要的作用。伸展蛋白(extensin)是HRGP家族中的一員。富含甘氨酸的蛋白（GRPs）是發(fā)現(xiàn)較晚的一類細(xì)胞壁蛋白，其一級結(jié)構(gòu)含有70%的甘氨酸，二級結(jié)構(gòu)有幾股反平行的β折疊片，因而在維管的發(fā)育過程中賦予細(xì)胞壁張力和彈性。擴(kuò)張蛋白(expansin)是近年來從黃瓜下胚軸細(xì)胞壁分離出來的一類不含糖鏈的細(xì)胞壁蛋白，可以使提取的細(xì)胞壁在酸性條件下伸展,具有細(xì)胞壁松馳酶的特性,這種在酸性條件下能使熱失活的細(xì)胞壁恢復(fù)伸展活性的蛋白質(zhì)被命名為Expansin,中文譯為擴(kuò)張蛋白,又名膨脹素在細(xì)胞生長過程中,膨脹素蛋白可以解開細(xì)胞壁的多糖網(wǎng)絡(luò),促進(jìn)細(xì)胞伸長。在生長的組織中,細(xì)胞壁若要打破約束而擴(kuò)展體積,必須取決于細(xì)胞壁的生物合成與維持結(jié)構(gòu)完整性及強(qiáng)度的壁松弛協(xié)調(diào)機(jī)制。Expansin參與了細(xì)胞增大,花粉管及根系生長等眾多生長發(fā)育過程。植物細(xì)胞壁中最重要的結(jié)構(gòu)蛋白為伸展蛋白類，伸展蛋白是一類富含羥脯氨酸的糖蛋白，最早由Lamport發(fā)現(xiàn)并命名。此后其研究的熱點集中于利用生物化學(xué)及分子生物學(xué)手段研究伸展蛋白的化學(xué)結(jié)構(gòu)、控制植物伸展蛋白的基因及其表達(dá)的調(diào)控。30年來，關(guān)于伸展蛋白結(jié)構(gòu)的研究已取得突破性進(jìn)展，對其功能的認(rèn)識也已比較深刻、全面。李雄彪等提出伸展蛋白一級結(jié)構(gòu)特點具有Ser-Hyp-Hyp-X-Hyp-Hyp肽段，其中（X）為不固定個數(shù)的氨基酸殘基。而有關(guān)伸展蛋白的高級結(jié)構(gòu)研究的重點在于伸展蛋白的交聯(lián)。有關(guān)研究資料表明伸展蛋白不僅在分子內(nèi)，而且在分子間存在異二酷氨酸（isodityrosine,IDT）。大量的比較系統(tǒng)的研究表明，伸展蛋白主要是作為細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)成分和在細(xì)胞的防御及抗菌抗逆性中起作用。Lamport等提出了“經(jīng)緯模型”能較好地解釋伸展蛋白的作用，這一模型的要點是：（1）可溶性的伸展蛋白前體從垂直于細(xì)胞壁平面的方向（緯向）由細(xì)胞質(zhì)分泌到細(xì)胞壁中；（2）在平行于細(xì)胞壁的方向（經(jīng)向），纖維素一層一層地縛著到細(xì)胞壁上并形成獨立的微纖絲網(wǎng)；（3）橫向進(jìn)入即內(nèi)填入細(xì)胞壁的伸展蛋白前體之間以異二酷氨酸為聯(lián)鍵形成伸展蛋白網(wǎng)；（4）經(jīng)向的纖維素網(wǎng)和緯向的伸展蛋白網(wǎng)相互交織；（5）結(jié)合在纖維素上的木葡聚糖和以離子鍵結(jié)合在伸展蛋白上的果膠像閂塞一樣可以可逆地松弛或固定兩網(wǎng)的聯(lián)結(jié)。伸展蛋白的防御和抗菌抗逆功能主要表現(xiàn)在機(jī)械損傷、真菌感染、植物抗毒誘導(dǎo)處理、甚至熱處理都能引起細(xì)胞壁中的伸展蛋白反應(yīng)。分子生物學(xué)的研究還表明，不同植物中伸展蛋白基因各不相同，同一種植物中存在多種不同的伸展蛋白，編碼伸展蛋白的基因不是一個，而是一族?？刂粕煺沟鞍妆磉_(dá)的基因受到遺傳密碼使用的傾向性、發(fā)育程序、機(jī)械損傷、乙稀、病源和植物抗毒誘導(dǎo)劑等的調(diào)節(jié)，只是關(guān)于其作用機(jī)理的可用的資料還不多，要闡明伸展蛋白的防御和抗病抗逆機(jī)理的本質(zhì)，還必須進(jìn)行更深入的研究。植物細(xì)胞壁中的另一類蛋白質(zhì)則為酶蛋白，在細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的酶蛋白已近30種，大都屬于水解酶類或氨化還原酶類。研究表明細(xì)胞壁酶活性受一些生理活性物質(zhì)（如生長素、赤霉素、乙烯、6-BA）的影響而調(diào)節(jié)細(xì)胞的擴(kuò)大生長。3．植物細(xì)胞壁的發(fā)生和發(fā)育植物細(xì)胞壁的形成最早可追溯到細(xì)胞分裂的末期，由末期所產(chǎn)生的細(xì)胞板將產(chǎn)生的兩個子細(xì)胞隔開，這是最初的細(xì)胞壁。目前流行的看法認(rèn)為細(xì)胞板的形成主要由要由微管和高爾基體的小泡組成，而且微管控制了小泡沉積的方向，使它們沉積在赤道面上，繼而形成初生壁。關(guān)于細(xì)胞壁的生長機(jī)制，近百年來逐漸形成了四種不同的理論：內(nèi)填生長、敷著生長、嵌合生長和多網(wǎng)生長學(xué)說。依照內(nèi)填生長學(xué)說的觀點，細(xì)胞壁的新材料是填充在擴(kuò)展的細(xì)胞內(nèi)已有的物質(zhì)質(zhì)點之間。敷著生長學(xué)說則認(rèn)為細(xì)胞壁的生長是由于壁物質(zhì)一層一層加上去的結(jié)壁。嵌合生長認(rèn)為正在生長的初生壁上較薄的區(qū)域可以滲入細(xì)胞質(zhì)，并在這些區(qū)域發(fā)生細(xì)胞質(zhì)的合成。不過，現(xiàn)在最廣泛接受的是多網(wǎng)生長學(xué)。按照這一學(xué)說，初生壁的增厚和表面積的增加大多是由于在最早形成的片層上交叉排列的微纖線的分離和改變了它們方向的結(jié)果。即細(xì)胞壁的生長是由最初具有較濃密而交叉、差不多成橫向排列的微纖絲片層，向心地沉積，后來由于里面層不斷敷著生長，一層層地被推向外面和被拉伸，逐漸趨于縱向。4、細(xì)胞壁的功能由于細(xì)胞壁是植物生活細(xì)胞的重要組成部分，所以它的功能幾乎與植物的一切生命活動都有關(guān)聯(lián)，而且有的功能主要由細(xì)胞壁各組分的理化性質(zhì)所決定。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞壁功能有以下幾個方面。（1）增加植物的機(jī)械強(qiáng)度，決定和維持細(xì)胞的形態(tài)。細(xì)胞壁具有抵抗細(xì)胞內(nèi)靜態(tài)壓力的能力，細(xì)胞壁對機(jī)械形變的抗力決定細(xì)胞內(nèi)的壓力。因細(xì)胞壁張力改變而產(chǎn)生的刺激也可引發(fā)級聯(lián)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，最終使特異的細(xì)胞產(chǎn)生特異的應(yīng)答(反應(yīng))。（2）涉及植物的物質(zhì)運輸。植物的質(zhì)外體和共質(zhì)體運輸兩種形式均與細(xì)胞壁密切相關(guān)，尤其是質(zhì)外體運輸?shù)乃俾屎艽蟪潭壬先Q于細(xì)胞壁中和種組分的分子結(jié)構(gòu)。（3）抵御病菌危害及逆境影響。植物的防御體系有被動和主動之分，這兩種體系均與細(xì)胞壁有關(guān)，完整的細(xì)胞壁對微生物的侵害是極其有效的物理屏障，另一方面，當(dāng)受到感染和創(chuàng)傷時,能積極參與防御反應(yīng),這包括幾個方面:①細(xì)胞壁中酶水解真菌病原體細(xì)胞壁中的多糖成分,其水解碎片中的活性成分誘導(dǎo)植物抗毒素合成酶基因的表達(dá)。②病原菌在入侵植物時必須水解植物細(xì)胞壁中的結(jié)構(gòu)多糖,其降解產(chǎn)物也有類似植物抗毒素誘導(dǎo)物的活性;此外植物在受到侵染時,細(xì)胞壁中產(chǎn)生抑制物能抑制病原體釋放的酶。③在沒有病原體入侵,但受到創(chuàng)傷時,植物自身也會產(chǎn)生一些水解酶,降解細(xì)胞壁的組分,誘導(dǎo)防御反應(yīng),以及修復(fù)創(chuàng)口。④被侵染的細(xì)胞壁迅速進(jìn)行木質(zhì)化形成死細(xì)胞層，不僅有效地將被侵染細(xì)胞與健康細(xì)胞隔離開來，而且將侵染的病菌局限于盡可能小的范圍內(nèi)不致于加劇侵染。（4）調(diào)控細(xì)胞的生長速度。植物細(xì)胞的生長，歸根結(jié)底是由于原生質(zhì)的增加，但是原生質(zhì)均由一層細(xì)胞壁所界定，所以細(xì)胞壁的伸展性與細(xì)胞生長相關(guān)，這一結(jié)果已由大量植物激素對細(xì)胞生長的作用的研究結(jié)果所證實。（5）細(xì)胞壁上還存在胞間連絲和胞質(zhì)通道這樣的共質(zhì)連接，它們?yōu)閬碜云渌?xì)胞的具位置信息的細(xì)胞命運決定因子在細(xì)胞間轉(zhuǎn)遞提供了必要的通道。在過去相當(dāng)長的一段時期內(nèi)，胞間連絲一直被認(rèn)為是一個靜態(tài)的結(jié)構(gòu)，而且只能允許水分子、離子、氨基酸等小于1kDa的物質(zhì)通過。近年來，關(guān)于胞間連絲的研究取得了兩個重大突破，一是自然的(非病毒感染的)胞間連絲不再被認(rèn)為是一種靜態(tài)的結(jié)構(gòu)，而被認(rèn)作是一種極其復(fù)雜的高度動態(tài)的胞間細(xì)胞器，其形態(tài)、結(jié)構(gòu)、組成、SEL、數(shù)目、分布因組織和細(xì)胞的類型、發(fā)育階段和環(huán)境因子的變化而變化；二是越來越多的證據(jù)表明，一些外源的(如GFP)和內(nèi)源蛋白(如轉(zhuǎn)錄因子)以及RNA，如mRNA、基因沉默信號都能通過胞間連絲進(jìn)行細(xì)胞-細(xì)胞運動。（6）可作為信號分子，促進(jìn)植物細(xì)胞的分裂增殖，決定細(xì)胞的分化方向，參與細(xì)胞識別過程，這些信號分子主要包括幾丁質(zhì)酶、阿拉伯半乳聚糖蛋白、木葡聚糖內(nèi)轉(zhuǎn)葡糖基酶、病程相關(guān)蛋白、過氧化物酶等。鈣調(diào)素（CaM）是細(xì)胞內(nèi)信使的重要多功能受體蛋白。研究表明，CaM也以鹽鍵方式與植物細(xì)胞壁相連接，或以可溶形式存在