植物學(xué)細(xì)胞壁的研究課件

1、 細(xì)胞壁的科研動(dòng)態(tài)及其知識(shí)延展 細(xì)胞壁起源認(rèn)知細(xì)胞(英文名cell）是原核生物和真核生物的結(jié)構(gòu)和功能的基本單位。除病毒外，一切生物均由細(xì)胞構(gòu)成，根據(jù)細(xì)胞內(nèi)核結(jié)構(gòu)分化程度的不同，細(xì)胞可以分為原核細(xì)胞和真核細(xì)胞兩大類型。由是否有成形的細(xì)胞核來區(qū)分。細(xì)胞壁（cellwall）是細(xì)胞的外層，在細(xì)胞膜的外面，細(xì)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(xì)胞壁，而動(dòng)物細(xì)胞不具有細(xì)胞壁。細(xì)胞壁本身結(jié)構(gòu)疏松，外界可通過細(xì)胞壁進(jìn)入細(xì)胞中。位 置細(xì)胞膜之外緊挨著細(xì)胞膜限制范圍植物、原核生物與真核生物出現(xiàn)時(shí)間大約在35億年前植物細(xì)胞 細(xì)胞壁的組成細(xì)胞壁的主要組成成分是纖維素，它

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

3、體，藍(lán)藻穿入變成葉綠體，螺旋體穿入變成鞭毛和纖毛等；一是“質(zhì)膜內(nèi)褶假說”，認(rèn)為古原核生物隨著體積增大，質(zhì)膜發(fā)生內(nèi)褶而形成內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等細(xì)胞器，以及核膜造成細(xì)胞核等；同時(shí)，DNA復(fù)制成許多拷貝，質(zhì)膜圍繞著DNA發(fā)生內(nèi)褶，最后形成有雙層膜的細(xì)胞器，如線粒體、葉綠體等。 細(xì)胞壁的形成細(xì)胞壁的形成是多種細(xì)胞器配合作用的結(jié)果。新細(xì)胞壁的形成開始于細(xì)胞分裂的晚后期或早期。細(xì)胞分裂時(shí)，在兩組染色體之間，也就是在母細(xì)胞的赤道板(不是實(shí)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(nèi)質(zhì)網(wǎng)分泌而形成的，它們借助與細(xì)胞赤道板垂直方向上存在的微管的

4、運(yùn)動(dòng)，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(xì)胞的質(zhì)膜，其中的內(nèi)含物連成一體構(gòu)成細(xì)胞板，這是雛形的中層結(jié)構(gòu)。細(xì)胞板組成后，高爾基體小泡運(yùn)輸造壁物質(zhì)釋放到質(zhì)膜外，以充實(shí)新形成的壁。當(dāng)細(xì)胞板中逐漸有果膠質(zhì)和少量纖維素分子不斷地填充和摻入時(shí)便構(gòu)成了中層，在中層兩側(cè)陸續(xù)有纖維素和半纖維素等物質(zhì)的沉積則形成了質(zhì)地柔軟的初生壁，這時(shí)兩個(gè)子細(xì)胞便形成。此后，大多數(shù)細(xì)胞的初生壁內(nèi)側(cè)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(qiáng)植物體支持能力的重要基礎(chǔ)。纖維素分子的定向分層沉積與微管的活動(dòng)有關(guān)，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(gè)重要作用是使新形成的細(xì)胞板上保留某些通道，即參與胞間連絲的形成，使原生質(zhì)在兩個(gè)子細(xì)胞間能保持聯(lián)系?？梢?，細(xì)胞壁的形成是在生活細(xì)胞分裂、成長(zhǎng)以至分化的過程中逐步完成的。在細(xì)胞分裂以及新細(xì)胞壁形成時(shí)，除了有高爾基體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和微管參與外，還有生長(zhǎng)素和多種酶類的作用，而所有的活動(dòng)又要靠線粒體來提供能量，這正體現(xiàn)了細(xì)胞內(nèi)各部位相互配合來共同完成生命活動(dòng)的特征。 細(xì)胞壁的功能維持細(xì)胞形狀，控制細(xì)胞生長(zhǎng)細(xì)胞壁增加了細(xì)胞的機(jī)械強(qiáng)度，并承受著內(nèi)部原生質(zhì)體由于液泡吸水而產(chǎn)生的膨壓，從而使細(xì)胞具有一定的形狀。物質(zhì)運(yùn)輸與信息傳遞細(xì)胞壁允許離子、多糖等小分子和低分子量的蛋白質(zhì)

6、通過，而將大分子或微生物等阻于其外。防御與抗性細(xì)胞壁中一些寡糖片段能誘導(dǎo)植保素的形成，它們還對(duì)其它生理過程有調(diào)節(jié)作用，這種具有調(diào)節(jié)活性的寡糖片斷稱為寡糖素。其他功能細(xì)胞壁中的酶類廣泛參與細(xì)胞壁高分子的合成、轉(zhuǎn)移、水解、細(xì)胞外物質(zhì)輸送到細(xì)胞內(nèi)以及防御作用等。參與細(xì)胞間的相互粘連，即“胞間連絲”。對(duì)藻類單細(xì)胞的研究表明壁的定向分泌可以穩(wěn)定極的軸向，結(jié)果表現(xiàn)為細(xì)胞壁的非對(duì)稱性。細(xì)胞壁的非對(duì)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(shí)也決定著兩個(gè)子細(xì)胞的命運(yùn)。單細(xì)胞假根的細(xì)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(cè)可能是肌動(dòng)蛋白微絲調(diào)整眾多的高爾基體小泡的胞吐作用的結(jié)果。細(xì)胞壁的

7、作用為維持定向分泌產(chǎn)物在細(xì)胞表面的固定分布，定向分泌和高爾基體轉(zhuǎn)運(yùn)小泡內(nèi)含物協(xié)同進(jìn)入細(xì)胞壁是合子第一次正確分裂的關(guān)鍵。原生質(zhì)球 (Spheroplast) 指細(xì)胞壁未被全部去掉的細(xì)菌細(xì)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(xì)菌而獲得。該類菌細(xì)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(jié)構(gòu)尚存。所以，原生質(zhì)球較之原生質(zhì)體對(duì)外界環(huán)境具一定抗性，并能在普通培養(yǎng)基上生長(zhǎng)。細(xì)菌 L- 型 (bacterial L-form) 是細(xì)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(xì)胞呈多形態(tài)，有的能通過細(xì)菌濾器，故又稱“濾過型菌”。 L- 型菌落生長(zhǎng)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(nèi)，呈典型的“油煎蛋”狀。這些變異型，有些是能回復(fù)至親代的“不穩(wěn)定”變異株，有些是不能回復(fù)的“穩(wěn)定”變異株。由于它最先被英國(guó) Lister 醫(yī)學(xué)研究院發(fā)現(xiàn)，故名細(xì)菌 L- 型。?周質(zhì)空間 (Periplasmic space) 又稱壁膜空間，指位于細(xì)胞壁與細(xì)胞質(zhì)膜之間的狹小空間。內(nèi)含質(zhì)外酶。質(zhì)外酶對(duì)細(xì)菌的營(yíng)養(yǎng)吸收、核酸代謝、趨化性和抗藥性等常有重要作用。質(zhì)外酶的種類和數(shù)量隨菌種而異，目前已在細(xì)菌 ( 尤其是 G - 細(xì)菌 ) 中發(fā)現(xiàn)的質(zhì)外酶主要有： RNA 酶 I 、 DNA 內(nèi)切酶 I 、青霉素酶及許多磷酸化酶等。 特殊的細(xì)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(gè)皮層細(xì)胞之間的結(jié)合部位才能生長(zhǎng)根毛。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，即使將兩個(gè)相鄰的皮層細(xì)胞殺死只留下騰空的細(xì)胞壁，接觸到皮層細(xì)胞之間的結(jié)合部位的細(xì)胞，仍然能生長(zhǎng)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(shí)間和地點(diǎn)流入壁中，因?yàn)槿绻淠康闹皇菫榱诵纬梢粋€(gè)支持植物細(xì)胞的空盒子。那還有什么必要？”實(shí)驗(yàn)證明激素運(yùn)輸因子的極性分布需要運(yùn)輸小泡的定向分布 蛋白質(zhì)通過小泡的定向分揀形成了極性分布，這是非常關(guān)鍵的，細(xì)胞骨架通過與大分子蛋白質(zhì)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(zhì)和事件以及決定性的時(shí)間都是通

10、過小泡的定向分布和運(yùn)輸特定的物質(zhì)和信號(hào)完成的 細(xì)胞壁的功能，細(xì)胞極性的形成，植物激素的定向運(yùn)輸，細(xì)胞骨架的極性變化，小泡的定向分布和運(yùn)輸?shù)纫幌盗械陌l(fā)育學(xué)事件都是彼此聯(lián)系的 細(xì)胞分裂的空間調(diào)節(jié)，通過引導(dǎo)成膜體的沉積，和將在特定細(xì)胞板的位置形成新的細(xì)胞壁與原有的細(xì)胞壁相聯(lián)系。在多數(shù)開花植物的細(xì)胞中，細(xì)胞的分裂面在G2期便已預(yù)定 PPB的形成是植物王國(guó)中所用的策略，以此來確定有絲分裂之前在正確的時(shí)間和地點(diǎn)建立細(xì)胞分裂面 PPB直接定位分子在質(zhì)膜上的分布。在細(xì)胞的分裂過程中細(xì)胞壁作為引導(dǎo)成膜體分子分布的靶區(qū)域（landmarks）除了以前討論過的在細(xì)胞板形成過程中發(fā)揮功能外，在引導(dǎo)細(xì)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(dāng)細(xì)胞命運(yùn)的信使與發(fā)育有關(guān)的質(zhì)外體信號(hào)分子主要有三大類:新發(fā)現(xiàn)的與發(fā)育相關(guān)的多肽分子(AGPS)； 病原侵染或傷害誘導(dǎo)產(chǎn)生的細(xì)胞壁信號(hào)分子； 植物質(zhì)外體中的的其他信號(hào)分子。細(xì)胞壁蛋白也是重要的質(zhì)外體信號(hào)分子 細(xì)胞壁鈣，鈣調(diào)素結(jié)合蛋白EXPANSIN 1992（McQueen-mason ）首次從黃瓜下胚軸細(xì)胞壁中鑒定兩種蛋白質(zhì)，Mr30，000和29，000，可以使提取的細(xì)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(xì)胞壁恢復(fù)伸展活性的蛋白質(zhì)命名為expansin，中文譯文為擴(kuò)張蛋白，又名膨脹素 Expansin蛋白為能使細(xì)胞壁伸展的第一個(gè)細(xì)胞壁內(nèi)源蛋

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

13、突變體來研究與細(xì)胞壁相關(guān)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(xì)胞壁和分泌相關(guān)的問題，用抑制劑brefeldin A 擾亂高爾基復(fù)合物可以抑制細(xì)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(xì)胞壁有關(guān)系的激酶(WAKase) 鑒定內(nèi)源WAK受體，WAKase在何種情況下具有活力或者失活，對(duì)理解這些激酶的一般生物學(xué)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(gè)雜合體序列表明，WAK1與特定結(jié)合細(xì)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(dá)水平，這個(gè)發(fā)現(xiàn)提供

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