植物细胞壁的拉伸但不破裂的生长比以前想象的更复杂

植物细胞壁生长通常被描述为一个简单的过程，但研究人员使用能够分辨纳米尺度图像的显微镜观察到更复杂的事物。研究人员在最近的一项研究中发现，近距离观察植物细胞壁的生长，这在很大程度上决定了植物生长和成形的方式，可以更好地了解坚韧但柔韧的墙壁是如何扩展的。

研究人员在最新一期的“自然植物”杂志上报告了他们的研究结果，他们使用原子力显微镜，这使得他们能够在纳米级别拍摄高分辨率图像。这使他们能够观察由纤维素制成的微纤维 - 毛发状纤维，这有助于形成细胞壁 - 以及当研究人员以模仿自然条件下生长压力的方式拉伸墙壁时它们的反应。

“在原子力显微镜的帮助下，我们可以首次看到纤维素微纤维在水合条件下的构象，以及这些微纤维在不同拉伸状态下的运动方式，”生物学教授Daniel Cosgrove说道，他也持有Eberly宾夕法尼亚州立大学生物学系主任。“我们看到的是一种非常不同的运动模式，而不是以模仿植物细胞生长的方式松开细胞壁时所发生的运动。细胞壁的生长不仅仅是正常细胞壁力学的规则，而是事实上还有另一个元素 - 细胞壁松动 - 这将细胞壁的机械行为改变成不同的东西。“

根据科斯格罗夫的说法，植物生长受细胞壁生长的影响。微纤维和其他类型的多糖(或糖聚合物)的组合 - 缓慢地填充植物细胞壁并彼此分离，增加了壁的表面尺寸。

科斯格罗夫说：“植物细胞壁生长是真正的小幼苗可以生长到真正大树的潜在机制。”“这是叶片扩展方式的细胞基础 - 这对光合作用很重要 - 因此我们吃的所有东西都直接或间接地依赖于这个过程。”

植物细胞壁具有弹性或可逆拉伸和塑性或不可逆拉伸特性，使得壁具有足够的柔韧性以随着生长而膨胀，但强度足以保持完整。该研究结果修订了之前的细胞壁生长模型，表明壁的弹性是细胞壁生长的第一步。

“文献中长期存在关于细胞壁的弹性特性是否对细胞生长至关重要的争论，”科斯格罗夫说。“一些科学家认为弹性特性表明细胞壁能够生长。它越能伸展，就越容易生长。”

过去，研究人员仅使用体积测量来测试细胞壁的弹性。

“如果你只是测量弹性性质，那么你将得到一个不完整的细胞壁生长能力及其生长模式的图片，”科斯格罗夫说，他曾与生物学博士后研究员张天和Daniel M合作。 Durachko，生物学研究助理，宾夕法尼亚大学和Dimitrios Vavylonis，Lehigh大学物理学教授。

科学家表示，研究人员还表示，微纤维曾被视为构成细胞壁的材料中的被动增强元素，并且随着墙壁的增长，它们只是被动地重新排列。然而，在显微镜下，微纤维显示出更复杂的运动，他补充说。

根据科斯格罗夫的说法，技术 - 如在显微镜中，以及可以拉动细胞壁的装置，在这种情况下，洋葱植物的细胞壁 - 对于进行这些观察至关重要。

“我们以前从未见过纳米尺度的微纤维运动，”他说。“这对于了解细胞壁中分子发生的情况至关重要。”

研究人员从白洋葱外层取下一条30毫米长，5毫米宽的条带，并将其放在原子力显微镜下。为了模拟壁面应力和应变，将条带安装到可以拉伸皮肤的装置上。显微镜在拉伸过程中拍摄了经过时间的照片。

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