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拼图配置有助于植物表皮细胞承受高压

2019-04-26 11:34:41 • 来源：

植物细胞承受着巨大的压力。为了防止自己爆裂，植物必须提出一些独特的东西：据科隆马克斯普朗克植物育种研究所的科学家称，不规则形状的表皮细胞比圆形和其他形状均匀的细胞更能承受内部压力。

拼图配置有助于植物表皮细胞承受高压

非木本植物没有骨架来支撑它们。因此，为了保持直立和抵抗环境力，他们的细胞被构造成充气气球。因为细胞质含有比细胞周围更高浓度的溶解物质，所以外部的水流入细胞，产生所谓的膨压。可以达到20巴或更高的Turgor压力压在细胞壁上。为了抵抗这种压力，墙壁由刚性纤维增强的刚性凝胶制成，这些纤维不断重新排列以使细胞生长。

然而，根据科隆研究人员的调查结果，单独的细胞壁并不总是足以防止植物细胞爆裂。尽管植物内部细胞的压力被相邻细胞的压力抵消，但表面细胞暴露于特别高的压力。

这可能解释了许多植物表面细胞的非凡形状吗?表皮细胞看起来像拼图块，带有互锁的标签和口袋。科学家们使用专门开发的计算机模型计算出各种形状细胞的内部压力。“由于它们的形状不规则，表面细胞能够显着减少由膨胀压力引起的机械应力。形状像拼图的细胞需要更少的细胞壁来抵抗膨胀，可能节省植物的重要资源，”马克斯普朗克研究所的理查德史密斯说。用于植物育种研究。

形式跟随增长

然而，并非所有植物表皮细胞都形成为拼图块。因此，科学家比较了各种植物，发现细胞形状取决于器官如何生长：“具有优先生长方向的器官，如根和茎，通常具有圆柱形细胞。相比之下，叶子在或多或少均匀生长。所有方向，几乎总是有不规则形状的表皮细胞，“史密斯说。在用转基因植物进行的实验中，它们表明表皮细胞的形状取决于生长的类型。例如，如果拟南芥(拟南芥)经过基因改造以使其叶子具有主要的生长方向，则表皮细胞呈现规则而不是拼图形状。

细长的细胞，或具有​​谜题形状的细胞，没有大的开放区域，在没有交叉壁的支撑的情况下倾向于凸出，并且能够更好地承受膨胀压力。研究人员用虚拟植物组织的机械计算机模型证实了这一假设。然后，他们继续开发一种不断增长的模型，细胞根据压力改变其形状。当科学家们向各个方向生长虚拟表皮时，表皮就像一个拼图游戏。相反，当表皮主要在一个方向上生长时，细胞被均匀地成形。通过改变其他参数，例如最大开放区域的最大尺寸，或墙壁的刚度，程序甚至能够产生自然界中出现的其他细胞形状。

没有信号分子的通讯?

根据他们的模型，发生各种细胞形状而不需要细胞通过化学信使彼此通信。很多工作都集中在想要形成标签的单元格可以使用这样的化学信使告诉其邻居腾出空间并形成相应的口袋的想法。“我们不知道是否涉及化学信使，但我们的模型显示它不是必需的，”史密斯说。相反，细胞也可以通过它们对邻居施加的力量进行通信并触发形状变化。

该研究提供了几何学如何影响细胞力学的见解，以及当植物“生长”其结构时植物如何利用细胞形状来优化其资源利用。今天，存在许多生物学启发的合成材料。拼图形状以及植物如何利用它可以为新材料和结构的设计提供有价值的见解，有可能为依赖于充气“细胞”形状的建筑物的设计提供信息。随着科学家们开始探索成长的材料，这些应用将变得尤为重要。

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