植物學細胞壁的研究課件

1、 細胞壁的科研動態(tài)及其知識延展 細胞壁起源認知細胞(英文名cell）是原核生物和真核生物的結構和功能的基本單位。除病毒外，一切生物均由細胞構成，根據(jù)細胞內核結構分化程度的不同，細胞可以分為原核細胞和真核細胞兩大類型。由是否有成形的細胞核來區(qū)分。細胞壁（cellwall）是細胞的外層，在細胞膜的外面，細胞壁之厚薄常因組織、功能不同而異。植物、真菌、藻類和原核生物（除了支原體）都具有細胞壁，而動物細胞不具有細胞壁。細胞壁本身結構疏松，外界可通過細胞壁進入細胞中。位 置細胞膜之外緊挨著細胞膜限制范圍植物、原核生物與真核生物出現(xiàn)時間大約在35億年前植物細胞 細胞壁的組成細胞壁的主要組成成分是纖維素，它

2、形成細胞壁的框架，內含其他物質。此外，在一些植物表皮細胞壁中，常有蠟質、角質、木栓質。在一些成熟和加厚的細胞壁中，常沉積木質素。在禾本科、木賊科植物的表皮細胞壁中含有硅。在真菌類的細胞壁中還有甲殼質。細胞壁的胞間層基本上是由果膠質組成。細菌細胞壁主要成分則是肽聚糖。真菌細胞壁中主要成分為幾丁質、纖維素、葡聚糖、甘露聚糖等，這些多糖都是單糖的聚合物。動植物細胞比較圖化石研究表明，大約在35億年前地球就已出現(xiàn)了原核細胞，大約在1214億年前才出現(xiàn)真核細胞。關于真核細胞的起源，主要有兩種假說：一是“內共生假說”，認為真核細胞的各部分別起源于幾種共生的原核細胞，需氧細菌穿入異養(yǎng)厭氧的 原核生物變?yōu)榫€粒

3、體，藍藻穿入變成葉綠體，螺旋體穿入變成鞭毛和纖毛等；一是“質膜內褶假說”，認為古原核生物隨著體積增大，質膜發(fā)生內褶而形成內質網(wǎng)等細胞器，以及核膜造成細胞核等；同時，DNA復制成許多拷貝，質膜圍繞著DNA發(fā)生內褶，最后形成有雙層膜的細胞器，如線粒體、葉綠體等。 細胞壁的形成細胞壁的形成是多種細胞器配合作用的結果。新細胞壁的形成開始于細胞分裂的晚后期或早期。細胞分裂時，在兩組染色體之間，也就是在母細胞的赤道板(不是實際存在的）面上，有許多大小不一的分泌囊泡(secretoryvesicles)不規(guī)則地匯聚在一塊，這些小囊泡是由高爾基體和內質網(wǎng)分泌而形成的，它們借助與細胞赤道板垂直方向上存在的微管的

4、運動，逐漸整齊地排列成片，組成成膜體(phragmoplast)。成膜體中的囊泡膜相互融合與連接形成細胞的質膜，其中的內含物連成一體構成細胞板，這是雛形的中層結構。細胞板組成后，高爾基體小泡運輸造壁物質釋放到質膜外，以充實新形成的壁。當細胞板中逐漸有果膠質和少量纖維素分子不斷地填充和摻入時便構成了中層，在中層兩側陸續(xù)有纖維素和半纖維素等物質的沉積則形成了質地柔軟的初生壁，這時兩個子細胞便形成。此后，大多數(shù)細胞的初生壁內側又分層、定向地沉積著纖維素分子，它們經(jīng)緯分明地交叉加固，這是增強植物體支持能力的重要基礎。纖維素分子的定向分層沉積與微管的活動有關，秋水仙素(colchicine)可阻止微管的

5、形成，抑制纖維素分子的定向排列。微管的另一個重要作用是使新形成的細胞板上保留某些通道，即參與胞間連絲的形成，使原生質在兩個子細胞間能保持聯(lián)系?？梢姡毎诘男纬墒窃谏罴毎至?、成長以至分化的過程中逐步完成的。在細胞分裂以及新細胞壁形成時，除了有高爾基體、內質網(wǎng)和微管參與外，還有生長素和多種酶類的作用，而所有的活動又要靠線粒體來提供能量，這正體現(xiàn)了細胞內各部位相互配合來共同完成生命活動的特征。 細胞壁的功能維持細胞形狀，控制細胞生長細胞壁增加了細胞的機械強度，并承受著內部原生質體由于液泡吸水而產(chǎn)生的膨壓，從而使細胞具有一定的形狀。物質運輸與信息傳遞細胞壁允許離子、多糖等小分子和低分子量的蛋白質

6、通過，而將大分子或微生物等阻于其外。防御與抗性細胞壁中一些寡糖片段能誘導植保素的形成，它們還對其它生理過程有調節(jié)作用，這種具有調節(jié)活性的寡糖片斷稱為寡糖素。其他功能細胞壁中的酶類廣泛參與細胞壁高分子的合成、轉移、水解、細胞外物質輸送到細胞內以及防御作用等。參與細胞間的相互粘連，即“胞間連絲”。對藻類單細胞的研究表明壁的定向分泌可以穩(wěn)定極的軸向，結果表現(xiàn)為細胞壁的非對稱性。細胞壁的非對稱性這一重要特性在確定分裂面的方向發(fā)揮著作用，同時也決定著兩個子細胞的命運。單細胞假根的細胞壁獲得了一套不同的生物大分子與合子的保留壁截然不同，推測可能是肌動蛋白微絲調整眾多的高爾基體小泡的胞吐作用的結果。細胞壁的

7、作用為維持定向分泌產(chǎn)物在細胞表面的固定分布，定向分泌和高爾基體轉運小泡內含物協(xié)同進入細胞壁是合子第一次正確分裂的關鍵。原生質球 (Spheroplast) 指細胞壁未被全部去掉的細菌細胞，它呈圓球狀，可以人為地通過溶菌酶或青霉素處理革蘭氏陰性細菌而獲得。該類菌細胞壁肽聚糖雖被除去，但外壁層中脂多糖、脂蛋白仍然保留，外壁的結構尚存。所以，原生質球較之原生質體對外界環(huán)境具一定抗性，并能在普通培養(yǎng)基上生長。細菌 L- 型 (bacterial L-form) 是細菌在某些環(huán)境條件下因基因突變而產(chǎn)生的無壁類型。細胞呈多形態(tài)，有的能通過細菌濾器，故又稱“濾過型菌”。 L- 型菌落生長緩慢，一般需經(jīng) 2-

8、7 天方見到針尖樣小菌落，中心部分深埋于培養(yǎng)基內，呈典型的“油煎蛋”狀。這些變異型，有些是能回復至親代的“不穩(wěn)定”變異株，有些是不能回復的“穩(wěn)定”變異株。由于它最先被英國 Lister 醫(yī)學研究院發(fā)現(xiàn)，故名細菌 L- 型。?周質空間 (Periplasmic space) 又稱壁膜空間，指位于細胞壁與細胞質膜之間的狹小空間。內含質外酶。質外酶對細菌的營養(yǎng)吸收、核酸代謝、趨化性和抗藥性等常有重要作用。質外酶的種類和數(shù)量隨菌種而異，目前已在細菌 ( 尤其是 G - 細菌 ) 中發(fā)現(xiàn)的質外酶主要有： RNA 酶 I 、 DNA 內切酶 I 、青霉素酶及許多磷酸化酶等。 特殊的細胞壁Michael H

9、ahn在擬南芥的研究中，發(fā)現(xiàn)只有那些位于兩個皮層細胞之間的結合部位才能生長根毛。進一步的實驗表明，即使將兩個相鄰的皮層細胞殺死只留下騰空的細胞壁，接觸到皮層細胞之間的結合部位的細胞，仍然能生長根毛 Michael Hahn 說：“很清楚，植物合成的成分中含有大量的代謝能量，以便在特定的時間和地點流入壁中，因為如果其目的只是為了形成一個支持植物細胞的空盒子。那還有什么必要？”實驗證明激素運輸因子的極性分布需要運輸小泡的定向分布 蛋白質通過小泡的定向分揀形成了極性分布，這是非常關鍵的，細胞骨架通過與大分子蛋白質的聯(lián)系也形成了極性分布。 在植物的發(fā)育中，許多決定極性的物質和事件以及決定性的時間都是通

10、過小泡的定向分布和運輸特定的物質和信號完成的 細胞壁的功能，細胞極性的形成，植物激素的定向運輸，細胞骨架的極性變化，小泡的定向分布和運輸?shù)纫幌盗械陌l(fā)育學事件都是彼此聯(lián)系的 細胞分裂的空間調節(jié)，通過引導成膜體的沉積，和將在特定細胞板的位置形成新的細胞壁與原有的細胞壁相聯(lián)系。在多數(shù)開花植物的細胞中，細胞的分裂面在G2期便已預定 PPB的形成是植物王國中所用的策略，以此來確定有絲分裂之前在正確的時間和地點建立細胞分裂面 PPB直接定位分子在質膜上的分布。在細胞的分裂過程中細胞壁作為引導成膜體分子分布的靶區(qū)域（landmarks）除了以前討論過的在細胞板形成過程中發(fā)揮功能外，在引導細胞板和成膜體定位于

11、特定分裂的位置也發(fā)揮著重要的作用 充當細胞命運的信使與發(fā)育有關的質外體信號分子主要有三大類:新發(fā)現(xiàn)的與發(fā)育相關的多肽分子(AGPS)； 病原侵染或傷害誘導產(chǎn)生的細胞壁信號分子； 植物質外體中的的其他信號分子。細胞壁蛋白也是重要的質外體信號分子 細胞壁鈣，鈣調素結合蛋白EXPANSIN 1992（McQueen-mason ）首次從黃瓜下胚軸細胞壁中鑒定兩種蛋白質，Mr30，000和29，000，可以使提取的細胞壁在酸性條件下伸展，這種在酸性條件下能使熱失活的細胞壁恢復伸展活性的蛋白質命名為expansin，中文譯文為擴張蛋白，又名膨脹素 Expansin蛋白為能使細胞壁伸展的第一個細胞壁內源蛋

12、白質。以不依賴PH的方式誘導在逆境下松弛的分離的細胞壁的伸展，也可以促進生活細胞的伸長。expansin gene在特定的時間和特定的地點特異表達，以此來發(fā)揮控制生長的功能 細胞壁鈣，鈣調素結合蛋白 細胞壁是植物細胞最大的鈣庫，壁中鈣離子濃度遠遠大于胞內與果膠的羧基之間交聯(lián)成為雙子葉植物中的鈣橋，是負重鍵 此外壁中尚存有自由鈣離子，隨生長發(fā)育，環(huán)境刺激而變化，以此來調節(jié)生長發(fā)育，一般認為是胞內信使 細胞壁中還含有水溶性鈣調素，其生理特性與胞內鈣調素基本相同。外源鈣調素在胞外起促進細胞增殖作用。細胞壁上有鈣調素結合及作用位點，鈣調素結合蛋白在某些信號的傳遞中發(fā)揮作用 細胞壁的研究熱點利用一系列的

13、突變體來研究與細胞壁相關基因的功能建立研究的模式，目前主要集中在藻類和Arabidopsis thaliana 利用一系列的藥物（BFA)和抗體研究與細胞壁和分泌相關的問題，用抑制劑brefeldin A 擾亂高爾基復合物可以抑制細胞板的形成，從而影響激素的極性分布等一系列的事件 研究與細胞壁有關系的激酶(WAKase) 鑒定內源WAK受體，WAKase在何種情況下具有活力或者失活，對理解這些激酶的一般生物學功能在將來是非常重要的步驟 最近的體外研究表明，酵母兩個雜合體序列表明，WAK1與特定結合細胞壁的GRP3相互作用。地塞米松處理擬南芥種子降低了a-expansin的表達水平，這個發(fā)現(xiàn)提供

14、了一個潛在的解釋即通過降低a-expansin 5的表達水平，以此來降低細胞的伸長反義表達與細胞壁有關的蛋白激酶WAK4，將限制細胞的伸長和改變細胞的形態(tài)，但不影響細胞的分裂 WAKs發(fā)揮了至關重要的作用，在細胞的伸長和植物的發(fā)育過程中。細胞的伸長包括壁物質沉積的機械壓力的膨脹或者細胞壁的松弛。一系列膨脹素蛋白將涉及細胞壁多糖間非線性聯(lián)系的松弛，允許膨壓推動細胞壁運行。當WAK的表達受到抑制的時候膨脹素RNA水平急劇下降，WAK信號轉導路徑 是否與膨脹素(expansin)相聯(lián)仍然有待確定杜仲次生木質部分化過程中木質素與半纖維素組分在細胞壁中分布的動態(tài)變化利用紫外光顯微鏡、透射電子顯微鏡結合免疫膠體金標記 ,研究了杜仲 (EucommiaulmoidesOliv .)次生木質部分化過程中木質素與半纖維素組分 (木葡聚糖和木聚糖 )在細胞壁分布的動態(tài)變化。在形成層及細胞伸展區(qū)域 ,細胞壁具有木葡聚糖的分布 ,而沒有木聚糖和木質