【Science】新理論!葉表皮細胞形狀不是由膨壓決定的!

目前普遍認為，植物細胞的生長是由膨壓所驅動的，膨壓會造成細胞壁壓力從而導致變形。在分子水平上，這個過程是由纖維素微纖絲的重排所介導的，即細胞壁重塑，細胞的生長方向與纖維素的排列方向平行。但有證據表明，利用纖維素的排列方式來解釋細胞各向異性生長是不充分的。植物細胞各向異性生長的機制仍然是複雜而未解決的問題。2020年2月28日，Science雜誌在線發表了來自法國巴黎-薩克雷大學Alexis Peaucelle實驗室，題為「Pectin homogalacturonan nanofilament expansion drives morphogenesis in plant epidermal cells」的研究論文。該研究以擬南芥為模式植物，利用3D-dSTORM超高分辨顯微技術觀察了葉片表皮細胞細胞壁的果膠分布，發現果膠（Pectin）只積累在垂周壁，即與葉片表面呈垂直方向的細胞壁，果膠呈現納米纖絲狀態排列，改變果膠的甲酯化程度會影響細胞生長。作者還利用計算機建模模擬試驗觀測結果。所以，作者認為細胞壁中的果膠納米纖絲決定了葉片表皮細胞的凹凸形狀，該過程不依賴於膨壓。

該研究的關注點為果膠的主要組分Homogalacturonan (HG)，其中甲酯化HG的抗體是LM20，去甲酯化HG的抗體是2F4。作者利用免疫螢光的方法對4微米厚擬南芥葉片表皮切片中的果膠進行定位，並且利用3D-dSTORM超高分辨顯微技術，使其解析度達到幾十納米的水平。

他們發現果膠（Pectin）只積累在垂周壁，即與葉片表面呈垂直方向的細胞壁，果膠呈現納米纖絲狀態排列（上圖B-D）。而在平周壁未檢測到果膠分布。這種納米纖絲也能利用冷凍掃描電鏡（cryo-SEM）觀察到（上圖F）。作者利用誘導表達PECTIN METHYLESTERASE 5 (PME5oe)促進HG去甲酯化，誘導表達PECTIN METHYLESTERASE INHIBITOR 3 (PMEI3oe)抑制HG去甲酯化，來改變果膠甲酯化狀態，發現前者的納米纖絲長度是後者的1.4倍。

作者測量了PME5oe和PMEI3oe中果膠甲酯化的變化規律（下圖A），代入相應參數，利用3D nonlinear FEM model進行計算機建模，模型輸入HG甲酯化的不對稱分布，輸出沿垂周壁上細胞壁的厚度。

但模型不能夠充分模擬cryo-SEM的觀測結果（下圖D, E），暗示HG納米纖絲的排列對表皮凹凸形狀的形成是重要的。

作者利用葉片脫水復水試驗，發現脫水後，平周壁皺縮而垂周壁無明顯變化。暗示與平周壁不同，改變膨壓不會對垂周壁產生壓力，以上結果與模型預測一致（下圖D）。通過施加PME酶或提高pH使HG全部甲酯化，組織長度擴大1.42倍，表明細胞壁果膠甲酯化影響細胞生長（下圖E）。綜上所述，該研究表明細胞外細胞壁也是是塑造植物細胞的積極參與者，可以在不依賴於膨脹壓力的情況下主動塑造其中的細胞（如下圖）。Remark：超高解析度顯微技術和計算機建模是本文的主要技術手段，可見，生物學與數學、物理學、化學和計算機科學等學科的交叉，對生命科學的推進正發揮著越來越重要的作用！論文連結：https://science.sciencemag.org/content/367/6481/1003