新的植物细胞壁在细胞分裂后如何改变其机械性能

科学家们发现，与周围的亲本细胞壁相比，新的植物细胞壁具有显着不同的机械特性，使细胞能够改变其局部形状并影响植物器官的生长。

这是科学家第一次将力学与细胞壁“年龄”联系起来，并且只有通过一种新方法才能成为可能，该方法随着时间的推移和连续几轮分裂跟踪相同的细胞。

剑桥大学的研究人员能够看到新墙的形成，然后测量它们的机械性能。这项开创性的工作表明，一些植物中的新细胞壁比周围的亲本细胞壁坚硬1.5倍——这是一个意想不到的令人惊讶的发现。

叶子和花等植物器官的大小和形状是遗传、信号、机械反馈和环境线索之间复杂相互作用的结果。虽然我们在理解这些过程方面取得了很大进展，但将细胞尺度上发生的事情与器官尺度上发生的事情联系起来并不总是那么容易。

剑桥大学塞恩斯伯里实验室(SLCU)对两种远缘植物物种进行的研究提供了新的证据，表明局部细胞分裂在控制器官大小方面发挥着积极作用。该跨学科项目是SLCU的三个研究团队(RobinsonGroup、SchornackGroup和JönssonGroup)与SLCU显微镜设施团队之间的合作，汇集了实验生物力学、遗传学、成像和计算建模方面的专业知识。

莎拉·罗宾逊(SarahRobinson)的研究小组结合了先进的单个细胞活体显微镜成像、先进的材料表征方法和数学模型，揭示了细胞分裂的过程局部改变了生长组织的机械特性，这可能会影响细胞的最终形状和尺寸。植物器官。研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上。

与动物细胞相比，植物细胞被一个坚硬的盒子——细胞壁包围着。细胞分裂涉及新细胞壁的添加，这会改变细胞中的机械应力、细胞的几何形状和周围组织的机械特性。

科学家们已经能够探测植物器官外细胞层中单个细胞壁的机械特性，但他们不知道每个细胞壁的年龄，只能猜测它是否刚刚分裂。该论文的第一作者、前罗宾逊小组研究员、现米兰理工大学研究员亚历山德拉·邦凡蒂(AlessandraBonfanti)随着时间的推移跟踪细胞，可以看到新壁的形成，因此能够将力学与细胞壁“年龄”联系起来。

Bonfanti博士开发了一种方案，将时程成像与原子力显微镜测量(AFM)相结合，系统地绘制单个细胞壁的年龄、生长和机械特性(硬度)，并通过连续几轮的分裂跟踪相同的细胞壁。

“我们早就知道细胞壁是一种高度动态的材料。在细胞分裂过程中添加新材料，同时在生长过程中调节细胞壁的机械性能，使细胞壁的形状和尺寸发生显着变化而不会破裂，”博士说邦凡蒂说。“然而，新细胞壁的机械性能如何在空间和时间上瞬时变化仍然未知，直到我们开发出一种新的协议，使我们能够测量细胞壁随时间的机械性能。”

Bonfanti博士说：“我们使用该方案来研究新形成的细胞壁的硬度在24小时和48小时直至其成熟阶段如何变化，以及这如何影响局部细胞形状。”“为此，我们利用了两个系统：地钱地钱的胚芽和拟南芥的早期第一片真叶。”

最初研究的两种植物幼苗组织中的细胞具有相似的方形几何形状，这使它们成为很好的比较模型。

Bonfanti博士说：“我们首先表征了珠芽多形菌的生长和细胞分裂模式，这在文献中尚不清楚。”“然后，通过光机械测量，使用时程成像与AFM测量相结合，我们证明了地精中的细胞分裂会导致暂时更硬且生长缓慢的新壁的生成。相比之下，这种瞬态现象在地精中不存在。拟南芥叶子。”

事实上，地钱的新细胞壁比亲代细胞壁坚硬1.5倍。

“我们已经证明，与亲代细胞壁相比，新细胞壁的硬度存在显着差异，这些差异有助于细胞的几何形状和生长，”小组负责人罗宾逊博士说。“这表明细胞分裂及其不同的机械特性会改变组织扩张的速度，并可能影响最终的器官大小。”

罗宾逊博士解释了这一发现的重要性：“我们已经知道，当细胞生长时，细胞壁会松弛并变得更软，因为细胞壁必须拉伸，这样细胞才能在生长时膨胀。但我们不知道当细胞生长时会发生什么。细胞分裂以及由此产生的新细胞壁具有什么特性。它们与周围组织的细胞壁相同还是不同，这将如何影响细胞生长?”

“事实上，新的细胞壁更加坚硬，导致器官生长受到限制，因为它阻碍了生长并影响了组成细胞的形状。”

“地精细胞还会改变其几何形状，并更快地形成120°连接角，以形成更接近六边形的细胞几何形状，这被认为是形成覆盖某一区域的材料最有效的形状。计算模型尤安·史密瑟斯(EuanSmithers)和罗斯·卡特(RossCarter)在这个项目中完成的工作提供了证据，表明坚硬的新墙的存在加速了这些120°角的形成。”

“重要的是要知道新的细胞壁可能与亲代细胞壁不同，这给我们带来了新的探索问题——这种情况是否总是如此，在什么条件下，以及为什么会出现这种情况?”