作者段跃初

在植物的微观世界里，有一个神秘而关键的结构——细胞壁，它如同坚固的“隐形铠甲”，默默守护着植物细胞。细胞壁不仅维持细胞的形态，还在植物生长、发育以及应对外界环境中扮演着重要角色。其中，纤维素作为细胞壁的主要成分，其合成和组装过程一直是科学界探索的焦点。最近，一项发表于《科学·进展》（Science Advances）的研究取得了重大突破，首次成功观察到活体植物细胞构建细胞壁的微观过程，为我们揭开了这一神秘面纱的一角。

植物细胞壁是包围在质膜外的一层坚硬而略有弹性的硬壁，是植物细胞区别于动物细胞的主要特征之一 ，由中胶层、初生壁及次生壁三部分组成。中胶层又称胞间层，位于两个相邻细胞之间，主要成分为果胶质，有助于将相邻细胞粘连在一起，并可缓冲细胞间的挤压；初生壁在胞间层内侧，是细胞分裂后最初由原生质体分泌形成的细胞壁，存在于所有活的植物细胞，通常较薄，约1 - 3微米厚，具有较大的可塑性，既可使细胞保持一定形状，又能随细胞生长而延展，主要成分为纤维素、半纤维素，并有结构蛋白存在；次生壁则是部分植物细胞在停止生长后，其初生壁内侧继续积累的细胞壁层，位于质膜和初生壁之间，主要成分为纤维素，并常有木质存在，通常较厚，约5 - 10微米，而且坚硬，使细胞壁具有很大的机械强度，大部分具次生壁的细胞在成熟时，原生质体死亡 。

纤维素是世界上最丰富的多糖，在细胞壁中起着关键作用，为细胞壁提供了抗张强度。然而，新合成的纤维素如何在细胞表面组装成复杂的纤维网络，长期以来一直是个未解之谜。

在过去，科学家们主要依靠传统的实验室显微镜来研究细胞壁的构建过程。但传统显微镜存在诸多局限性，最多只能提供细胞壁构建过程的模糊图像，无法清晰捕捉到其中精细的动态变化。这就好比用一台像素极低的相机去拍摄一场精彩的演出，只能看到大致轮廓，却无法看清演员们细腻的动作和表情。

而在这项新研究中，研究小组另辟蹊径，转而使用全内反射荧光显微术（total internal reflection fluorescence microscopy）。这种技术就像是为微观世界带来了一台超高清、高灵敏度的摄像机。它只捕捉细胞底面的图像，能够极大地提高成像的灵敏度。而且，它可以连续拍摄24小时而不会使荧光漂白或破坏细胞，为长时间观察细胞活动提供了可能。

全内反射荧光显微术的原理基于光线全反射后在介质另一面产生的消逝波。当光线以特定角度从光密介质射向光疏介质时，如果入射角大于临界角，光线将不再穿透界面，而是全部反射回原介质，同时在光疏介质一侧会产生一个呈指数衰减的消逝波。这个消逝波虽然能量较弱，但足以激发样品表面数百纳米厚薄层内的荧光分子。由于只有极靠近全反射面的样本区域会产生荧光反射，大大降低了背景光噪声对观测标的的干扰，使得研究人员能够清晰地看到样品表面单分子的活动情况 。

研究团队选择了拟南芥作为研究对象。拟南芥是一种广泛应用于植物科学研究的模式植物，它植株较小，生长周期短，结实多，基因组小且易于转化，这些特点使得它成为科学家们探索植物奥秘的理想材料 。

在实验中，研究人员将拟南芥的原生质体（没有细胞壁的细胞成分）置于特定的环境中培养。借助全内反射荧光显微术，他们成功捕捉到了活体植物细胞在24小时内连续构建细胞壁的微观过程的图像。这一过程就像是一场微观世界里的神奇“蜕变”。

研究人员观察到，拟南芥的原生质体萌发出由纤维素构成的纤维丝，这些纤细的纤维素丝就像是一根根微小的建筑材料，在细胞外表面逐渐自我组装。它们相互交织、缠绕，如同技艺精湛的工匠编织一张复杂而又有序的网络，最终形成了致密的纤维网络，构建起了细胞壁的基本框架。

这项研究首次直接展示了纤维素如何在植物细胞表面合成并自我组装成致密的纤维网络，填补了植物细胞壁形成机制研究领域的重要空白，为我们深入理解植物生长发育的基本过程提供了全新的视角。

从实际应用的角度来看，该研究成果具有广阔的应用前景。它可能为从植物中提取的日常产品提供新的技术支持和改进方向，包括增强纺织品、生物燃料、生物可降解塑料和新型医疗产品等 。

在纺织品领域，深入了解纤维素的合成和组装机制，有助于开发出更坚韧、更耐用的天然纤维材料，提升纺织品的品质和性能；对于生物燃料行业，研究成果可能为提高植物生物质转化效率提供新思路，降低生物燃料的生产成本，促进可再生能源的发展；在生物可降解塑料方面，有望利用植物细胞壁的构建原理，开发出性能更优良、降解速度更可控的生物可降解塑料，减少传统塑料对环境的污染；在医疗领域，或许可以借鉴植物细胞壁的结构和功能，开发新型的生物医用材料，用于组织工程、药物输送等方面。

这项关于活植物细胞产生纤维素并形成细胞壁的研究，是植物科学领域的一次重大突破。它不仅让我们对植物微观世界的奥秘有了更深入的认识，也为众多相关领域的发展带来了新的机遇和希望。随着科学技术的不断进步，相信我们还将揭开更多关于植物的神秘面纱，为人类社会的发展做出更大的贡献。

参考文献：

Time-resolved tracking of cellulose biosynthesis and assembly during cell wall regeneration in live Arabidopsis protoplasts｜Science Advances

来源: 科普文讯