張曼 張葉卓 何其鄒洪 鄂一嵐 李曄

（1.北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 林木遺傳育種全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 林木育種與生態(tài)修復(fù)國(guó)家工程研究中心，北京 100083；3.北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 林木、花卉遺傳育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；4.北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 樹木花卉育種生物工程國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xì)胞壁中，植物細(xì)胞壁資源不僅為造紙業(yè)、化工行業(yè)等提供原料，同時(shí)也是具有巨大潛力的生物能源。因此，研究植物細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)和成分，對(duì)更好的利用細(xì)胞壁資源，實(shí)現(xiàn)我國(guó)能源轉(zhuǎn)型具有重要意義。研究發(fā)現(xiàn)不同物種、不同細(xì)胞類型乃至不同發(fā)育階段細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)和功能具有差異性［1］。從1973年Keegstra提出第一個(gè)細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)模型開始［2］，到近年來原子力顯微鏡（atomic force microscope, AFM）、拉曼顯微術(shù)（Ramanmicroscopy）、點(diǎn)擊化學(xué)（click chemistry）和傅里葉變換紅外光譜（fourier transform infrared spectroscopy,FTIR）等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，為進(jìn)一步研究細(xì)胞壁的精細(xì)結(jié)構(gòu)提供了有力工具，使得我們對(duì)細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)不斷突破，對(duì)細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)與細(xì)胞壁力學(xué)性質(zhì)之間關(guān)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(shù)構(gòu)建了細(xì)胞壁模型，并對(duì)細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了深入的研究。因此，本綜述針對(duì)近年來植物細(xì)胞壁的組成和結(jié)構(gòu)、細(xì)胞壁的新型成像技術(shù)，以及細(xì)胞壁力學(xué)性質(zhì)方面的研究進(jìn)行了較為全面的總結(jié)，旨在為植物細(xì)胞壁復(fù)雜納微結(jié)構(gòu)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(guān)，例如在棉花纖維細(xì)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(xì)胞中，如木材導(dǎo)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(xì)胞的胞間層也是細(xì)胞壁的重要結(jié)構(gòu)，其主要成分是果膠［7］。

圖1 植物細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structural model of plant cell wall

1 植物細(xì)胞壁的復(fù)雜納微結(jié)構(gòu)

細(xì)胞壁作為非均一的結(jié)構(gòu)，在不同類型細(xì)胞中組成和結(jié)構(gòu)不同。細(xì)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(xì)胞都既有初生壁又有次生壁，有些細(xì)胞僅有初生壁和胞間層，而無次生壁。細(xì)胞壁的主要化學(xué)成分包括纖維素、半纖維素、果膠、木質(zhì)素和結(jié)構(gòu)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(fù)雜的納微網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此，研究植物細(xì)胞壁的組成成分和不同組分之間的相互作用對(duì)揭示細(xì)胞壁的復(fù)雜納微結(jié)構(gòu)具有重要的意義。

1.1 植物細(xì)胞壁的組成成分

根據(jù)植物細(xì)胞壁形成時(shí)間的不同，細(xì)胞壁可以分為細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育過程中形成的初生壁，細(xì)胞停止生長(zhǎng)后在初生壁內(nèi)側(cè)繼續(xù)沉積的次生壁，以及連接相鄰細(xì)胞的胞間層。根據(jù)近年來大量的研究工作，總結(jié)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(xì)胞壁中木葡聚糖和纖維素微纖絲相互交聯(lián)；而II型細(xì)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(jié)合較少，且果膠

作為細(xì)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(jià)力聚合成微纖維，在細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)中起支架作用。半纖維素在植物細(xì)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(jié)構(gòu)和功能最復(fù)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(xì)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(xì)胞壁成分也具有很大差異。木本植物細(xì)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(xì)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(xì)胞壁特有成分［12］。另外，草本植物初生壁作為一種II型細(xì)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(xì)胞和生長(zhǎng)細(xì)胞的細(xì)胞壁組分含量之間關(guān)系存在一定爭(zhēng)議。Blaschek等［14］利用氣液色譜對(duì)不同來源的煙草細(xì)胞壁成分進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，原生質(zhì)體再生細(xì)胞壁纖維素含量?jī)H占5%，而葉片和培養(yǎng)細(xì)胞的細(xì)胞壁纖維素含量分別為60%和45%。然而，在利用化學(xué)分析方法研究棉纖維細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育過程中細(xì)胞壁成分含量變化時(shí)發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)細(xì)胞和植物生長(zhǎng)細(xì)胞的纖維素含量十分相似［15］。綜上所述，細(xì)胞壁不同組分含量具有異質(zhì)性，依賴于物種和植物細(xì)胞的狀態(tài)。

深入研究細(xì)胞壁的成分對(duì)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(shí)在貯藏過程中細(xì)胞壁成分會(huì)發(fā)生明顯變化，這種變化會(huì)影響其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。Ren等［16］通過研究番荔枝貯藏過程中細(xì)胞壁多糖含量、細(xì)胞壁修飾酶活性的變化，發(fā)現(xiàn)番荔枝果實(shí)軟化主要是因?yàn)榧?xì)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(qiáng)等［17］利用DFRC法結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜法測(cè)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(yīng)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(cè)定對(duì)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(cè)定棉纖維生長(zhǎng)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(dòng)帶強(qiáng)度和纖維素百分含量相關(guān)，從而對(duì)棉花纖維素含量進(jìn)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(xì)胞壁的成分，對(duì)細(xì)胞壁資源的利用具有重要價(jià)值。

1.2 細(xì)胞壁不同組分之間的復(fù)雜相互作用

針對(duì)細(xì)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(xì)胞細(xì)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(jià)鍵連接。隨后，基于不同方法，相繼有研究者發(fā)現(xiàn)共價(jià)鍵連接的果膠-木葡聚糖復(fù)合物存在于花椰菜莖、玫瑰懸浮細(xì)胞以及黃化豌豆上胚軸細(xì)胞壁中［20］。同時(shí)也有研究者報(bào)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(jià)鍵介導(dǎo)木質(zhì)素與纖維素間接結(jié)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(xì)胞壁網(wǎng)絡(luò)形成中起到重要作用。除半纖維素外，果膠成分在細(xì)胞壁網(wǎng)絡(luò)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(jié)合的能力較弱。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)木葡聚糖大量存在時(shí)，木葡聚糖與纖維素形成網(wǎng)絡(luò)；而缺乏木葡聚糖時(shí)，果膠可以取代木葡聚糖與纖維素結(jié)合［22］，起到連接纖維素的作用。

細(xì)胞壁的栓系網(wǎng)絡(luò)模型曾被廣泛接受，其中木葡聚糖與纖維素結(jié)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(luò)的空隙［24］。但近些年的研究對(duì)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(duì)于擬南芥原生質(zhì)體細(xì)胞壁再生體系的研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)不會(huì)因缺乏木葡聚糖而受到影響［26］。隨著新技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)不斷突破。纖維素-木葡聚糖網(wǎng)絡(luò)受到質(zhì)疑，初生壁中的纖維素-果膠網(wǎng)絡(luò)和次生壁中的纖維素-木聚糖網(wǎng)絡(luò)成為被廣泛接受的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)［27］。

2 植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)研究的相關(guān)成像技術(shù)

成像技術(shù)作為支撐細(xì)胞壁成分和結(jié)構(gòu)研究的重要方法。一直以來，組織化學(xué)染色、熒光標(biāo)記等成像標(biāo)記技術(shù)，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(shù)是研究細(xì)胞壁成分和結(jié)構(gòu)的重要工具。近年來，隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，原子力顯微鏡、拉曼顯微術(shù)、點(diǎn)擊化學(xué)和傅里葉變換紅外光譜技術(shù)等成像技術(shù)在細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)成像中凸顯優(yōu)勢(shì)。

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(xué)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(duì)樣品損害?。?8］。AFM的優(yōu)勢(shì)在于能從少量細(xì)胞中提取精確形態(tài)信息，比如細(xì)胞表面粗糙度和顆粒大小，但相應(yīng)的，AFM成像速度較慢，無法進(jìn)行大量細(xì)胞的統(tǒng)計(jì)分析［29］。

AFM被廣泛應(yīng)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(zhǎng)棗貯藏期間果實(shí)軟化過程發(fā)現(xiàn)，螯合性果膠的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)隨著貯藏時(shí)間延長(zhǎng)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(jié)構(gòu)的形成中具有關(guān)鍵作用。此外，原子力顯微鏡可以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞壁復(fù)雜交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，纖維素和半纖維素構(gòu)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(luò)發(fā)現(xiàn)，葡萄糖醛酸木聚糖對(duì)纖維素網(wǎng)絡(luò)的組織具有重要影響。值得注意的是，原子力顯微鏡可應(yīng)用于研究細(xì)胞壁成分在細(xì)胞壁力學(xué)性質(zhì)中的作用。例如 Leszczuk等［34］利用AFM評(píng)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(xì)胞壁力學(xué)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(diǎn)，是細(xì)胞壁多糖、細(xì)胞壁交聯(lián)結(jié)構(gòu)和細(xì)胞壁成分力學(xué)性質(zhì)研究中的重要工具。

2.2 拉曼顯微術(shù)

近年來，拉曼顯微技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于細(xì)胞壁成分的檢測(cè)。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(shù)基于拉曼散射，對(duì)細(xì)胞壁成分的分子振動(dòng)能級(jí)進(jìn)行檢測(cè)，從而獲得細(xì)胞壁分子水平的結(jié)構(gòu)信息。相比于AFM，拉曼顯微技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于能夠在對(duì)細(xì)胞壁成分進(jìn)行定性和定量分析，且不需要對(duì)樣品進(jìn)行特殊處理，因此其在研究細(xì)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(shù)（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(xué)信息［35］。其主要的優(yōu)勢(shì)在于可以對(duì)植物細(xì)胞壁實(shí)現(xiàn)非侵入性的無損原位成像，從而觀察細(xì)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(dòng)態(tài)過程發(fā)現(xiàn)，不同細(xì)胞類型脫除木質(zhì)素的難易程度有差異，導(dǎo)管細(xì)胞抗性最強(qiáng)，射線和纖維依次減弱。但在生理?xiàng)l件下，植物自發(fā)熒光對(duì)拉曼成像會(huì)有一定干擾，除此之外，較高的時(shí)空分辨率也需要更長(zhǎng)的成像時(shí)間。

相干反斯托克斯拉曼散射（coherent anti-stokes Raman scattering, CARS）顯微術(shù)和受激拉曼散射（stimulated Raman scattering, SRS）顯微術(shù)都屬于相干拉曼散射（coherent Raman scattering, CRS）顯微術(shù)，均利用兩束相干光照射樣品，使獲得的拉曼信號(hào)大幅度增強(qiáng)［37］。而自發(fā)拉曼散射（spontaneous Raman scattering）作為拉曼光譜儀對(duì)樣品化學(xué)鍵進(jìn)行檢測(cè)的常用技術(shù)，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(shì)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(hào)強(qiáng)度較低［38］，CARS信號(hào)強(qiáng)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(hào)強(qiáng)度僅與分析物濃度線性相關(guān)［40］，具有更高的信噪比，且成像時(shí)間大大縮短。例如，Zeng等［41］用SRS成像玉米秸稈細(xì)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(duì)枇杷果肉進(jìn)行大面積快速成像發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素會(huì)在貯藏期間增加，進(jìn)而對(duì)細(xì)胞進(jìn)行區(qū)域成像后發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素主要在枇杷果肉細(xì)胞角隅處和中間層積累［42］。此外，He等［43］利用拉曼標(biāo)簽4-氨基硫酚標(biāo)記果膠，通過表面增強(qiáng)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(xì)胞壁中果膠和木葡聚糖的分布。由此可見，拉曼顯微技術(shù)正逐漸成為研究植物細(xì)胞壁成分分布和變化的重要工具。

2.3 點(diǎn)擊化學(xué)

點(diǎn)擊化學(xué)（click chemistry）是前沿的新型成像標(biāo)記技術(shù)。2022年，Carolyn R.Bertozzi、Morten Meldal和K.Barry Sharpless三位科學(xué)家因“對(duì)點(diǎn)擊化學(xué)和生物正交化學(xué)的發(fā)展”所作出的貢獻(xiàn)獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)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(xué)合成。其不僅可以應(yīng)用于化學(xué)領(lǐng)域，更能廣泛地應(yīng)用于生物領(lǐng)域。在生物相關(guān)領(lǐng)域的研究中，重點(diǎn)關(guān)注通過高效的偶聯(lián)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞壁和膜組分可視化。點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)條件簡(jiǎn)單、原料和反應(yīng)試劑易得、合成反應(yīng)快速，但使用銅作為催化劑對(duì)植物有一定的毒害作用，長(zhǎng)時(shí)間孵育會(huì)損害植物原有的生理狀態(tài)。

點(diǎn)擊化學(xué)可以應(yīng)用于植物不同發(fā)育時(shí)期細(xì)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(tuán)的熒光染料Alexa 488-azide和Alexa 594-azide對(duì)巖藻糖類似物FucAl進(jìn)行標(biāo)記，成像擬南芥根表皮細(xì)胞壁中從根冠到根毛區(qū)FucAl的分布發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞壁中巖藻糖的傳遞和分布的空間模式隨著發(fā)育時(shí)間而改變。點(diǎn)擊化學(xué)還可以實(shí)現(xiàn)細(xì)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(duì)Kdo類似物Kdo-N3標(biāo)記，Alexa Fluor 594-N3對(duì)巖藻糖類似物進(jìn)行標(biāo)記，Kdo-N3和FucAl可以通過代謝整合到擬南芥根的細(xì)胞壁中，對(duì)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(xì)胞壁中有相似的空間分布。由此可見，點(diǎn)擊化學(xué)彌補(bǔ)了熒光標(biāo)簽只能標(biāo)記蛋白質(zhì)的不足，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)活細(xì)胞中多糖和脂質(zhì)的動(dòng)態(tài)追蹤，在植物細(xì)胞壁生物合成的研究中具有很大應(yīng)用潛力。

2.4 傅里葉變換紅外光譜技術(shù)

傅里葉變換紅外光譜（fourier transform infrared spectroscopy, FTIR）技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，其在植物研究，尤其是在細(xì)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(dòng)頻率，F(xiàn)TIR通過檢測(cè)化合物的紅外分子吸收光譜，從而對(duì)樣品中的不同化合物進(jìn)行鑒定［46］。FTIR優(yōu)點(diǎn)在于只需要少量樣品，就可以無損快速分析細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)成分［47］，但在定量分析的準(zhǔn)確性方面還存在不足［48］。

主成分分析（principal component analysis, PCA）與FTIR的結(jié)合可以將復(fù)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(duì)小麥莖稈細(xì)胞壁成分進(jìn)行研究，篩選出了抗倒伏和莖稈強(qiáng)度高的小麥品種。FTIR還可以成像細(xì)胞壁成分分布。如Zhu等［51］利用FTIR成像竹子細(xì)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(dǎo)管附近的纖維中，而纖維素則均勻分布在整個(gè)纖維鞘中。除此之外，盡管無法對(duì)細(xì)胞壁成分進(jìn)行精確定量，但FTIR仍然可以應(yīng)用于細(xì)胞壁成分變化的研究。例如，Xiao等［52］利用FTIR對(duì)核桃外殼細(xì)胞壁進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在核桃成熟過程中，其外殼細(xì)胞細(xì)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(xì)胞的細(xì)胞壁進(jìn)行區(qū)分，這為研究細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)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(xì)胞壁結(jié)構(gòu)成分，越來越成為植物細(xì)胞壁成分和結(jié)構(gòu)研究的重要技術(shù)。

為了進(jìn)一步對(duì)比幾種新型的細(xì)胞壁成像技術(shù)，我們將不同的細(xì)胞壁成像技術(shù)的原理和優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)在表1中，其中AFM的優(yōu)勢(shì)在于可以在生理狀態(tài)下對(duì)細(xì)胞表面多糖進(jìn)行檢測(cè)和觀察，具有原子級(jí)分辨率。拉曼顯微術(shù)可以定位和定量細(xì)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(shì)。點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)利用多炔分子等標(biāo)記多糖類似物，可以觀察活體狀態(tài)下細(xì)胞壁多糖的積累。與拉曼顯微技術(shù)類似，F(xiàn)TIR無需標(biāo)記，可以快速無損對(duì)細(xì)胞壁不同成分的豐度和分布進(jìn)行檢測(cè)，但空間分辨率有限［54］。除了上述技術(shù)，超分辨技術(shù)如結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡（structured-illumination microscopy，SIM）、隨機(jī)光學(xué)重建顯微鏡（stochastic optical reconstruction microscopy, STORM）［55］等作為新型的成像技術(shù)在推動(dòng)細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的研究中也發(fā)揮著重要的作用。

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

3 細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)對(duì)其力學(xué)性質(zhì)的影響

3.1 微纖絲的長(zhǎng)度和纖維素含量影響細(xì)胞壁的力學(xué)性質(zhì)

微纖絲作為細(xì)胞壁組成的重要結(jié)構(gòu)，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(shù)構(gòu)建了細(xì)胞壁的納微結(jié)構(gòu)模型，對(duì)洋蔥表皮細(xì)胞壁的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，纖維素微纖絲越長(zhǎng)，細(xì)胞壁的力學(xué)性能越強(qiáng)，而果膠以及木葡聚糖的長(zhǎng)度對(duì)細(xì)胞壁力學(xué)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(xì)胞壁組分與力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，水稻莖稈強(qiáng)度與纖維素含量顯著正相關(guān)。Kokubo等［59］對(duì)大麥莖稈強(qiáng)度進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，纖維素含量越多，莖稈強(qiáng)度越大。由此可見，通常微纖絲越長(zhǎng)，纖維素含量越多，細(xì)胞壁的力學(xué)性能越好（圖2）。

圖2 影響細(xì)胞壁力學(xué)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(xì)胞壁的力學(xué)性質(zhì)

微纖絲角（microfibril angle, MFA）作為微纖絲與細(xì)胞主軸的夾角，對(duì)細(xì)胞壁的力學(xué)性能同樣具有重要影響。李帥偉等［60］利用納米壓痕技術(shù)研究毛竹纖維細(xì)胞壁的力學(xué)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(xì)胞軸幾乎平行，當(dāng)木材縱向受力時(shí)，微纖絲角變小，所以木材縱向力學(xué)性能通常好于橫向［61］。劉蒼偉等［62］利用納米壓痕技術(shù)和廣角X-射線散射法分別測(cè)試了毛竹厚壁纖維細(xì)胞壁的力學(xué)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(xué)性能更好。由此可見，微纖絲角較小時(shí)，木材的力學(xué)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(duì)白樺由內(nèi)往外微纖絲角進(jìn)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(jié)論相一致。值得注意的是，細(xì)胞壁力學(xué)性能也會(huì)隨著應(yīng)力的變化而改變。李青林等［64］利用切片技術(shù)和納米壓痕技術(shù)對(duì)黃瓜葉肉細(xì)胞細(xì)胞壁的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)力超過一定范圍后，細(xì)胞壁的彈性會(huì)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(xì)胞壁的力學(xué)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(gòu)成細(xì)胞壁復(fù)雜的納微網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其細(xì)胞壁不同組分之間交聯(lián)形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)其力學(xué)性質(zhì)具有重要的影響。研究發(fā)現(xiàn)其中半纖維素隨機(jī)分布在纖維素表面，結(jié)構(gòu)松散，主要影響細(xì)胞壁橫向力學(xué)性能［63］。此外，也有研究發(fā)現(xiàn)半纖維素可能會(huì)對(duì)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(xì)胞壁的抗壓強(qiáng)度［65］。值得注意的是，果膠酯化是影響細(xì)胞壁可塑性和機(jī)械強(qiáng)度的重要因素［66］。Lahaye等［67］在針對(duì)不同品種蘋果細(xì)胞壁多糖對(duì)其果肉力學(xué)特性的研究中發(fā)現(xiàn)，果膠側(cè)鏈通過調(diào)節(jié)纖維素的滑動(dòng)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(jié)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(jié)構(gòu)也影響著細(xì)胞壁的力學(xué)性質(zhì)［68］。

4 總結(jié)和展望

植物細(xì)胞壁作為包裹在原生質(zhì)體外圍的特殊結(jié)構(gòu)，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(xì)胞壁組分、結(jié)構(gòu)以及對(duì)其力學(xué)性質(zhì)的影響，對(duì)植物細(xì)胞壁優(yōu)良性狀的改良和利用具有重要的意義。植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和成分復(fù)雜，在不同物種、組織和細(xì)胞類型中具有差異性。傳統(tǒng)的細(xì)胞壁化學(xué)分析方法通常需要對(duì)植物組織進(jìn)行粉碎、研磨、提取等復(fù)雜的過程。此外，在細(xì)胞壁標(biāo)記成像方面，被廣泛應(yīng)用的組織化學(xué)染色特異性不足，有機(jī)熒光免疫標(biāo)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(shù)的發(fā)展，對(duì)細(xì)胞壁的納微結(jié)構(gòu)和成分的研究具有重要的推動(dòng)作用, 如原子力顯微鏡、拉曼顯微術(shù)以及傅里葉變換紅外光譜技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)信息的無標(biāo)記原位分析，為深入探究細(xì)胞壁的化學(xué)成分提供了廣闊的空間。與此同時(shí)，點(diǎn)擊化學(xué)作為一種新型標(biāo)記技術(shù)，突破了熒光標(biāo)簽只能標(biāo)記蛋白質(zhì)的限制，實(shí)現(xiàn)對(duì)活細(xì)胞中多糖和脂質(zhì)的動(dòng)態(tài)追蹤，對(duì)細(xì)胞壁的動(dòng)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(shù)的發(fā)展，雖然對(duì)細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和成分的研究不斷深入，但還有很多方向值得去進(jìn)一步深入探究：（1）植物細(xì)胞壁的形成是一個(gè)動(dòng)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(fù)雜交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)細(xì)胞壁形成的動(dòng)態(tài)機(jī)理仍值得深入研究。（2）建立細(xì)胞壁多組分的共標(biāo)記技術(shù)，借助和發(fā)展新型的成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞壁復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)和多種成分同時(shí)可視化的動(dòng)態(tài)原位觀察和分析，對(duì)深入探究細(xì)胞壁不同組分之間復(fù)雜的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和形成過程具有重要的意義。（3）隨著計(jì)算機(jī)水平和人工智能的發(fā)展，分子模擬技術(shù)和高通量的分析技術(shù)，也將成為細(xì)胞壁研究的有力支撐手段，將推動(dòng)植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性質(zhì)等相關(guān)研究的發(fā)展。相信未來，隨著新型的標(biāo)記技術(shù)、成像技術(shù)、模擬技術(shù)和人工智能等研究手段的不斷發(fā)展，將對(duì)細(xì)胞壁的成分、結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)形成機(jī)制及其力學(xué)性質(zhì)等重要方面的研究具有重要的推動(dòng)作用。