科学家首次观察到活体植物细胞生成纤维素并形成细胞壁
科学家首次观察到活体植物细胞生成纤维素并形成细胞壁
作者：Rutgers University
纤维素在植物原生质体细胞表面再生的艺术渲染图，并放大了视图。纤维素由质膜结合酶复合体（绿色）合成，并组装成微纤维网络（棕色），形成细胞壁的主要支架。 Credit: Ehsan Faridi/ Inmywork Studio/ Chundawat, Lee and Lam Labs
在一项关于纤维素合成的开创性研究中，纤维素是所有植物细胞壁的主要成分，来自Rutgers University-New Brunswick的一个研究团队，用活体植物细胞连续24小时捕捉到了细胞壁构建的微观过程图像，从而提供了重要的见解，这可能导致开发出更健壮的植物，以增加食物产量和降低生物燃料的生产成本。
这项发表在 Science Advances 杂志上的发现，揭示了一个前所未见的动态过程，并可能为源自植物的日常产品提供实际应用，包括增强型纺织品、生物燃料、可生物降解塑料和新型医疗产品。
科学家们表示，这项研究也有望为基础知识做出贡献，同时提供对细胞壁形成的新理解。
这项研究代表了Rutgers的艺术与科学学院、工程学院以及环境与生物科学学院的三个实验室之间，历时六年多的努力和合作，这些实验室来自不同但互补的学术领域。
(视频) 延时视频显示拟南芥细胞产生纤维素纤维。 Credit: Lee Lab/Rutgers University
"自从Robert Hook在1667年首次通过显微镜观察到细胞壁以来，这项工作首次直接可视化了纤维素如何在植物细胞表面合成并自组装成致密的纤维网络，" Sang-Hyuk Lee说，他是物理与天文学系的副教授，也是该研究的作者。
"这项研究还提供了全新的见解，即诸如扩散和自组织之类的简单、基本的物理机制如何导致细胞中复杂的纤维素网络的形成。"
显微镜生成的视频图像显示，卷心菜的近亲，开花植物拟南芥的原生质体（去除细胞壁的细胞）混乱地萌发了纤维素纤维细丝，这些细丝逐渐自组装成细胞外表面上的复杂网络。
"当我第一次看到这些视频图像时，我对分子混乱的运动中出现的有序结构感到非常惊讶，" Lee说，他也是定量生物医学研究所的教员。"我以为植物纤维素会以更有组织的方式制造，就像经典生物学教科书中所描述的那样。"
纤维素是地球上最丰富的生物聚合物——大分子由生物体自然产生。纤维素是一种碳水化合物，是植物细胞壁的主要结构成分，在工业上广泛用于制造各种产品，包括纸张和服装。它还用于过滤，更有效地捕获大颗粒并增强流动性，并且还用作酸奶和冰淇淋等食品中的增稠剂。
Rutgers环境与生物科学学院植物生物学系特聘教授兼该研究的作者Eric Lam说："这一发现为研究人员开始剖析可能在植物中纤维素生物合成中发挥各种作用的基因打开了大门。"
"从这些未来研究中获得的知识将为设计更好的植物以进行碳捕获，提高对从干旱到疾病的各种环境胁迫的耐受性，并优化第二代纤维素生物燃料的生产提供新的线索。"
这项工作是Shishir Chundawat童年梦想的结晶，他是Rutgers工程学院化学与生化工程系的副教授，也是该研究的作者。
"我一直对植物以及它们如何通过叶子将阳光捕获到还原碳形式（如形成细胞壁的纤维素）中感到着迷，" Chundawat说，他计划探索新的方法，以从不同的原料（如陆生植物和海洋藻类）生产新的、可持续的生物燃料和生物化学品。
"我记得在初中的时候，我为科学课报告收集了许多不同形状、大小和颜色的叶子，并且非常好奇植物如何在自然界中产生如此多的复杂性和多样性。这种经历启发我更深入地研究生物质生产的基本现象及其利用可持续工程来生产有价值的生物制品以造福社会。"
来自三个研究团队的科学家们都做出了独特而关键的贡献。
当传统的实验室显微镜无法胜任时，只能提供细胞壁构建过程的模糊图像，该团队转向了一种称为全内反射荧光显微镜的先进的超分辨率和微创技术。
这种方法仅捕获细胞底面的图像，灵敏度足以连续拍摄24小时的视频，而不会漂白和破坏细胞。
Lee是一位生物物理学家，也是使用尖端显微镜技术研究生命系统的专家，他为该项目开发了一种定制显微镜，并负责监督成像工作。
Chundawat领导的团队率先开发了一种技术，使科学家能够用荧光蛋白染料标记新兴的纤维素卷须。
Chundawat是一位生物工程师，也是蛋白质工程和糖科学（例如纤维素之类的复杂碳水化合物的研究）方面的专家。为了使细胞具有荧光性并可被显微镜检测到，他和他的团队开发了一种源自工程细菌酶的探针，该探针可特异性结合纤维素。
Lam是植物遗传学和生物技术方面的专家，他的团队找到了一种去除拟南芥单个细胞的细胞壁的方法，从而为原生质体细胞铺设新的细胞壁创造了一个“空白状态”。
Lam说："这几乎没有提供任何背景纤维素来混淆我们在优化条件下对新合成的纤维素的可视化和跟踪。"
该研究中的其他Rutgers科学家包括：定量生物医学研究所的博士后科学家Hyun Huh；博士生Dharanidaran Jayachandran；化学与生化工程系的博士后科学家Mohammad Irfan；以及植物生物学系的实验室技术员Junhong Sun。
更多信息： Hyun Huh等，《活体拟南芥原生质体中细胞壁再生过程中纤维素生物合成和组装的时间分辨跟踪》，Science Advances (2025)。DOI: 10.1126/sciadv.ads6312. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads6312
期刊信息： Science Advances