最近發(fā)表于《The Plant Cell》期刊的一項研究成果中，賓州州立大學(xué)的生物學(xué)家們開(kāi)發(fā)了一種新方法，可以將去掉細胞壁的植物細胞轉化為其他類(lèi)型的細胞，這類(lèi)似于干細胞向不同細胞類(lèi)型的分化。通過(guò)這一方法，研究團隊探討了增強植物細胞壁穩定性的帶狀結構（如同紙板的波紋形狀）以及這些結構的形成機制。此外，研究人員還揭示了這些結構在不同突變植物細胞中的組裝為何出現問(wèn)題，并表示這可能最終有助于改進(jìn)植物細胞的分解方法，以用于生物燃料的生產(chǎn)。

纖維素作為植物細胞壁的結構成分，是一種豐富且有前景的生物燃料來(lái)源。然而，常見(jiàn)的提取纖維素的技術(shù)需要去除其他交織的大分子，這涉及使用化學(xué)溶劑、酶以及高溫反應，從而增加了成本和復雜性。研究人員指出，改善對細胞壁構建方式的理解可能會(huì )開(kāi)辟新的、更具成本效益的纖維素提取方法。

“近年來(lái)，研究人員探索了多種方法以提高纖維素提取過(guò)程的效率，例如，通過(guò)操控細胞壁中的一些可能造成阻礙的其他聚合物，如木糖和木質(zhì)素，”研究負責人、賓州州立大學(xué)厄伯利科學(xué)學(xué)院的博士后學(xué)者Sarah Pfaff表示。“但是，‘木質(zhì)部導管細胞’形成的獨特結構在這些突變植物中常常無(wú)法正常發(fā)育，導致細胞 collapse，并最終降低了植物的生長(cháng)及可提取的纖維素量。在這項研究中，我們探討了健康植物細胞中這些獨特細胞壁的組裝方式，以及在突變體中這一過(guò)程是如何出現障礙的。”

圖片鏈接：https://www.eurekalert.org/multimedia/1047671

圖片信息：纖維素的條帶圖案增加了植物細胞壁的穩定性，就像紙板中的瓦楞圖案一樣。賓夕法尼亞州立大學(xué)的生物學(xué)家開(kāi)發(fā)了一種分離植物細胞并觀(guān)察這些條帶模式組裝的方法。

木質(zhì)部導管細胞（XTE）是一種允許水分從植物根部輸送到葉子的細胞，其細胞壁十分厚實(shí)。Pfaff表示，與其他細胞不同，XTE的細胞壁中，纖維素、木糖和木質(zhì)素等聚合物在特定位置沉積，形成帶狀結構。當這些結構在突變細胞中未能正常形成時(shí)，細胞會(huì )因水分在重力作用下移動(dòng)而受到的壓力 collapse。

“木質(zhì)部導管細胞中的帶狀結構類(lèi)似于紙板中的波紋形狀，為細胞壁增添了穩定性，”Pfaff說(shuō)道。“使用傳統方法，觀(guān)察單個(gè)細胞變得困難，難以理解在突變細胞中這種帶狀結構的崩潰過(guò)程。因此，我們開(kāi)發(fā)了一種新方法，使我們能夠觀(guān)察到單個(gè)細胞，而不受其他鄰近細胞的干擾。”

這一新方法利用了原生質(zhì)體，即去除細胞壁的單個(gè)植物細胞。研究人員為其提供營(yíng)養，并使用普法夫所稱(chēng)的“基因觸發(fā)器”使其分化為新類(lèi)型的細胞。雖然原生質(zhì)體在以往的植物研究中已經(jīng)應用，但這種新方法使研究人員能夠觀(guān)察細胞如何分化為獨特的XTE細胞類(lèi)型。

“我們?yōu)樵|(zhì)體提供了轉錄因子（一種基因觸發(fā)器），讓它們根據這一信號發(fā)展成新細胞類(lèi)型，”Pfaff解釋道。“這類(lèi)似于干細胞，我們可以重新編程它們的發(fā)育命運，觀(guān)察它們變成完全不同的細胞類(lèi)型。在這項研究中，我們特意誘導來(lái)自健康和突變植物的原生質(zhì)體轉化為木質(zhì)部導管細胞，并觀(guān)察它們細胞壁中的帶狀結構如何形成。”

研究人員發(fā)現，纖維素與木糖之間特定的相互作用對于帶的正確形成是必要的，適當地組裝的聚合物網(wǎng)絡(luò )則作為支架決定了帶狀結構的模式。他們還發(fā)現，不同的突變細胞中，帶狀結構失敗的方式也各不相同。

“以往的研究主要集中于細胞內部如何影響細胞壁的合成，而我們發(fā)現，細胞壁的結構同樣會(huì )反過(guò)來(lái)影響細胞內部的情況，并且它們之間存在相互反饋。這項工作提供了關(guān)于細胞壁如何形成的重要見(jiàn)解，以及這些突變體在未來(lái)的可行性。”

Pfaff指出，理解細胞壁的構建對于林業(yè)、材料科學(xué)以及生物燃料生產(chǎn)等領(lǐng)域都具有重要意義。研究團隊計劃利用他們的新方法探索其他類(lèi)型細胞壁的形成。

“如今，我們可以在單個(gè)細胞中探索不同的基因組合，而不必將突變植物進(jìn)行雜交以獲取多個(gè)不同的基因特性，這可能需要數月的時(shí)間，”Pfaff說(shuō)道。“我們還可以使用不同類(lèi)型的基因觸發(fā)器來(lái)研究其他細胞類(lèi)型，這可能對植物生物學(xué)產(chǎn)生廣泛的影響。”

雜志：The Plant Cell

DOI：10.1093/plcell/koae233