植物細胞壁結構及成像技術研究進展

張曼 張葉卓 何其鄒洪 鄂一嵐 李曄

（1.北京林業(yè)大學生物科學與技術學院 林木遺傳育種全國重點實驗室，北京 100083；2.北京林業(yè)大學生物科學與技術學院 林木育種與生態(tài)修復國家工程研究中心，北京 100083；3.北京林業(yè)大學生物科學與技術學院 林木、花卉遺傳育種教育部重點實驗室，北京 100083；4.北京林業(yè)大學生物科學與技術學院 樹木花卉育種生物工程國家林業(yè)和草原局重點實驗室，北京100083）

植物作為地球上豐富的可再生資源，其中光合作用獲得的生物質(zhì)大部分貯藏在細胞壁中，植物細胞壁資源不僅為造紙業(yè)、化工行業(yè)等提供原料，同時也是具有巨大潛力的生物能源。因此，研究植物細胞壁的結構和成分，對更好的利用細胞壁資源，實現(xiàn)我國能源轉(zhuǎn)型具有重要意義。研究發(fā)現(xiàn)不同物種、不同細胞類型乃至不同發(fā)育階段細胞壁的結構和功能具有差異性［1］。從1973年Keegstra提出第一個細胞壁結構模型開始［2］，到近年來原子力顯微鏡（atomic force microscope, AFM）、拉曼顯微術（Ramanmicroscopy）、點擊化學（click chemistry）和傅里葉變換紅外光譜（fourier transform infrared spectroscopy,FTIR）等先進技術的發(fā)展，為進一步研究細胞壁的精細結構提供了有力工具，使得我們對細胞壁結構的認識不斷突破，對細胞壁結構與細胞壁力學性質(zhì)之間關系的研究也不斷深入。2021年發(fā)表在Science的最新研究，首次采用分子模擬技術構建了細胞壁模型，并對細胞壁的結構及其力學性質(zhì)進行了深入的研究。因此，本綜述針對近年來植物細胞壁的組成和結構、細胞壁的新型成像技術，以及細胞壁力學性質(zhì)方面的研究進行了較為全面的總結，旨在為植物細胞壁復雜納微結構的研究及其加工利用提供參考依據(jù)。成分較低［4］。次生壁中主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，其中半纖維素的主要類型是木聚糖和葡甘聚糖［5］（圖1）。通常次生壁的組分與物種和組織器官類型高度相關，例如在棉花纖維細胞中，次生壁主要成分是纖維素，木質(zhì)素含量較少；而在木質(zhì)化細胞中，如木材導管、管胞、木纖維的次生壁中，木質(zhì)素則作為次生壁主要成分。另外，次生壁通?？梢园凑瘴⒗w絲的排列方式區(qū)分為 S1、S2、S3三層［6］。除了初生壁和次生壁，連接相鄰植物細胞的胞間層也是細胞壁的重要結構，其主要成分是果膠［7］。

圖1 植物細胞壁的結構模型Fig.1 Structural model of plant cell wall

1 植物細胞壁的復雜納微結構

細胞壁作為非均一的結構，在不同類型細胞中組成和結構不同。細胞壁一般可以分為胞間層、初生壁和次生壁。但并非所有的細胞都既有初生壁又有次生壁，有些細胞僅有初生壁和胞間層，而無次生壁。細胞壁的主要化學成分包括纖維素、半纖維素、果膠、木質(zhì)素和結構蛋白等數(shù)十種天然高分子化合物，它們之間相互交聯(lián)形成復雜的納微網(wǎng)絡結構。因此，研究植物細胞壁的組成成分和不同組分之間的相互作用對揭示細胞壁的復雜納微結構具有重要的意義。

1.1 植物細胞壁的組成成分

根據(jù)植物細胞壁形成時間的不同，細胞壁可以分為細胞生長發(fā)育過程中形成的初生壁，細胞停止生長后在初生壁內(nèi)側繼續(xù)沉積的次生壁，以及連接相鄰細胞的胞間層。根據(jù)近年來大量的研究工作，總結了植物初生壁和次生壁成分的主要差異（圖1）。植物初生壁的主要成分是纖維素、果膠和半纖維素，其中纖維素和果膠含量分別約為15%-40%和30%-50%，木葡聚糖作為初生壁半纖維素的主要類型，含量約為20%-30%［3］。植物初生壁又可以分為兩種，I型初生壁在真雙子葉植物中很常見，而II型初生壁是草本植物初生壁的主要類型。兩者的區(qū)別主要在于I型細胞壁中木葡聚糖和纖維素微纖絲相互交聯(lián)；而II型細胞壁以纖維素-葡萄糖醛酸阿拉伯木聚糖為骨架，木葡聚糖與纖維素結合較少，且果膠

作為細胞壁的主要成分，纖維素是由β-1,4糖苷鍵連接的葡萄糖大分子，通過非共價力聚合成微纖維，在細胞壁結構中起支架作用。半纖維素在植物細胞壁中普遍存在，主要包括木葡聚糖、木聚糖、甘露聚糖、混聯(lián)葡聚糖及其衍生物［8］。果膠是自然界中結構和功能最復雜的多糖，其成分種類較多，其中包括同型半乳糖醛酸聚糖（HG）、鼠李半乳糖醛酸聚糖I（RGI）和鼠李半乳糖醛酸聚糖II（RGII）［9］。而木質(zhì)素主要存在于木質(zhì)部和厚壁組織細胞，是一種芳香族酚類聚合物，在初生壁中含量較少，主要存在于次生壁中［10］。

不同種類植物細胞壁成分也具有很大差異。木本植物細胞壁的主要成分包括纖維素、半纖維素、果膠以及木質(zhì)素［11］；與木本植物相比，草本植物細胞壁中半纖維素主要是混聯(lián)葡聚糖和異木聚糖，其中混聯(lián)葡聚糖是草本植物細胞壁特有成分［12］。另外，草本植物初生壁作為一種II型細胞壁，果膠和木葡聚糖含量相比于木本植物更少［13］。需要注意的是，同一植物培養(yǎng)細胞和生長細胞的細胞壁組分含量之間關系存在一定爭議。Blaschek等［14］利用氣液色譜對不同來源的煙草細胞壁成分進行研究發(fā)現(xiàn)，原生質(zhì)體再生細胞壁纖維素含量僅占5%，而葉片和培養(yǎng)細胞的細胞壁纖維素含量分別為60%和45%。然而，在利用化學分析方法研究棉纖維細胞生長發(fā)育過程中細胞壁成分含量變化時發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)細胞和植物生長細胞的纖維素含量十分相似［15］。綜上所述，細胞壁不同組分含量具有異質(zhì)性，依賴于物種和植物細胞的狀態(tài)。

深入研究細胞壁的成分對農(nóng)業(yè)以及林業(yè)發(fā)展具有重要意義。研究發(fā)現(xiàn)蔬菜和果實在貯藏過程中細胞壁成分會發(fā)生明顯變化，這種變化會影響其經(jīng)濟價值。Ren等［16］通過研究番荔枝貯藏過程中細胞壁多糖含量、細胞壁修飾酶活性的變化，發(fā)現(xiàn)番荔枝果實軟化主要是因為細胞壁多糖尤其是果膠的降解。在樹木的研究中表明，纖維素含量與木材制漿率成正比，而木質(zhì)素含量與木材制漿率成反比。李強等［17］利用DFRC法結合氣相色譜-質(zhì)譜法測定出竹柳綜纖維素含量為80.16%，木質(zhì)素含量為19.84%，這為竹柳的工業(yè)應用提供了理論支持。除此之外，棉花作為主要的農(nóng)業(yè)作物之一，其纖維素含量的測定對選擇優(yōu)良的棉花品種具有重要意義。Abidi等［18］利用紅外光譜法測定棉纖維生長和發(fā)育過程中纖維素含量的變化，發(fā)現(xiàn)在667 cm-1和897cm-1處的振動帶強度和纖維素百分含量相關，從而對棉花纖維素含量進行定量分析，這為棉花優(yōu)良品種的選擇提供了一種新方法。因此，研究植物細胞壁的成分，對細胞壁資源的利用具有重要價值。

1.2 細胞壁不同組分之間的復雜相互作用

針對細胞壁組分之間相互作用的研究可以追溯到1973年，Keegstra等［19］通過分析槭樹懸浮細胞細胞壁的降解片段發(fā)現(xiàn)，果膠和木葡聚糖之間主要通過共價鍵連接。隨后，基于不同方法，相繼有研究者發(fā)現(xiàn)共價鍵連接的果膠-木葡聚糖復合物存在于花椰菜莖、玫瑰懸浮細胞以及黃化豌豆上胚軸細胞壁中［20］。同時也有研究者報道半纖維素和纖維素通過既牢固又靈活的氫鍵相連，半纖維素通過與木質(zhì)素形成共價鍵介導木質(zhì)素與纖維素間接結合［21］，以上發(fā)現(xiàn)都表明包括木葡聚糖在內(nèi)的半纖維素在細胞壁網(wǎng)絡形成中起到重要作用。除半纖維素外，果膠成分在細胞壁網(wǎng)絡形成中的作用也被廣泛研究。木葡聚糖作為半纖維素的主要類型之一，相比于木葡聚糖，果膠與纖維素結合的能力較弱。研究發(fā)現(xiàn)當木葡聚糖大量存在時，木葡聚糖與纖維素形成網(wǎng)絡；而缺乏木葡聚糖時，果膠可以取代木葡聚糖與纖維素結合［22］，起到連接纖維素的作用。

細胞壁的栓系網(wǎng)絡模型曾被廣泛接受，其中木葡聚糖與纖維素結合，并將微纖絲栓系在一起。木葡聚糖在微纖絲緊密接觸的有限區(qū)域?qū)⑽⒗w絲連接在一起［23］，而果膠則填滿微纖絲-木葡聚糖網(wǎng)絡的空隙［24］。但近些年的研究對此提出質(zhì)疑，研究發(fā)現(xiàn)擬南芥木葡聚糖突變體表型變化并不顯著［25］。此外，對于擬南芥原生質(zhì)體細胞壁再生體系的研究發(fā)現(xiàn)，細胞壁的結構不會因缺乏木葡聚糖而受到影響［26］。隨著新技術的產(chǎn)生和發(fā)展，細胞壁結構的認識不斷突破。纖維素-木葡聚糖網(wǎng)絡受到質(zhì)疑，初生壁中的纖維素-果膠網(wǎng)絡和次生壁中的纖維素-木聚糖網(wǎng)絡成為被廣泛接受的細胞壁結構［27］。

2 植物細胞壁結構研究的相關成像技術

成像技術作為支撐細胞壁成分和結構研究的重要方法。一直以來，組織化學染色、熒光標記等成像標記技術，以及熒光顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡、電子顯微鏡等成像技術是研究細胞壁成分和結構的重要工具。近年來，隨著新技術的不斷發(fā)展，原子力顯微鏡、拉曼顯微術、點擊化學和傅里葉變換紅外光譜技術等成像技術在細胞壁結構成像中凸顯優(yōu)勢。

2.1 原子力顯微鏡

原子力顯微鏡（atomic force microscope, AFM）利用探針與樣品表面相互作用力的變化來獲取樣品表面的形貌信息。與普通光學顯微鏡相比，AFM具有更高的空間分辨率，而與電子顯微鏡相比，AFM不需要繁瑣的樣品制備過程，對樣品損害?。?8］。AFM的優(yōu)勢在于能從少量細胞中提取精確形態(tài)信息，比如細胞表面粗糙度和顆粒大小，但相應的，AFM成像速度較慢，無法進行大量細胞的統(tǒng)計分析［29］。

AFM被廣泛應用于生物大分子如多糖、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、核酸的直接可視化。例如，楊靜慧等［30］利用原子力顯微鏡研究了靈武長棗貯藏期間果實軟化過程發(fā)現(xiàn)，螯合性果膠的長鏈結構隨著貯藏時間延長而減少，短鏈則有所增加。Pieczywek等［31］通過在原子力顯微鏡下觀察蘋果中果膠在不同糖苷酶處理后溶解情況發(fā)現(xiàn)，阿拉伯糖在稀堿溶性果膠分支結構的形成中具有關鍵作用。此外，原子力顯微鏡可以實現(xiàn)細胞壁復雜交聯(lián)網(wǎng)絡結構的原位成像。例如，Adobes-Vidal等［32］利用原子力顯微鏡觀察木材次生壁納米結構發(fā)現(xiàn)，纖維素和半纖維素構成微纖維聚集體的核心，木質(zhì)素包裹在外層。Crowe等［33］利用原子力顯微鏡和掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope, SEM）觀察擬南芥葡萄糖醛酸木聚糖缺陷突變體中纖維素網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)，葡萄糖醛酸木聚糖對纖維素網(wǎng)絡的組織具有重要影響。值得注意的是，原子力顯微鏡可應用于研究細胞壁成分在細胞壁力學性質(zhì)中的作用。例如 Leszczuk等［34］利用AFM評估了在阿拉伯半乳糖蛋白（AGP）功能受到影響的情況下花粉管不同區(qū)域的硬度發(fā)現(xiàn)，AGP在細胞壁力學性質(zhì)中起到重要作用。綜上所述，原子力顯微鏡具有分辨率高、樣品損傷小等優(yōu)點，是細胞壁多糖、細胞壁交聯(lián)結構和細胞壁成分力學性質(zhì)研究中的重要工具。

2.2 拉曼顯微術

近年來，拉曼顯微技術被廣泛的應用于細胞壁成分的檢測。所謂拉曼散射是光與物質(zhì)作用后發(fā)生的非彈性散射。拉曼顯微術基于拉曼散射，對細胞壁成分的分子振動能級進行檢測，從而獲得細胞壁分子水平的結構信息。相比于AFM，拉曼顯微技術的優(yōu)勢在于能夠在對細胞壁成分進行定性和定量分析，且不需要對樣品進行特殊處理，因此其在研究細胞壁成分變化等方面具有不可替代的作用。

共聚焦拉曼顯微術（confocal Raman microscopy,CRM）通過在焦平面上放置阻擋器吸收來自樣品表面下方的散射光，可以提供微米分辨率的化學信息［35］。其主要的優(yōu)勢在于可以對植物細胞壁實現(xiàn)非侵入性的無損原位成像，從而觀察細胞壁成分如木質(zhì)素在生理狀態(tài)下的變化。例如，Jin等［36］利用CRM觀察楊樹木質(zhì)素脫除的動態(tài)過程發(fā)現(xiàn)，不同細胞類型脫除木質(zhì)素的難易程度有差異，導管細胞抗性最強，射線和纖維依次減弱。但在生理條件下，植物自發(fā)熒光對拉曼成像會有一定干擾，除此之外，較高的時空分辨率也需要更長的成像時間。

相干反斯托克斯拉曼散射（coherent anti-stokes Raman scattering, CARS）顯微術和受激拉曼散射（stimulated Raman scattering, SRS）顯微術都屬于相干拉曼散射（coherent Raman scattering, CRS）顯微術，均利用兩束相干光照射樣品，使獲得的拉曼信號大幅度增強［37］。而自發(fā)拉曼散射（spontaneous Raman scattering）作為拉曼光譜儀對樣品化學鍵進行檢測的常用技術，通常使用一束單色激光，激光與樣品中分子發(fā)生非彈性碰撞，散射出來的光可以攜帶樣品中分子水平的信息。其劣勢在于僅有極少數(shù)的光子（約千萬分之一）可以發(fā)生自發(fā)拉曼散射，信號強度較低［38］，CARS信號強度比自發(fā)拉曼散射提高了 104-105倍，但存在非共振背景，信噪比較低［39］。而SRS不受非共振背景的干擾，其信號強度僅與分析物濃度線性相關［40］，具有更高的信噪比，且成像時間大大縮短。例如，Zeng等［41］用SRS成像玉米秸稈細胞壁木聚糖，發(fā)現(xiàn)木聚糖可以從纖維素和木質(zhì)素中原位分解。有研究利用SRS對枇杷果肉進行大面積快速成像發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素會在貯藏期間增加，進而對細胞進行區(qū)域成像后發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素主要在枇杷果肉細胞角隅處和中間層積累［42］。此外，He等［43］利用拉曼標簽4-氨基硫酚標記果膠，通過表面增強拉曼散射（surface-enhanced Raman scattering）揭示了靶向酶水解后果膠和木葡聚糖的變化，從而成像洋蔥表皮細胞壁中果膠和木葡聚糖的分布。由此可見，拉曼顯微技術正逐漸成為研究植物細胞壁成分分布和變化的重要工具。

2.3 點擊化學

點擊化學（click chemistry）是前沿的新型成像標記技術。2022年，Carolyn R.Bertozzi、Morten Meldal和K.Barry Sharpless三位科學家因“對點擊化學和生物正交化學的發(fā)展”所作出的貢獻獲得諾貝爾化學獎。點擊化學反應是指通過小單元的拼接，來快速可靠地完成各種分子的化學合成。其不僅可以應用于化學領域，更能廣泛地應用于生物領域。在生物相關領域的研究中，重點關注通過高效的偶聯(lián)反應，實現(xiàn)細胞壁和膜組分可視化。點擊化學反應條件簡單、原料和反應試劑易得、合成反應快速，但使用銅作為催化劑對植物有一定的毒害作用，長時間孵育會損害植物原有的生理狀態(tài)。

點擊化學可以應用于植物不同發(fā)育時期細胞壁成分變化的觀察。巖藻糖是果膠RG-I的主要成分之一，Anderson等［44］利用含疊氮基團的熒光染料Alexa 488-azide和Alexa 594-azide對巖藻糖類似物FucAl進行標記，成像擬南芥根表皮細胞壁中從根冠到根毛區(qū)FucAl的分布發(fā)現(xiàn)，細胞壁中巖藻糖的傳遞和分布的空間模式隨著發(fā)育時間而改變。點擊化學還可以實現(xiàn)細胞壁多糖沉積的可視化。在植物中，Kdo是一種單糖，只存在于果膠RG-II中，Dumont等［45］利用Alexa 488-azide對Kdo類似物Kdo-N3標記，Alexa Fluor 594-N3對巖藻糖類似物進行標記，Kdo-N3和FucAl可以通過代謝整合到擬南芥根的細胞壁中，對兩種單糖類似物的共定位表明，新合成的RG-I和RG-II在根細胞壁中有相似的空間分布。由此可見，點擊化學彌補了熒光標簽只能標記蛋白質(zhì)的不足，可以實現(xiàn)對活細胞中多糖和脂質(zhì)的動態(tài)追蹤，在植物細胞壁生物合成的研究中具有很大應用潛力。

2.4 傅里葉變換紅外光譜技術

傅里葉變換紅外光譜（fourier transform infrared spectroscopy, FTIR）技術被廣泛應用于各種領域，其在植物研究，尤其是在細胞壁研究中也逐漸發(fā)揮著越來越大的作用。不同化合物有不同的分子振動頻率，F(xiàn)TIR通過檢測化合物的紅外分子吸收光譜，從而對樣品中的不同化合物進行鑒定［46］。FTIR優(yōu)點在于只需要少量樣品，就可以無損快速分析細胞壁結構成分［47］，但在定量分析的準確性方面還存在不足［48］。

主成分分析（principal component analysis, PCA）與FTIR的結合可以將復雜的數(shù)據(jù)降維分析，減少分析程序，降低成本［49］。Wang等［50］利用FTIR和PCA對小麥莖稈細胞壁成分進行研究，篩選出了抗倒伏和莖稈強度高的小麥品種。FTIR還可以成像細胞壁成分分布。如Zhu等［51］利用FTIR成像竹子細胞壁聚合物的空間分布發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素、木聚糖和羥基肉桂酸更多地集中在木質(zhì)部導管附近的纖維中，而纖維素則均勻分布在整個纖維鞘中。除此之外，盡管無法對細胞壁成分進行精確定量，但FTIR仍然可以應用于細胞壁成分變化的研究。例如，Xiao等［52］利用FTIR對核桃外殼細胞壁進行研究發(fā)現(xiàn)，在核桃成熟過程中，其外殼細胞細胞壁中纖維素、木質(zhì)素等含量都明顯增加。值得注意的是，Cuello等［53］基于衰減全反射傅里葉變換紅外光譜（attenuated total reflection-fourier transform infrared spectroscopy, ATR-FTIR）將不同類型細胞的細胞壁進行區(qū)分，這為研究細胞壁的結構成分提供了一種新方法。綜上所述，F(xiàn)TIR可以快速無損的鑒定植物細胞壁結構成分，越來越成為植物細胞壁成分和結構研究的重要技術。

為了進一步對比幾種新型的細胞壁成像技術，我們將不同的細胞壁成像技術的原理和優(yōu)缺點總結在表1中，其中AFM的優(yōu)勢在于可以在生理狀態(tài)下對細胞表面多糖進行檢測和觀察，具有原子級分辨率。拉曼顯微術可以定位和定量細胞壁成分，如木質(zhì)素、纖維素等，其中SRS具有成像快、信噪比高等優(yōu)勢。點擊化學反應利用多炔分子等標記多糖類似物，可以觀察活體狀態(tài)下細胞壁多糖的積累。與拉曼顯微技術類似，F(xiàn)TIR無需標記，可以快速無損對細胞壁不同成分的豐度和分布進行檢測，但空間分辨率有限［54］。除了上述技術，超分辨技術如結構光照明顯微鏡（structured-illumination microscopy，SIM）、隨機光學重建顯微鏡（stochastic optical reconstruction microscopy, STORM）［55］等作為新型的成像技術在推動細胞壁結構的研究中也發(fā)揮著重要的作用。

表1 細胞壁成像技術原理及優(yōu)缺點Table1 Principles and advantages/disadvantages of imaging technologies of plant cell wall

3 細胞壁的結構對其力學性質(zhì)的影響

3.1 微纖絲的長度和纖維素含量影響細胞壁的力學性質(zhì)

微纖絲作為細胞壁組成的重要結構，主要由纖維素平行排列而成的基本纖絲聚合而成［56］。2021年，最新發(fā)表在Science的文章中，首次采用分子模擬技術構建了細胞壁的納微結構模型，對洋蔥表皮細胞壁的力學性質(zhì)進行研究發(fā)現(xiàn)，纖維素微纖絲越長，細胞壁的力學性能越強，而果膠以及木葡聚糖的長度對細胞壁力學性能的影響并不顯著［57］。汪清焰等［58］利用水稻矮桿突變體研究細胞壁組分與力學性質(zhì)的關系發(fā)現(xiàn)，水稻莖稈強度與纖維素含量顯著正相關。Kokubo等［59］對大麥莖稈強度進行研究發(fā)現(xiàn)，纖維素含量越多，莖稈強度越大。由此可見，通常微纖絲越長，纖維素含量越多，細胞壁的力學性能越好（圖2）。

圖2 影響細胞壁力學性質(zhì)的主要因素Fig.2 Main factors influencing the mechanical property of cell wall

3.2 微纖絲角大小影響細胞壁的力學性質(zhì)

微纖絲角（microfibril angle, MFA）作為微纖絲與細胞主軸的夾角，對細胞壁的力學性能同樣具有重要影響。李帥偉等［60］利用納米壓痕技術研究毛竹纖維細胞壁的力學性質(zhì)發(fā)現(xiàn)，毛竹纖維縱向比橫向具有更好的抗蠕變變形能力。這是由于微纖絲排列方向與細胞軸幾乎平行，當木材縱向受力時，微纖絲角變小，所以木材縱向力學性能通常好于橫向［61］。劉蒼偉等［62］利用納米壓痕技術和廣角X-射線散射法分別測試了毛竹厚壁纖維細胞壁的力學性能和微纖絲角發(fā)現(xiàn)，具有較小微纖絲角的成熟期竹材力學性能更好。由此可見，微纖絲角較小時，木材的力學性能較好（圖2）。此外，木材不同層次也具有不同的微纖絲角。Bonham 等［63］通過使用X射線衍射儀對白樺由內(nèi)往外微纖絲角進行比較，發(fā)現(xiàn)從髓到樹皮，微纖維角減小，而通常木材木質(zhì)部硬度大于髓，這和微纖絲角影響木材硬度的結論相一致。值得注意的是，細胞壁力學性能也會隨著應力的變化而改變。李青林等［64］利用切片技術和納米壓痕技術對黃瓜葉肉細胞細胞壁的力學性能進行測試發(fā)現(xiàn)，當應力超過一定范圍后，細胞壁的彈性會從線性變?yōu)榉蔷€性。

3.3 果膠、半纖維素和木質(zhì)素的含量影響細胞壁的力學性質(zhì)

纖維素、半纖維素、果膠和木質(zhì)素等相互交聯(lián)共同構成細胞壁復雜的納微網(wǎng)絡結構，其細胞壁不同組分之間交聯(lián)形成的網(wǎng)絡結構對其力學性質(zhì)具有重要的影響。研究發(fā)現(xiàn)其中半纖維素隨機分布在纖維素表面，結構松散，主要影響細胞壁橫向力學性能［63］。此外，也有研究發(fā)現(xiàn)半纖維素可能會對木材的蠕變行為產(chǎn)生影響［65］。而木質(zhì)素取向度較低，決定著木材細胞壁的抗壓強度［65］。值得注意的是，果膠酯化是影響細胞壁可塑性和機械強度的重要因素［66］。Lahaye等［67］在針對不同品種蘋果細胞壁多糖對其果肉力學特性的研究中發(fā)現(xiàn)，果膠側鏈通過調(diào)節(jié)纖維素的滑動來影響組織的硬度。此外，也有研究發(fā)現(xiàn)除了微纖絲角、結晶纖維素含量以及木質(zhì)素、果膠、半纖維素成分比例之外，次生壁S2的結構也影響著細胞壁的力學性質(zhì)［68］。

4 總結和展望

植物細胞壁作為包裹在原生質(zhì)體外圍的特殊結構，是地球上極為重要的可再生資源，在造紙、紡織、家具等行業(yè)發(fā)揮著重要的作用。研究細胞壁組分、結構以及對其力學性質(zhì)的影響，對植物細胞壁優(yōu)良性狀的改良和利用具有重要的意義。植物細胞壁結構和成分復雜，在不同物種、組織和細胞類型中具有差異性。傳統(tǒng)的細胞壁化學分析方法通常需要對植物組織進行粉碎、研磨、提取等復雜的過程。此外，在細胞壁標記成像方面，被廣泛應用的組織化學染色特異性不足，有機熒光免疫標記光穩(wěn)定性差，而熒光蛋白則存在著光漂白的問題。近年來，隨著新型成像技術的發(fā)展，對細胞壁的納微結構和成分的研究具有重要的推動作用, 如原子力顯微鏡、拉曼顯微術以及傅里葉變換紅外光譜技術，可以實現(xiàn)對細胞壁結構信息的無標記原位分析，為深入探究細胞壁的化學成分提供了廣闊的空間。與此同時，點擊化學作為一種新型標記技術，突破了熒光標簽只能標記蛋白質(zhì)的限制，實現(xiàn)對活細胞中多糖和脂質(zhì)的動態(tài)追蹤，對細胞壁的動態(tài)形成過程的研究具有重要意義。

近年來隨著新型成像技術的發(fā)展，雖然對細胞壁結構和成分的研究不斷深入，但還有很多方向值得去進一步深入探究：（1）植物細胞壁的形成是一個動態(tài)過程，纖維素、半纖維素、果膠以及木質(zhì)素等多種組分合成后在質(zhì)膜外形成復雜交聯(lián)網(wǎng)絡，針對細胞壁形成的動態(tài)機理仍值得深入研究。（2）建立細胞壁多組分的共標記技術，借助和發(fā)展新型的成像技術，實現(xiàn)對細胞壁復雜空間結構和多種成分同時可視化的動態(tài)原位觀察和分析，對深入探究細胞壁不同組分之間復雜的交聯(lián)網(wǎng)絡結構和形成過程具有重要的意義。（3）隨著計算機水平和人工智能的發(fā)展，分子模擬技術和高通量的分析技術，也將成為細胞壁研究的有力支撐手段，將推動植物細胞壁結構及其力學性質(zhì)等相關研究的發(fā)展。相信未來，隨著新型的標記技術、成像技術、模擬技術和人工智能等研究手段的不斷發(fā)展，將對細胞壁的成分、結構、動態(tài)形成機制及其力學性質(zhì)等重要方面的研究具有重要的推動作用。